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金相學和材料顯微組織定量分析技術

劉國權，劉勝新，黃啟今，鐘云龍，鐘 聲，秦湘閣

（100083 北京市北京科技大學材料科學與工程學院）

【摘 要】 扼要但比較系統地介紹了材料顯微組織幾何形態的定量表征與分析技術及其標準化、顯微組織仿真及設計、以及金相研究時應注意的材料顯微組織的若干特性等內容。對金相學、材相學、體視學、圖像分析、虛擬金相學、顯微組織仿真及其相互關系亦予以扼要討論。本論文還給出了一系列金相觀測的標準名稱以及利用體視學和圖像分析方法進行材料顯微組織或非金屬夾雜物定量分析的標準的例子供查閱、應用。
【關鍵詞】金相學；體視學；圖像分析；計算機仿真；材料顯微組織
　

1 引言

金相技術作為材料研究和檢驗手段，要追溯到索拜（Sorby）1860 年開始運用光學顯微鏡研究金屬內部組織并于1864 年在歷史上最早發表金屬顯微組織的論文[1]。此后，光學顯微鏡逐漸成為研究和檢驗金屬材料組織的有效手段。正因如此，金相學被認為是金屬學的先導，是金屬學賴以形成與發展的基礎，亦曾被用作早期金屬學的代名詞；金屬材料與熱處理專業在過去相當一段時期內則被簡稱為“金相專業”。同樣，光學顯微鏡技術對于無機非金屬材料學和其它材料分支學科的重要作用亦類同于其對于金屬學；國際上亦有建議采用材相學(materialography)取代金相學之稱，以反映其研究對象已從金屬材料拓展到無機非金屬材料和高分子材料、復合材料這一現實。

目前，金相技術仍是材料科學與工程領域最廣泛應用的、易行有效的研究和檢驗方法，金相檢驗則是各國和ISO 國際材料檢驗標準中的重要物理檢驗項目類別。但隨著材料研究與檢驗方法的不斷豐富，為與其它實驗手段區分，目前金相學習慣上已只取其狹義，主要指借助光學（金相）顯微鏡、放大鏡和體視顯微鏡等對材料顯微組織、低倍組織和斷口組織等進行分析研究和表征的材料學科分支，既包含材料三維顯微組織的成像（ imaging）及其定性、定量表征，亦包含必要的樣品制備、準備和取樣方法。其觀測研究的材料組織結構的代表性尺度范圍為10^-9-10^-2m 數量級，主要反映和表征構成材料的相和組織組成物、晶粒（亦包括可能存在的亞

晶）、非金屬夾雜物乃至某些晶體缺陷（例如位錯）的數量、形貌、大小、分布、取向、空間排布狀態等。當需要對不透明材料的三維顯微組織進行無偏定量表征時，基于幾何概率學、定量金相學和圖像分析技術等發展起來的材料體視學測試技術則成為必不可少的工具。

本文將主要扼要介紹材料顯微組織幾何形態的定量表征與分析技術及其標準化、顯微組織仿真模型、以及金相研究時應注意的材料顯微組織的若干特性等內容。

2 圖像分析和體視學[2-6]

金相學或顯微組織學在材料科學與工程領域中的重要功能是對材料的宏觀和顯微組織及其與材料加工處理過程的行為、性能以及使用功能的關系給出真實和統計可靠的定量描述。在獲得不透明材料三維組織幾何形態的定量表征信息方面，圖像分析和體視學起著幾乎不可替代的作用。圖像分析技術可定義為從圖像（多為二維）中提取特定幾何形態和光密度數據的技術或方法。既可采用計算機輔助專用全自動圖像分析儀的快速分析方法，亦可選用不需要任何復雜昂貴儀器設備、簡便易行的人工計數法以實現材料顯微組織圖像的定量分析[2]；應用相當廣泛。然而，自動圖像分析和人工圖像分析所得數據一般均僅限于一維或二維圖像的定量信息，難于直接用于建立組織結構與材料性能或功能間的定量關系，或對所得關系難于給出具有實際物理意義的解釋，具有明顯的局限性。而圖像分析技術與體視學的有機結合，則使組織圖像的定量分析（定量金相學）成為材料科學與工程發展史上最成功的實驗技術之一。二者結合的方式為