金屬合金對(duì)許多行業(yè)的多種產(chǎn)品都很重要，尤其是以汽車、卡車、火車、飛機(jī)等為載體的運(yùn)輸行業(yè)。本報(bào)告介紹了合金表征（特別是晶粒度）對(duì)汽車和運(yùn)輸行業(yè)的重要性，以及利用光學(xué)顯微鏡軟件進(jìn)行分析的實(shí)用、高效的解決方案。

目前各行各業(yè)在用的標(biāo)準(zhǔn)合金有數(shù)千種，并且市場(chǎng)也一直在開(kāi)發(fā)性能更加出色的新合金，以滿足新需求。例如，用于制造汽車、卡車、飛機(jī)和火車的鋼和鋁合金就有很多種。

選擇合金時(shí)，應(yīng)當(dāng)了解與其成分和微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)的特性。微觀結(jié)構(gòu)，如相、晶粒或夾雜物，都會(huì)對(duì)抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性產(chǎn)生顯著影響。充分了解成分、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的關(guān)系對(duì)設(shè)計(jì)和制造合金非常重要。晶粒是在生產(chǎn)的冷卻階段中，形成于合金中的結(jié)晶（微觀晶體）。

人們很早就知道，晶粒的尺寸增加后，合金的（參考圖1）^[1]：

為表征合金的微觀結(jié)構(gòu)，我們必須從合金材料中制備樣品，然后進(jìn)行研磨和拋光，用顯微鏡進(jìn)行成像，最后對(duì)圖像進(jìn)行分析。圖2顯示了樣品制備和微觀結(jié)構(gòu)分析的典型工作流程圖。

用于研究合金微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)種類很多。100多年來(lái)，人們的技術(shù)包括：入射式明場(chǎng)、暗場(chǎng)、微分干涉對(duì)比（DIC）、偏振光照明以及彩色蝕刻的光學(xué)顯微鏡。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)自動(dòng)顯微鏡和圖像分析系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地評(píng)估這些合金的結(jié)構(gòu)。

成像軟件的設(shè)置和分析能力會(huì)顯著影響下列環(huán)節(jié)的效率、準(zhǔn)確性、可靠性和可重復(fù)性：

徠卡顯微鏡搭載LAS X晶粒專家軟件，為準(zhǔn)確、可重復(fù)的晶粒度和微觀結(jié)構(gòu)分析提供了實(shí)用的解決方案。晶粒度可通過(guò)自動(dòng)應(yīng)用傳統(tǒng)方法，或更*的數(shù)字方法進(jìn)行分析。該分析方法符合多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。表1總結(jié)了這款軟件的種種優(yōu)勢(shì)。

光學(xué)顯微鏡可利用入射光照法，為不透明且不透光的合金樣品成像。為了更好地對(duì)比特定的合金微觀結(jié)構(gòu)成分，成像時(shí)會(huì)使用某些對(duì)比技術(shù)^[2,3]：

明場(chǎng)；暗場(chǎng)；微分干涉對(duì)比（DIC）；偏振光。

下面將進(jìn)一步介紹這些入射照明對(duì)比方法，參考文獻(xiàn)2和3則作了更詳細(xì)的說(shuō)明。

下方圖3顯示了使用明場(chǎng)照明的復(fù)合顯微鏡拍攝的鋼合金圖像。

圖4顯示了使用暗場(chǎng)照明的復(fù)合顯微鏡拍攝的鋼合金圖像。

下方圖5顯示了使用復(fù)合顯微鏡和微分干涉對(duì)比法拍攝的鋼合金圖像。

圖6顯示了使用偏振光照明的復(fù)合顯微鏡拍攝的著色蝕刻的鋁合金圖像。

為了更好地看清合金的晶粒和微觀結(jié)構(gòu)，在樣品制備過(guò)程中，我們常用酸、堿或電解溶液進(jìn)行蝕刻。在蝕刻過(guò)程中，合金微觀結(jié)構(gòu)的特定成分會(huì)受到攻擊，如晶界或晶區(qū)內(nèi)的相。然后使用明場(chǎng)或暗場(chǎng)照明，即可對(duì)被蝕刻的合金進(jìn)行正常成像^[2,3]。下文將詳細(xì)介紹蝕刻合金的明場(chǎng)和暗場(chǎng)成像內(nèi)容。顏色或色調(diào)的蝕刻也可用于對(duì)比合金的晶粒和微觀結(jié)構(gòu)^[2,3]。關(guān)于合金蝕刻的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)2和3。

下方圖7顯示了用復(fù)合顯微鏡和明場(chǎng)照明拍攝的蝕刻鋼合金的圖像。

圖8顯示了使用暗場(chǎng)照明的復(fù)合顯微鏡拍攝的蝕刻鋼合金圖像。

下方表2中總結(jié)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的晶粒度分析方法。

合金的平均晶粒度通常以晶粒度數(shù)G來(lái)表示，如ASTM E112 - 13^[4]標(biāo)準(zhǔn)所示。G的取值范圍為00到14，其中00對(duì)應(yīng)的平均晶粒直徑為0.508 mm，面積為0.2581 mm2，14對(duì)應(yīng)的直徑為2.8 µm，面積為7.9 µm2。評(píng)估合金的晶粒度數(shù)時(shí)，常用的方法包括ISO 643:2012和ASTM E112 - 13^[4,5]標(biāo)準(zhǔn)中描述的截距法、平面測(cè)量法和比較法。

在合金的顯微圖像上畫(huà)出帶有截距線的幾何圖案^[4,5]。由（參考圖9）下列數(shù)據(jù)，可計(jì)算出平均截距線長(zhǎng)度l。

被測(cè)試線（PL）攔截的晶粒數(shù)量或每單位長(zhǎng)度的測(cè)試線所截取的晶粒邊界（NL）。

計(jì)算出PL和NL后，則可得出截獲的長(zhǎng)度： 

并利用下列公式確定晶粒度數(shù)G：

截距數(shù)或交叉數(shù)越多，G的精度就越高。一般來(lái)說(shuō)，截距法的速度快，精度好。

這種方法可用于對(duì)定義的圓形區(qū)域內(nèi)的晶粒數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)[4,5]。每單位面積的晶粒數(shù)量NA可用于確定G值（晶粒度數(shù)）。NA的值可通過(guò)以下方法計(jì)算：

其中M是放大率，A是圓形面積，n內(nèi)是落在圓內(nèi)的晶粒數(shù)量，n攔截是被圓的邊緣截住的晶粒數(shù)量（參考圖10）。然后G值可利用以下公式計(jì)算：

計(jì)數(shù)的晶粒數(shù)量越多，G的精度就越高。一般來(lái)說(shuō)，平面測(cè)量法的結(jié)果的可重復(fù)性和精確度都非常高。

這種方法無(wú)需計(jì)數(shù)，而是將晶粒結(jié)構(gòu)與一系列在100倍放大率下記錄的參考圖像進(jìn)行比較，可以是掛圖、清晰的覆蓋圖，也可以是顯微鏡目鏡標(biāo)線上的圖像（參考圖11）^[4,5]。這種方法速度快，但晶粒度值的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)低于上述截距法或平面測(cè)量法計(jì)算出的晶粒度值。