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金相學(xué)和材料顯微組織定量分析技術(shù)

劉國權(quán)，劉勝新，黃啟今，鐘云龍，鐘 聲，秦湘閣

（100083 北京市北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

【摘 要】 扼要但比較系統(tǒng)地介紹了材料顯微組織幾何形態(tài)的定量表征與分析技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化、顯微組織仿真及設(shè)計(jì)、以及金相研究時(shí)應(yīng)注意的材料顯微組織的若干特性等內(nèi)容。對金相學(xué)、材相學(xué)、體視學(xué)、圖像分析、虛擬金相學(xué)、顯微組織仿真及其相互關(guān)系亦予以扼要討論。本論文還給出了一系列金相觀測的標(biāo)準(zhǔn)名稱以及利用體視學(xué)和圖像分析方法進(jìn)行材料顯微組織或非金屬夾雜物定量分析的標(biāo)準(zhǔn)的例子供查閱、應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】金相學(xué)；體視學(xué)；圖像分析；計(jì)算機(jī)仿真；材料顯微組織
　

1 引言

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

目前，金相技術(shù)仍是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的、易行有效的研究和檢驗(yàn)方法，金相檢驗(yàn)則是各國和ISO 國際材料檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的重要物理檢驗(yàn)項(xiàng)目類別。但隨著材料研究與檢驗(yàn)方法的不斷豐富，為與其它實(shí)驗(yàn)手段區(qū)分，目前金相學(xué)習(xí)慣上已只取其狹義，主要指借助光學(xué)（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(jìn)行分析研究和表征的材料學(xué)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(zhǔn)備和取樣方法。其觀測研究的材料組織結(jié)構(gòu)的代表性尺度范圍為10^-9-10^-2m 數(shù)量級(jí)，主要反映和表征構(gòu)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(cuò)）的數(shù)量、形貌、大小、分布、取向、空間排布狀態(tài)等。當(dāng)需要對不透明材料的三維顯微組織進(jìn)行無偏定量表征時(shí)，基于幾何概率學(xué)、定量金相學(xué)和圖像分析技術(shù)等發(fā)展起來的材料體視學(xué)測試技術(shù)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(tài)的定量表征與分析技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化、顯微組織仿真模型、以及金相研究時(shí)應(yīng)注意的材料顯微組織的若干特性等內(nèi)容。

2 圖像分析和體視學(xué)[2-6]

金相學(xué)或顯微組織學(xué)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)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(guān)系給出真實(shí)和統(tǒng)計(jì)可靠的定量描述。在獲得不透明材料三維組織幾何形態(tài)的定量表征信息方面，圖像分析和體視學(xué)起著幾乎不可替代的作用。圖像分析技術(shù)可定義為從圖像（多為二維）中提取特定幾何形態(tài)和光密度數(shù)據(jù)的技術(shù)或方法。既可采用計(jì)算機(jī)輔助專用全自動(dòng)圖像分析儀的快速分析方法，亦可選用不需要任何復(fù)雜昂貴儀器設(shè)備、簡便易行的人工計(jì)數(shù)法以實(shí)現(xiàn)材料顯微組織圖像的定量分析[2]；應(yīng)用相當(dāng)廣泛。然而，自動(dòng)圖像分析和人工圖像分析所得數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)與材料性能或功能間的定量關(guān)系，或?qū)λ藐P(guān)系難于給出具有實(shí)際物理意義的解釋，具有明顯的局限性。而圖像分析技術(shù)與體視學(xué)的有機(jī)結(jié)合，則使組織圖像的定量分析（定量金相學(xué)）成為材料科學(xué)與工程發(fā)展史上最成功的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一。二者結(jié)合的方式為