彩色金相技术的浅析与应用

彩色金相技术的浅析与应用

郭高峰

陕西宝鸡法士特齿轮有限责任公司陕西宝鸡722409

摘要：彩色金相是金相技术发展后期才出现的一种先进的金相显示技术，它综合了光学、化学、色彩学等多个学科的知识，充分光的各种特性，使材料不同组织显示出不同颜色，与传统黑白金相相比体现出明显的优势。一般来说，它具有更高的鉴别能力，能显示晶界、枝晶、第二相和成分偏析等，提供更多关于材料显微组织的有用信息，并能提高组织显示的精确性。这种技术在钢铁、铝合金等传统材料已有非常成功的应用，但在镁合金上的应用才刚刚开始，对大多数镁合金而言是应用空白。对镁合金的彩色金相分析技术进行研究，对镁合金组织的精细研究和镁合金材料的发展具有十分重要的意义。

关键词：彩色金相技术；应用

引言

传统光学金相，是通过化学试剂的刻蚀作用，使金属表面产生凸凹不平，从而产生反光能力的差别，即通过所谓“黑白衬度”来显示微观组织的形貌特征。对于钢铁材料而言，传统金相方法最常用的刻蚀剂为3%～5%的硝酸酒精溶液，但是钢铁材料里的铁素体相和渗碳体相在用硝酸酒精刻蚀后均呈现白亮色，不能辨别。彩色金相是利用化学法（电化学刻蚀沉积法、恒电位刻蚀沉积法、热氧化法等）或物理法（真空镀膜法、离子溅射法等），在试样表面形成一层具有特殊性质的薄膜，利用光的薄膜干涉效应，使金属及合金的显微组织呈现同的颜色，从而通过所谓的“颜色衬度”去辨别显微组织。

1、光学金相技术的发展

同其它金属材料一样，对于镁合金材料的研究也必然要以金相技术作为研究和检验的基础手段。金相技术发展到现在已经有一百多年历史了，从最初的光学金相显微镜发展到现代高分辨电子显微镜，已经有了巨大的变化。虽然现代电子显微镜的迅速发展为揭开材料组织中微观结构的奥秘发挥着越来越大的作用，在推动材料科学的进一步发展和阐明材料中的组织转变机制、相的结晶构造、晶体缺陷的形态、分布和作用等方面显示出了巨大的威力，但是它并不能取代传统光学金相的作用。光学金相有价廉、易于操作、视野范围宽等优点，能使分析者在较大范围内掌握材料中组织的变化情况，从而对材料的整体状况做出较正确的判断。在材料的研制及生产中，光学金相仍然被认为是提供微观组织初级信息的重要手段。

随着科学技术的进步，光学金相技术也在不断发展和进步。一方面是对传统显示方法的改进，包括一些新型的、放大倍数更高的、功能更齐全的各式光学金相显微镜相继问世，应用于不同类型合金的各种试剂也相继问世，数码技术的发展也使照相和图片处理更方便；另一方面则是对显示方法的改进，彩色金相技术一经出现便显现出巨大的优势，彻底改变了传统黑白金相技术在鉴别不同显微组织方面、在区分不同相的性质方面、在显示组织中成分不均及晶体取向等方面所存在的软弱无力的状态，使之发生了极大的变化和改进，将光学金相技术推向了一个新的高度。

彩色金相之所以能达到这种效果，是因为它和黑白金相显示组织的机理不尽相同。传统的黑白金相方法，一般是通过化学试剂腐蚀试样表面，使表面中较低电位部分，如晶界、相界处溶解，形成沟槽或浮凸，在金相显微镜下观察时，垂直试样表面入射的光线在这些地方会被散射，而不能全部进入物镜，因此显示为黑色，而其它平面处则显示为白亮色，从而使试样表面的组织显示出来。

2、彩色金相原理

彩色金相，首先是一个颜色的问题。自然界中本身不发光的物体之所以会显示出不同的颜色，是由于他们对白光的选择性吸收而造成的。光的吸收有如下两种方式：

一般来说，彩色金相应用的是第二种方式。因为绝大部分彩色金相都是利用化学的或者物理的方法，在不破坏表面或只进行轻微侵蚀的情况下，在试样表面形成一层在结构与成分上同基体组织密切相关的薄膜，然后利用光的干涉效应显示出干涉波长的补色。在试样表面形成的膜一般在40~500nm左右，这层膜可以是均厚的，也可以是非均厚的，无论哪种情况，它们的显色机理确是相通的。假定金属表面覆盖有一层均匀的不吸光的薄膜，如图1.3a所示。当入射光照射到薄膜表面时将分为两部分，一部分光从薄膜表面直接反射出来，而另一部分光则从金属与薄膜的界面反射出来。这两束光波长相同，但位相发生了变化，其位相差由以下两式确定：

其中δr为光在薄膜-金属界面上反射时的位相跃变，ns和ds分别为薄膜的折射率和厚度，nM和KM分别为金属的折射率和金属对光的吸收系数，δ0和δr分别为光在空气-薄膜界面和薄膜-金属界面反射时的位相跃变，δ⊥代表垂直入射时的位相差，λ为波长。当两束光的位相差正好是π的奇数倍时，就会发生干涉现象。

3、彩色金相的优点

3.1、显著提高了相鉴别率

传统黑白金相完全以组织形貌的灰度差去鉴别相和组织，很显然有很大的局限性。人眼对灰度图像的分辨能力远比彩色图像要低，灰色衬度一般只适合用于比较简单的目的，如得到晶界和简单第二相信息，而对于比较复杂的材料或者多相合金，则显得力不从心。例如高硅铝中含有多种不同的相，利用灰色衬度是绝对分辨不出来的，但用彩色金相方法却可以使不同相染上不同的颜色，这样不仅可以清晰的显示出相的数量、各个相的大小和分布规律，而已可以依此利用其它电子显微方法进行进一步的分析和研究。

3.2、大大提高组织显示的精确性，为定量金相奠定良好的基础

材料的宏观性能与其微观组织结构密切相关，它们之间的依赖关系已经随着材料科学的发展由定性评估过渡到定量分析的阶段。定量金相以体视学为理论基础，借助物体的二维截面或投影来推断三维空间中显微组织的定量关系。其测量精度除取决于测量方法和仪器的测量精度外，最重要的取决于显微组织的显示精度。一般的黑白金相方法，需经过对金属表面进行比较强烈的蚀刻，以产生表面的凹凸不平，这时相的界面往往受到了强烈的浸蚀，从微观的角度看，相界变得很宽，在对细密的组织显示时，往往导致失真，这些变化大大影响了相的定量计量精度。此外，黑白金相利用黑白衬度来识别不同的相，往往由于相与相之间的灰度拉不开，而使得定量金相无法实现。而彩色金相很好地解决了这些问题。首先，彩色显示，即使是化学蚀刻沉积法，对金属表面的浸蚀比黑白金相也要缓和的多，对金属表面的破坏也小的多，这样就保证显微组织接近真实的显示出来。其次，彩色金相通过颜色衬度来显示不同的相和组织，其鉴别力大大提高，许多黑白衬度难以区分的组织细节都能在彩色金相下显示清楚，从而为定量金相提供了很好的条件。

结束语

对镁合金而言，彩色金相可以提供比黑白金相更多有用的信息，可以解决铸态AZ系镁合金的晶界难以腐蚀出来的难题，可以以流畅的颜色变化来显示材料的成分变化，并具有一定的美观性和艺术性。

参考文献：

[1]李永德,张培,毛振宁,刘明艳,曹彩玉.彩色金相技术的浅析与应用[J].河北工程大学学报(自然科学版),2017,34(03):93-96.