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金相學(xué)和材料顯微組織定量分析技術(shù)

劉國(guó)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(duì)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(cè)的標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)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(kāi)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(lài)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(zhuān)業(yè)在過(guò)去相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)則被簡(jiǎn)稱(chēng)為“金相專(zhuān)業(yè)”。同樣，光學(xué)顯微鏡技術(shù)對(duì)于無(wú)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(lèi)同于其對(duì)于金屬學(xué)；國(guó)際上亦有建議采用材相學(xué)(materialography)取代金相學(xué)之稱(chēng)，以反映其研究對(duì)象已從金屬材料拓展到無(wú)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(guó)和ISO 國(guó)際材料檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的重要物理檢驗(yàn)項(xiàng)目類(lèi)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(duì)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(cè)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(duì)不透明材料的三維顯微組織進(jìn)行無(wú)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(lái)的材料體視學(xué)測(cè)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(duì)材料的宏觀和顯微組織及其與材料加工處理過(guò)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(zhuān)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(jiǎn)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?zhuān)哂忻黠@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