金相学和材料显微组织定量分析技术
www.mapeng.net 马棚网
金相学和材料显微组织定量分析技术
刘国权，刘胜新，黄启今，钟云龙，钟 声，秦湘阁
（100083 北京市北京科技大学材料科学与工程学院）
【摘 要】 扼要但比较系统地介绍了材料显微组织几何形态的定量表征与分析技术及其标准化、显微组织仿真及设计、以及金相研究时应注意的材料显微组织的若干特性等内容。对金相学、材相学、体视学、图像分析、虚拟金相学、显微组织仿真及其相互关系亦予以扼要讨论。本论文还给出了一系列金相观测的标准名称以及利用体视学和图像分析方法进行材料显微组织或非金属夹杂物定量分析的标准的例子供查阅、应用。
【关键词】金相学；体视学；图像分析；计算机仿真；材料显微组织
1 引言
金相技术作为材料研究和检验手段，要追溯到索拜（Sorby）1860 年开始运用光学显微镜研究金属内部组织并于1864 年在历史上最早发表金属显微组织的论文[1]。此后，光学显微镜逐渐成为研究和检验金属材料组织的有效手段。正因如此，金相学被认为是金属学的先导，是金属学赖以形成与发展的基础，亦曾被用作早期金属学的代名词；金属材料与热处理专业在过去相当一段时期内则被简称为“金相专业”。同样，光学显微镜技术对于无机非金属材料学和其它材料分支学科的重要作用亦类同于其对于金属学；国际上亦有建议采用材相学(materialography)取代金相学之称，以反映其研究对象已从金属材料拓展到无机非金属材料和高分子材料、复合材料这一现实。
目前，金相技术仍是材料科学与工程领域最广泛应用的、易行有效的研究和检验方法，金相检验则是各国和ISO 国际材料检验标准中的重要物理检验项目类别。但随着材料研究与检验方法的不断丰富，为与其它实验手段区分，目前金相学习惯上已只取其狭义，主要指借助光学（金相）显微镜、放大镜和体视显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的材料学科分支，既包含材料三维显微组织的成像（ imaging）及其定性、定量表征，亦包含必要的样品制备、准备和取样方法。其观测研究的材料组织结构的代表性尺度范围为10-9-10-2m 数量级，主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒（亦包括可能存在的亚
晶）、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷（例如位错）的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。当需要对不透明材料的三维显微组织进行无偏定量表征时，基于几何概率学、定量金相学和图像分析技术等发展起来的材料体视学测试技术则成为必不可少的工具。
本文将主要扼要介绍材料显微组织几何形态的定量表征与分析技术及其标准化、显微组织仿真模型、以及金相研究时应注意的材料显微组织的若干特性等内容。
2 图像分析和体视学[2-6]
金相学或显微组织学在材料科学与工程领域中的重要功能是对材料的宏观和显微组织及其与材料加工处理过程的行为、性能以及使用功能的关系给出真实和统计可靠的定量描述。在获得不透明材料三维组织几何形态的定量表征信息方面，图像分析和体视学起着几乎不可替代的作用。图像分析技术可定义为从图像（多为二维）中提取特定几何形态和光密度数据的技术或方法。既可采用计算机辅助专用全自动图像分析仪的快速分析方法，亦可选用不需要任何复杂昂贵仪器设备、简便易行的人工计数法以实现材料显微组织图像的定量分析[2]；应用相当广泛。然而，自动图像分析和人工图像分析所得数据一般均仅限于一维或二维图像的定量信息，难于直接用于建立组织结构与材料性能或功能间的定量关系，或对所得关系难于给出具有实际物理意义的解释，具有明显的局限性。而图像分析技术与体视学的有机结合，则使组织图像的定量分析（定量金相学）成为材料科学与工程发展史上最成功的实验技术之一。二者结合的方式为