工业纯铁、纯铝金相样品的观察

1  工业纯铁样品

退火态工业纯铁通常在金相实验中的推荐观察倍数是100×^[1]；即，10×物镜配合10×目镜。一般，样品中晶粒度在4~6级之间，晶粒的截面弦长在40~80μm。如此物理尺度的晶粒，如果在晶粒范围内呈现一个与样品表面具有明显倾斜的表面（密排面）的话，那么，在一个晶粒内部，在50×物镜下（总放大倍数是500×），出现不同区域无法同时聚焦清楚的情况应该是很常见的事情。因为，晶粒内部出现水平高度差异在10~20μm之间的可能性，从概率角度说，是很平常的事情。而这已经远远超出了50×物镜的景深范围（1.56μm），因此，一个晶粒范围内出现无法同时聚焦的现象就不足为奇了。然而，经验、实际操作都告诉我们，看不到这样的现象存在；任何一个单独的晶粒各个部位，都可以在视场中被完全聚焦清楚。也就是说，晶粒内部的表面与样品的表面不存在可分辨的倾斜。即使有，在普通显微镜观察条件下是微乎其微，完全可以忽略的。

    事实上，我们可以观察到的是，不同晶粒之间存在水平高度上的明显差异。由此，会造成很多相邻的晶粒在同一个视场中无法同时聚焦清楚；参看图1、2。图1视场中的所有晶粒都很清晰；此时是选用的20×物镜（其景深达到6.09μm）。图2 中的B、C晶粒可以同时聚焦清楚，而A晶粒是模糊的；此时是选用的50×物镜（其景深只有1.56μm）。在多个位置观察，并通过显微镜微调旋钮刻线的移动量的计量，可以知道，图2所示的晶粒之间的高度差异，约在4~6μm的范围之间。所以，20×物镜观察感觉不到这样的高度差异，因为高度差异没有超出其景深范围；而50×物镜就不可避免出现聚焦不清的问题。实际上，其他研究者也观察到了“部分晶粒明显凸出试样表面，对应于难侵蚀的晶粒”的现象^[2]。

图1  20倍物镜

图2  50倍物镜

2  纯铝样品

一些粗大晶粒的样品深侵蚀后，其晶体位向不同的晶粒，在日光下，肉眼就可看出具有显著明暗差异的一个个晶粒；并且，随着试样的转动、入射光方向的改变，晶粒的明暗情况也是变化的^[3]。金属学的经典实验“塑性变形与再结晶实验”中，纯铝在临界变形度下形变再结晶的粗大晶粒^[1]就是这样的情况。实验中采用的铝片厚度在0.5mm左右；而异常长大的晶粒是cm级别的，肉眼可辨。可是，不会有人感觉到不同的晶粒内部的表面经过强烈侵蚀后，与铝片表面存在明显的倾斜。否则，必然会出现肉眼可辨的侵蚀坑洞了。

3  总结

    实际上，以上两例的同样的光学效果，完全可以由不同于现有理论的表面立体形貌的垂直截面形貌模型获得；参看图3。倾斜说的垂直截面示意可以利用图中实线直角三角形ABC来示意。CB线是铝片（或工业纯铁）整体表面的位向；AB线代表一个晶粒内部侵蚀后呈现的与试样表面呈现一定角度的斜面（密排面）。AC线代表晶粒内部水平高度上的差异。倾斜说可以形成的光学效果，可以由虚线表示的垂直截面中呈锯齿状的晶粒表面得到；图中虚直线表示样品整体表面位向。即，晶粒内部的表面呈现规律、密集的凹坑。当然，垂直截面上的锯齿状的形貌，肉眼（或显微镜的分辨能力）并不可辨；每个晶粒内部肉眼（显微镜）观察还是平行于试样的整体表面。这种晶粒内部表面的设想，因该说更符合我们的实际观察效果；我们命名此种设想为“凹坑说”。

图3

    文献[4]是国内看到的唯一一份资料，不认为晶粒内部在强烈侵蚀（深侵蚀）情况下，会呈现倾斜于样品平面的内部表面；而是会出现特定的侵蚀图形。而侵蚀图形一般具有规则的、与金属结晶构造相应的几何形状（遗憾，没有更详细的论述）。

    因此，晶界、晶粒侵蚀阶段在样品表面到底发生了什么，为什么看到暗色的晶界，不同晶粒灰度上的差异到底由何而来；晶界位置、晶粒内部，在晶粒侵蚀阶段进一步出现了怎样的变化，沟槽-倾斜说，无法给出合理的解释。

[1]  谢希文，岳锡华．金属学实验[M]．上海：上海科学技术出版社， 1987．

[2]  贾涓，朱微微，代礼斌等．无取向硅钢晶粒与晶界特征的EBSD分析[J]．武汉科技大学学报，2009，32（5）：491-495．

[3]  蔡玉林，郑运荣．高温合金的金相研究[M]．北京：国防工业出版社，1986．

[4]  E.B.潘钦科等．金相实验室[M]．孙一唐，译．北京：中国工业出版社，1965．