关于彩色金相技术的综述

------王谚（2008165）

 

George F. Vander Voort说：

Color has historically seen limited use in metallography, mainly due to the cost of film and prints and the difficulty and cost of reproducing images in publications. With the growth of digital imaging, however, capturing color images is much simpler and cheaper.

 

可见，经济是基础，颠扑不破。

 

关于彩色金相技术的综述

------王谚（2008165） 

摘要：相对以前的金相观察技术，彩色金相技术作为显示金属显微组织的一种新方法，受到人们广泛重视。本文首先分析总结了彩色金相技术的理论依据，并将已被采用的各种技术进行归纳，然后论述了各种方法在国内外研究及应用的状况，存在的实际问题和相应的解决方法。

关键词：彩色金相；金相显微组织；缀饰；蚀刻；

 

引言

早在1863年，Soyby以第一个金相试样在显微镜下进行合金组织研究时，就开创了金相学。金相学的建立，对揭示合金内部组织奥秘起到了十分重要的作用。随着材料科学的进展，对金相技术有了更高的要求。其一，要求大幅度提高放大倍率，以便于更好地观察合金内部组织细节，此要求由于电子显微镜日新月异的发展而得到解决。其二，要求提高鉴别各种合金相的精确度，这也是定量金相的需要。为了解决这个问题，克服传统蚀刻法的易产生假象和提供组织信息有限等缺点，人们做了大量的探索，直到上世纪四十年代，美国金相学家Berha等人，发明了彩色金相技术，才使解决这一问题有了明确的方向，并日益受到研究者们的重视。

近半个多世纪以来，彩色金相技术在国外已被普遍应用到材料科学研究和生产当中，获得显著的经济效益和社会效益。而作为代表光学金相发展方向的这一崭新技术在国内正日趋受到重视。

1 彩色金相技术的理论基础

1.1 颜色光学基础

自然界千变万化的颜色，都可以通过红、绿、蓝三原色，按一定比例配合而成并通过三原色的加色、减色或还原等过程构成补色。

任何一种单色光或若干波长混在一起的可见光，都将对三原色及补色产生光的作用。然后，在视网膜上产生电位变化。这种电冲动传入大脑便产生色感。彩色金相衬度不是一种单变数的视觉，而是由色调、饱和度、亮度来描述颜色差别的综合变数。色调是颜色的性质，主要由其波长来决定。其中后一种对彩色成像十分重要，因为它会使金属表面属反射光中某一段因产生干涉而削弱，从而使金属组织显示出相干波长的互补色。

1.2 干涉膜金相学基础

彩色金相主要是以薄膜干涉现象为基础。其原理主要是通过化学或物理的方法在金属表面形成一层极薄的干涉膜，再利用薄膜干涉效应使金属微观组织产生不同的干涉色，从而显著地提高了对金属组织的鉴别能力。

2 彩色金相方法分类

目前已采用的各种缀饰方法，如表1所示：

表1 各种缀饰方法

3 彩色金相显示应用状况及存在的问题

3.1  偏振光法

偏振光法是通过纯光学手段来增强组织衬度，提高鉴别率。此法与干涉衬度和相衬等装置相配合，揭开彩色金相研究的序幕。显微镜偏振装置主要由起偏镜和检偏镜组成。前者使试样上的入射光偏振，后者鉴别从试样上反射的光线。通常在两透镜间插入一个灵敏色片，因此，普通光线与特殊光线程差为一个波长，如果这个光波处于接近可见光谱中间的临界位置，那么双折射的稍微移动就可引起完全不同的色彩。

偏振光着色效应主要应用于以下两个方面：光学上各向异性金属；带各向异性薄膜的各向同性金属、复相合金中各相及非金属夹杂物等。偏振光法存在主要问题是对于各向同性金属，必须采用特殊试剂在试样表面先形成各向异性薄膜。因此，此法可操作性差，适用面窄。鉴于此，此法一般不能独立使用，而是作为其他缀饰方法的辅助手段。

3.2　热染法

热染法是一种古老的缀饰方法。此法是把制备好的试样放在氧化气氛下加热，使金属表面生发成一层厚度大于0.5μm的干涉氧化膜。其中，氧化速率对成分差别和晶体学位向很敏感，因而试样中不同相或不同取向的同一相由于氧化速率差别而在试样表面沉积了不同厚度的氧化膜，在显微镜照明条件下，可观察到许多不均匀着色的晶粒和相。

热染法主要优点是可操作性强，它主要应用在以下三方面：合金中各相鉴别；铸铁及有色金属组织鉴别；晶体位向显示等。热染法存在的主要问题有以下三方面：当热染法温度超过材料的相变温度时，就不能应用；由于要加热度样，因此对温度敏感的一些结构因素则难以显示；对金、铂、银等金属或合金不适用。鉴于此，热染法的应用受到很大限制，但随着控制气氛及真空设备的出现，热染法会有很好的发展前景。

3.3　阳极化法

1948年， A.Hone和E.CPearson首先对铝试样进行电解阳极化，使原来对于光是各向同性表面形成一层对光是各向异性的氧化膜。美国学者Picklesimer第一个指出氧化膜所产生干涉色主要取决于氧化电压，阳极化溶液和试样成分。

阳极化优点是所形成的氧化膜不破坏金属表面，色彩再现性好。但是，因为此法处理过程中技术条件要求较高，因此目前仅限于对铌基、钛基、钽基和锆等少数几种金属材料适用。

3.4　化学染色法

早在四十年代，美国学者Berha，从众所周知的商业用的金属防护膜受到启发，研制出一系列化学缀饰剂。化学染色法主要是通过化学试剂与样品表面发生化学反应，从而在样品表面缀饰了一层厚度不同的干涉膜。试样中不同相或不同取向的晶粒的干涉色是由其晶体学位向决定的。此干涉膜还能起到一种控制金属表面和平衡化学介质之间的腐蚀反应作用。美国学者Klemn从微观角度认为，这种反应出现于试样上微观阳极和阴极、试样不同组分和浸饰剂之间。其中，控制缀饰剂中PH值是化学染色的关键。否则会使缀饰剂中化学反应平衡被打破，使沉淀出的干涉膜又分解。

化学染色法是实际应用最广泛的缀饰方法。目前已研制出以硫酸盐为基的、亚硫酸盐为基的、亚硫酸氢盐为基的、硫代硫酸盐为基的、硒酸盐为基的、钼酸盐为基的及复合硫代硫酸盐为基的7类、70多种缀饰剂。化学染色法广泛应用于铸铁、碳钢、合金钢及有色金属。此法具有可操作性强，无需任何设备等优点。但同时也存在着颜色重现性差，缀饰剂种类不够全面及稳定性差等问题。我们相信，随着有效地解决化学染色法存在的不足后，此法用于彩色金相显示是很有前途的。

3.5　干涉蒸发膜的真空沉积法

近年来，瑞士学者Pepperholf为解决化学染色法存在的问题，发展了一种更复杂的干涉膜。此方法是在真空中把具有高折射率的硫化锌、硒化锌及碲化锌等物质沉积在试样表面，形成干涉膜，聚集在试样上蒸发膜厚度为30~40nm。随着蒸发层沉积的各个相之间衬度增强，除了相与相之间反射差增加外，光反射时相角差也加大到某种程度，使各相呈现不同颜色。

真空沉积膜主要应用于高温合金，耐蚀合金，表面防护层及活动轴层复合材料的扩散过程等的研究。。此法主要优点为：干涉膜厚度均匀；色彩再现性好；试样表面不被破坏等。此方法存在主要问题有以下两方面：前处理复杂，可操作性差；需要一台专用真空设备，以及研究干涉极小的、相应的显微探针分析仪相配合。因此，其广泛应用受到了一定限制。

3.6　中性活化离子溅射法

离子溅射法是由G.Bartz发明的一种极类似于Pepperh off法的新型彩色衬度形成方法。此法是把试样直接装入显微镜衬度箱中，通过活化溅射及中性溅射而在试样表面形成干涉层。

离子溅射膜作用及存在问题与Pepperholff膜类似。此方法独到之处在于可以把试样放在显微镜的工作室中，进行直接的，连续的程序控制及观察。

3.7　恒电位法

恒电位法是最新研制出的一种很有前途的彩色金相显示方法。它是一个以显微电化学理论为基础及伴随有阳极固态膜沉积和阴极半导体或非金属化合物电沉积的电化学过程，这些过程较为复杂，其机理有待进一步研究。

恒电位蚀刻沉积法首先要确定某种金属在某一电解液中的极化曲线，根据极化曲线选取合适的蚀刻电位，然后根据合金中各相的成膜速率不同，利用恒电位仪使该金属在这一外加恒电位作用下完成全部的蚀刻沉积过程。因为各相晶格能不同，在一定电位下成膜速度不同，膜厚不同，因而出现了不同干涉色。

恒电位法优越性在于能对合金进行有选择性的缀饰；沉积膜均匀，准确性、可靠性及再现性比较理想。但是由于恒电位蚀刻机理还尚须完善，缀蚀前准备工作复杂性及技术性要求较高，并且需用一定专用设备，因此应用受到一定限制。本课题组正致力于这方面研究，我们相信，由于此方法的优越性明显，随着技术不断完善，机理不断明确，它将是彩色金相显示一个很重要的发展方向。

结论

彩色金相技术是把颜色光学、干涉膜金相学、电化学及各种彩色显示方法和彩色摄影技术融为一体，进而形成了自己一套完整的彩色金相理论、方法、体系。它为光学金相开拓一个崭新的领域，有着许多黑白金相无法比拟的优越性。但，由于传统的化学蚀刻法应用时间长，且有不少很成熟的试剂，在一般情况下，其显微组织也足够清晰；而缀蚀剂，在一定程度上还存在着稳定性和重现性差的不足。所以从目前情况来看，两种显示方法在一个时期内应相辅相成，取长补短。我们相信，经过广大科技工作者积极努力，随着彩色显示方法普及，和彩色摄影及冲洗放大技术的普及，彩色金相将会逐步取代传统的黑白金相技术，而占据腐蚀金属显微组织的主导地位。

 

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① 资料链接：http：//wenku.baidu.com/view/3e79d027a5e9856a56126043.html?from=search

② 注：略作编辑性修改

③ 本文主体内容“照抄”于《彩色金相技术研究的发展现状》（李德高，1997），只是参考资料有所变动。连编辑错误都一样。