金相學(xué)主要指借助光學(xué)(金相)顯微鏡和體視顯微鏡等對材料顯微組織、低倍組織和斷口組織等進行分析研究和表征的材料學(xué)科分支，既包含材料顯微組織的成像及其定性、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)的數(shù)量、形貌、大小、分布、取向、空間排布狀態(tài)等。

　　01

　　金相顯微鏡的構(gòu)造

　　為研究院內(nèi)的金相顯微鏡，其主要由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和機械系統(tǒng)三部分組成，其中由光源、反光鏡、物鏡組、目鏡和多組聚光鏡組組成光學(xué)系統(tǒng);底座上低壓燈泡(為提高光源可靠性現(xiàn)多用冷光源即LED燈)，反光鏡、孔徑光欄、視場光欄和聚光鏡組成照明系統(tǒng);試樣臺、物鏡轉(zhuǎn)換器、接目鏡、粗調(diào)和微調(diào)手輪、視場光欄和孔徑光欄構(gòu)成機械系統(tǒng)。新型的金相顯微鏡還具備瞬時高清抓拍和圖像處理功能，金相顯微鏡跟一般顯微鏡成像的原理是大致相同。

　　02

　　金相顯微鏡的反射光圖像的觀察模式

　　針對金相樣品的物理特性，金相顯微鏡一般有明場、暗場、偏光、微分干涉這四種常見的觀察方法，近十年新的又出現(xiàn)了激光共聚焦的方法。按照現(xiàn)代儀器“模塊化設(shè)計，積木式結(jié)構(gòu)”的設(shè)計思想，這四種功能并不一定固化在每一臺金相顯微鏡上，而是以明場作為基本核心，可以將其他功能象“搭積木”一樣組合到該顯微鏡上。如最基本的有明場和暗場功能，插入了起偏鏡和檢偏鏡后就增加了正交偏光功能，再插入渥拉斯頓棱鏡(Wollanston prism)就又增加了微分干涉功能。

　　1)明場(Bright Field)

　　明場照明是金相研究中主要的觀察方法。入射線垂直地或近似垂直地照射在試樣表面，利用試樣表面反射光線進入物鏡成像。如果試樣是一個鏡面，在視場內(nèi)是明亮的一片，試樣上的組織將呈色影像襯映在明亮的視場內(nèi)，叫做“明場”照明。

　　明場效果

　　2)暗場 Dark Field

　　通過物鏡的外周照明試樣，照明光線不入射到物鏡內(nèi)，就可以得到試樣表面繞射光而形成的像。如果試樣是一個鏡面，由試樣上反射的光線仍以極大的傾斜角向反方向反射，不可能進入物鏡，在視場內(nèi)是漆黑一片，只有試樣凹凸之處才能有光線反射進入物鏡，試樣上的組織將以亮白影像映襯在漆黑的視場內(nèi)，如同星星在夜空，叫做“暗場”照明。

　　暗場效果

　　3)偏光 polarization contrast

　　利用偏光原理，對某些物質(zhì)所具有的偏光性進行觀察。

　　①自然光與偏振光

　　自然光(或天然光)是指太陽光、電燈光，它的光振動是各個方向均衡的，都垂直于傳播方向，若光振動局限在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的某一個方向上，則稱為偏振光。

　　②偏振光的獲得常用方法有兩種：

　　a.偏振棱鏡某些晶體，當(dāng)光線射到它的分界面上時，會產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為“雙折射”。一束光遵循折射定律叫“尋常光”，用O光表示;另一束不遵循折射定律叫“非常光”，用e光表示。所謂偏振棱鏡，即光線通過此棱鏡時，會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，常用的為尼科爾棱鏡。

　　b.人造偏振片自然光射到人造偏振片時，使自然光變成偏振光，目前顯微鏡普遍采用人造偏振片。

　　偏光效果

　　加入補償片后的偏光效果

　　4)微分干涉(differential interference contrast DIC)

　　微分干涉是利用偏光干涉原理，光源發(fā)出一束光線經(jīng)聚光鏡射入起偏鏡，形成一線偏振光，經(jīng)半透反射鏡射入渥拉斯登棱鏡后，產(chǎn)生一個具有微小夾角的尋常光(O光)和非常光(e光)的相交平面;再通過物鏡射向試樣，反射后再經(jīng)渥拉斯登棱鏡合成一束光，通過半透反射鏡在檢偏鏡上O光與e光重合產(chǎn)生相干光束，在目鏡焦平面上形成干涉圖像，它可觀察試樣表面的微小凹凸和裂紋，且影像呈立體感，觀察效果更逼真。