利用阿贝原理分析金相组织的方法

人的眼睛可以看成是用来测定光的强度传感器。材料在显微镜下的图形是多种多样的，能够准确地分辨出各种金相组织并非易事。不同的组织是否有共性的东西存在？答案应该是肯定的。我们认为实际上显微镜下看到的任何组织均可以用一句话概括，这就是：在光学显微镜下看到的材料的金相组织，本质上都是由不同形状的黑区与白区组成的图案。根据阿贝成像原理可以得出结论：

黑区一般是由两种以上细小的相构成的组织，或者是一些特殊的组织，如孔洞、晶界等。由于组成相细小，式（2-21）中的d 值就很小，造成背焦面上失去的衍射斑点多，发出的二次波源减少，导致图像较暗，构成黑色区域。

白区一般是由单相构成的组织。背焦面上失去的衍射斑点较少，发出的二次波的波源较多，所以图形的亮度较高。这就是黑区与白区的来源。进一步分析可得出：光学显微镜下看到的黑区组织一般情况下是物与像有很大差别的组织，一般情况下是细小的组织（有时采用腐蚀剂不同情况有差别）。根据材料的成分与处理工艺可以判断出组织组成相，同时可以粗略地估算出组织细小的程度（应该说明的是，有时金相组织中黑区和白区与腐蚀剂有关）。

下面举例说明金相组织分析过程与方法。

【例2-16】　图2-67 是45 钢淬火后的回火组织，经过4%硝酸酒精腐蚀，采用黄绿光成像的500 倍照片。利用阿贝原理对其组织进行分析。

图2-67　45 钢淬火后金相组织

对图2-67 图像进行仔细分析，可以将金相组织大致分成两类不同区域：

第一类：形状不规则的白色区域，该区域所占面积较大，在白色区域中隐约可以看到黑色或者浅灰色的小点。

第二类：形状不规则的黑色区域，该区域所占面积少一些，内部隐约可以看到一些白色小点。

根据阿贝原理对黑色区域分析如下：黑色区域一定是两种以上的相组成的组织，由于不同相间的距离太小，所以成黑色区域。不同相间距离可以根据显微镜分辨率的公式（2-22）进行估算：

式中，d 代表显微镜能分辨出的两个物点间的距离；λ代表光的波长；N·A 代表物镜的数值孔径。400 倍的照片的物镜的N·A 为0.65。黄绿光的波长是550 nm。求出d 大约为420 nm。也就是说，如果两个相间的距离大于420 nm，在显微镜下应该可以看清楚组织组成相。但是现在只能看到一片黑色区域，说明两个不同相间的距离小于420 nm。所以对于黑色区域可以有初步结论：由两种以上细小的相组成的组织。(www.xing528.com)

根据阿贝原理对于白色区域分析如下：白色区域中可以观察到黑色小点，说明也是由两种相组成的。由于不同相间距离较大，背焦面上失去的衍射斑点相对较少，所以图形的亮度较高，不同相间距离应该大于420 nm。对于白色区域也可以得到初步结论：由两种以上较粗大的相组成的组织。

白色与黑色区域由何种相组成？只能结合材料成分与具体热处理工艺进行理论分析。根据已知的材料成分与处理工艺，可以进一步分析如下：钢淬火后得到的是马氏体组织，回火时要从马氏体中析出碳化物。白色区域原来是马氏体组织，从中析出的碳化物数量较少，不同相间距离较大，因此表现为白色区域，可能还存在少量残余奥氏体。而黑色区域原来也应是马氏体组织，但是由于碳化物析出量较多，不同相间距离很小所以表现为黑色。根据热处理组织与性能关系可以进一步得到，白色区域的硬度应该高于黑色区域。

【例2-17】　图2-68 是一种高合金轧辊钢铸造后淬火并回火的金相组织照片。该钢成分为：2.0%C，6%W，5%Mo，5%V，6%Cr，试分析其组织。

图2-68　轧辊钢淬火后回火组织照片

可以将图 2-68 中组织分成三类不同形态的区域。第一类是大块状形状不规则的白色区域，根据阿贝原理它应该是一种单相组织。在钢中的单相组织主要有先共析组织（如铁素体、魏氏组织等），奥氏体、淬火马氏体与碳化物等。此钢的淬透性很好，所以淬火回火后的组织中不会有铁素体等存在。根据形态可以判断，此白色物也不会是奥氏体与淬火马氏体。因为奥氏体与淬火马氏体一般不会是长条状。同时看到一些白色条块状组织尺寸很大，所以应该是在液态成型时产生的。根据此分析这些大块不规则的白色区域应是钢在铸造过程中形成的碳化物。

第二类是黑色区域，仔细观察上面存在一些很小的白点状组织。根据阿贝成像原理该区域应是多相组织，根据工艺可以判断出是回火后组织，即是从马氏体中析出细小碳化物组织。由于回火过程中析出的碳化物非常细小，所以背焦面上失去的衍射斑点相对多，所以图形的亮度低，表现出黑色区域。根据马氏体相变原理，该区域也可能存在少量残余奥氏体。

第三类是基体上分布许多小白颗粒区域。仔细观察基体中有些黑色区域。这些黑色区域的组织情况与第二种黑色区域应该一致。仔细分析白色区域又可以分成两种情况。一种是细小颗粒状的形貌，与第一种白色区域分析类似，它们应是碳化物。这些碳化物可能是液态下共晶反应产物，也可能凝固过程中从高温固态奥氏体中析出。不论是何种碳化物在随后淬火加热过程中可能发生一定的溶解，所以尺寸比较小呈颗粒状。另一种形貌是不规则小白块状形态，上面隐约可以看到分布一些小的黑点。这不应是碳化物。结合工艺分析可以初步判断是回火不充分的马氏体组织。

根据上述分析可知该钢由于合金元素较多，处理工艺较复杂在光学显微镜下有不同形貌的区域。但是利用阿贝原理并结合材料成分与工艺进行分析，就对轧辊钢热处理后的组织有比较清楚的认识。

从上面例题可见，正确进行金相组织分析需要三个条件：

（1）需要掌握基本原理（阿贝成像原理）。

（2）需要掌握材料的加工处理与相变过程，了解应该获得的相结构。

（3）需要积累实践经验。