彩色金相技术的光学应用优化

1.2.3.1 应用金相显微镜的彩色摄影

光的三基色（红、绿、蓝）以不同比例混合，可得到范围宽广的各种颜色，而将这三种光全部混合，可获得白色光。由白色减去某一基色或由其中的两色混合可获得中间色。这样由白色减去一种基色而获得的颜色，即基色的补色。

彩色摄影胶片的正片和负片即应用减色原理而产生最终的彩色图像。彩色胶片有三层感光层，它们不等量地吸收光能。显影后，它们分别转变成青、品红和黄。这些感光层的作用如同滤色片那样，仅仅使没有被它们吸收的光射入人们的眼睛。所以用白色光源观看正片时，某部分似乎是红色，实际上是黄和品红的合配色，它只允许光中的红色成分通过。彩色金相已采用某些类型正片，如埃克发克罗姆（Agfachrome）、柯达克罗姆（Kodachrome）和爱克泰克罗姆（Ekrachrome）等。

彩色负片，如埃克发彩色负片、爱克泰彩色负片或柯达彩色负片，其感光层也是青、品红和黄。印相纸或胶片均由一组减色基色的三层感光乳剂层组成。混合减色色彩在正片上可看到最终彩色。通常还包括一种橙色罩，以使彩色负片也具有印出黑白片的可能。

为了形成显微相片上的彩色，需要特殊性质的照明，即“色温”，以便使光与生产的彩色片匹配平衡。色温可定义为：控制一个黑体产生的色彩等于所叙述的光源的热力学温度。最新型的金相显微镜采用钨丝灯、锆弧灯或氙弧灯。钨丝灯应与色温3200K相平衡，所以彩色片平衡于所采用的这个温度而不用滤色片。锆弧灯具有黄色特性，其色温为3200K。彩色片与钨光及锆弧灯并用相平衡时，根本不需要滤色片，而且显微相片获得很好的彩色平衡。氙弧灯的色温接近6000K，并具有蓝色特性；彩色片如果与这个色温不平衡，就应安装雷登（wraccen）4号或7号滤色片。

偏振光彩色片按照一般彩色混合原理，和其他彩色片一样，但彩色平衡不相同。这种片子在实验室中通常是为了得到快速彩色相片时使用，但当需要高质量相片时不宜使用。采用氙弧光源，用CC05 R（校正彩色）滤色片可获得良好的结果。

现代化的金相显微镜装有自动曝光时间的设备。只要稍有经验，转动装在显微镜上的ASA底片曝光速度刻度盘，就能决定各种底片曝光的正确时间。

1.2.3.2 增强图像衬度的光学方法

为了在显微镜鉴别时获得高分辨率，必须使图像有足够的衬度。金相上，图像的衬度一般是通过浸蚀而达到的，因为它造成不均匀的表面使局部反射率不同并引起散射。当用常规浸蚀所得到的衬度始终未获得完满效果时，还能用各种光学方法来达到这种衬度，如：①暗视场照明法；②偏振光法；③相衬法；④干涉法；⑤分色法。偏振光、干涉和分色等方法与彩色金相直接有关，并在本节中讨论。暗视场照明法和相衬法，如偏振光法那样，在黑白和彩色金相中均被采用。

1.增强图像衬度的偏振光法

按照光的波动理论，光线被认为是与光的直线成直角振动的正弦波而传播的。其原理示于图1-11a。光波振动发生在包括光线方向的所有平面内，如图1-11b所示，所以形成了一个三维的波。这个波可以被看作是围绕光线旋转2π弧度的单一平面内的波。不论这个平面怎样选择，其相位都是一样的。在一般情况下，横截面是椭圆形，而不是圆形。

图1-11 光以正弦波传播

a）通过光线的垂直面 b）通过光线的横截面

要是光波只在一个平面内振动，可以说它是平面偏振。若是相位差为λ/4、3λ/4…的两个波合成，可以得到一个圆偏振波。若是相位差为λ/8、3λ/8⋯的两个波合成，则得到椭圆偏振光。本书只涉及平面偏振光（也称直线偏振光）。

（1）偏振光在金相方面的应用 实际上，显微镜的偏振装置采用一个起偏镜和一个检偏镜，前者使试样上的入射光偏振，后者鉴别从试样上发射的光线，如图1-12所示。检偏镜可以从0°旋转到90°。如果起偏镜和检偏镜相交成90°（除非光作用在试样的细微组织上使其偏振面转动）则光被完全消除。

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图1-12 偏振光反射显微镜的装置图解

通常在起偏镜和检偏镜中间插进一个光学片，称为灵敏染色片（The sensitive tint plate）。这种染色片为检测双折射提供了很灵敏的手段。因此普通光线与特殊光线的程差为λ（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（如品红色光波），那么双折射的检测片稍微变动就可产生完全不同的色彩。

偏振光在金相中的应用基础是不同组成相有不同的着色效应，例如由光学上的各向异性金属、带各向异性薄膜的各向同性金属、复相合金的各相、非金属夹杂物及试样面上的高低差别等所引起的着色效应。

（2）偏振光下的各向异性金属　各向异性金属在不同的晶体学方向具有不同的光学性质。各向异性金属，包括锑、铍、镉、镁、锡、钛、铀、锌和锆等，均为非立方晶系，并与偏振光起作用。因为晶体学位向不同而引起晶粒显色的差异，故晶粒的形状易于显示。特别有趣的是铀，它在斜方a结构中的各向异性行为，使得在偏振光下可能得到清晰的晶粒轮廓。铍的晶粒在偏振光下也能很好地显出轮廓来。

偏振光可用来判别马氏体钢中原奥氏体晶粒大小。各向异性行为归因于在浸蚀后马氏体片间沟槽内的斜反射。

（3）偏振光下的各向同性金属　各向同性金属具有立方晶体结构。这类金属包括铝、铬、铜、铁、锰、钼、镍、钨和钒等。如一个具有立方晶体结构的金属被抛光，就不形成各向异性的表面膜，所有晶粒在偏振光下均呈黑色。但是如果随后进行浸蚀而发展成相当不规则的表面，或形成一层各向异性的薄膜，那么它对偏振光就会有所反应。

（4）偏振光下的复相合金　应注意复相合金的三种类型：①包含两个各向同性相的合金；②包含一个各向同性相和一个各向异性相的合金；③包含两个各向异性相的合金。

①类型中的这些相，除非应用一种浸蚀剂来增加其中一个相（相对于另一个相）的光学效率，否则是不可能用偏振光给以区分的。例如，在三元系的铜-镍-锡合金中，通过特殊的浸蚀方法并在偏振光下观察，才可把θ相从σ相中（两者都是各向同性的）区分出来。

②类型中的那些相可以容易地区分出来，因为仅仅各向异性相对偏振光起反应。

如果某一合金中包含两个都是各向异性的相（上述③类型），它们也容易区分，因为它们对偏振光的反应是不同的。

非金属夹杂物也可以在偏振光下进行鉴别。譬如说，铁类金属中的各种硫化物夹杂可以根据其各向异性行为加以区分。

总之，可以认为金相中的这些问题是能够应用偏振光来解决的。不过对于各向同性的（立方结构的）金属，总是需要采用一种特殊的浸蚀试剂——形成一层各向异性薄膜的试剂。

2.彩色金相的干涉膜

用化学或电化学方法沉积在金属上的膜，按其厚度可分为：极薄膜（0~0.04μm）、薄膜（0.04~0.5μm）和厚膜（大于0.5μm）。

第1类包括铝和不锈钢上的钝化膜，这类膜极薄而且透明（看起来无色）。第2类包括各种氧化物薄膜、硫化物薄膜和钼酸盐薄膜，这类膜由于干涉效应而产生不同的色彩。第3类包括各种氧化膜（高温、化学或阳极膜），这类膜太厚，以致不能由于干涉效应而产生不同的色彩。