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一文看見材料的真彩世界-彩色金相分析解鎖微觀結構的奧秘

2025-08-26 15:11:35 作者：材易通來源：材易通分享至：

概述

當材料的微觀結構披上色彩的外衣，那些曾經隱藏在黑白對比下的奧秘便悄然浮現。彩色金相分析技術，正是這樣一把開啟材料科學真彩世界的鑰匙。它不僅顛覆了傳統黑白金相的限制，更以絢麗的色彩對比，為我們揭示了材料微觀組織的深層信息。隨著現代科學技術的不斷發展，彩色金相以其色彩艷麗、辨別能力高的突出優點，逐漸顯現出替代黑白金相的趨勢。

與傳統黑白金相不同，彩色金相是利用化學或物理的方法，在試樣表面形成一層具有特殊性質的薄膜。利用光的薄膜干涉效應，使得金屬及合金的顯微組織呈現出不同的顏色，再通過顏色襯度去識別顯微組織結構。

彩色金相分析的核心原理是通過化學或物理手段，在樣品表面形成一層極薄的透明薄膜。當光線照射時，這層薄膜會使入射光與反射光發生干涉效應。由于不同微觀結構（如不同相、不同晶粒取向）的化學成分和晶體結構不同，它們形成薄膜的厚度和成分會有差異，從而導致最終呈現的干涉色不同。借此，我們可以將微觀組織的差異轉化為五彩斑斕的對比度。

物理方法（Physical Methods）

物理方法主要通過真空沉積技術在樣品表面覆蓋一層均勻的、高折射率的透明薄膜。

1. 真空蒸鍍法（Vacuum Deposition）

原理：在高真空環境下，加熱一種高折射率的材料（如ZnSe, ZnS, MgF?），使其蒸發并以蒸汽形式均勻地沉積在旋轉的樣品表面，形成一層厚度一致的薄膜。顏色的差異來自于樣品表面不同區域本身的光學性質（對光的吸收率不同）與這層 uniform 薄膜共同作用產生的干涉效果。
操作步驟：
1. 樣品制備：標準磨制、拋光，并且必須進行深度浸蝕以凸出相襯，因為物理膜本身不會選擇性沉積。
2. 放入真空室：將樣品放入真空鍍膜機的樣品臺上。
3. 抽真空：將真空室抽至高真空（通常優于10?³ Pa）。
4. 蒸鍍：加熱蒸發源（如鎢籃中的ZnSe），同時讓樣品臺緩慢旋轉，確保膜厚均勻。通過控制蒸發時間和功率來控制膜厚。
5. 取出的觀察：待真空室恢復常壓后取出樣品，直接觀察。

2. 離子濺射鍍膜法（Ion Sputtering）

原理：在低真空室中充入惰性氣體（如氬氣），施加高壓使氣體電離產生等離子體。氬離子在電場作用下轟擊靶材（如金、鉑），將其原子濺射出來并沉積在樣品表面。此方法形成的膜更薄、更均勻。
操作步驟：與真空蒸鍍類似，但設備是離子濺射儀。過程更快（通常幾十秒到幾分鐘），常用于掃描電鏡（SEM）樣品制備以消除電荷，同樣適用于光學顯微鏡的彩色金相。

化學方法

化學方法是最常用、最經典的彩色金相技術，主要通過特殊的化學試劑（著色蝕刻劑）與樣品表面發生選擇性化學反應來成膜。

1. 熱染色法（Thermal Coloring / Heat Tinting）

原理：將拋光后的樣品在空氣或特定氣氛中加熱（通常在300-600°C）。樣品表面會迅速氧化形成氧化膜。不同相的氧化速率不同，導致氧化膜厚度不均，從而產生干涉色。
操作步驟：
1. 樣品制備：按標準金相程序進行磨制、拋光，獲得無劃痕的鏡面。
2. 清潔干燥：徹底清洗樣品（如用酒精、丙酮超聲清洗），并完全干燥。
3. 加熱：將樣品放入預熱好的馬弗爐或熱板上，在空氣中加熱一定時間。溫度和時間是關鍵參數，需根據材料成分通過試驗確定（例如，不銹鋼可能在400°C下加熱5-20分鐘）。
4. 冷卻觀察：取出樣品，在空氣中冷卻至室溫。此時表面已形成一層彩色氧化膜。
5. 直接觀察：直接在光學顯微鏡下觀察。注意：此膜非常脆弱，切勿再觸摸或擦拭樣品表面。

2. 陽極覆膜法（Anodizing）

原理：主要用于鋁、鈦、鋯、鉭等閥金屬及其合金。將樣品作為陽極，置于特定的電解液中通電。表面會通過電化學作用形成一層致密的陽極氧化膜。膜的厚度（ hence the color）與施加的電壓（或電流密度）和合金成分直接相關。
操作步驟（以鋁合金為例）：
1. 樣品制備：標準磨制、拋光。
2. 電解裝置：將樣品作為陽極，連接電源正極；用一塊鉑金片或不銹鋼板作為陰極，連接電源負極。兩者平行放入電解液（常用： Barker's 試劑 - 含1.8% 氟硼酸的水溶液）中。
3. 通電氧化：在室溫下施加一個恒定電壓（例如20V DC），持續幾十秒到幾分鐘。
4. 清洗干燥：取出樣品，用流水輕輕沖洗，然后酒精沖洗并吹干。
5. 觀察：顯微鏡下觀察。不同取向的晶粒、不同相會顯示出不同的顏色。

3. 化學染色法（Chemical Tint Etching）

原理：使用成分復雜的化學試劑，通過浸蝕和沉積雙重作用在樣品表面成膜。試劑中的某些成分優先與特定相反應，溶解其表面；同時，反應產物或試劑中的金屬離子被還原并沉積在樣品表面，形成厚度不一的硫化物、硒化物或其他化合物薄膜。
操作步驟：
- Beraha's 試劑：用于鋼、鑄鐵、不銹鋼。常用的一種是：100mL 水 + 20mL HCl + 0.6-1g K?S?O?。其中K?S?O?（焦亞硫酸鉀）是成膜劑。
- Klemm's 試劑：用于鐵合金、鋁合金。常用的是飽和Na?S?O?（硫代硫酸鈉）水溶液。
1. 樣品制備：標準磨制、拋光。
2. 試劑選擇：根據材料選擇著名配方。例如：
3. 浸蝕：用棉簽蘸取試劑擦拭樣品表面數十秒，或將樣品浸入試劑中。時間需通過預實驗確定。
4. 終止反應：迅速用流水沖洗，終止反應，然后酒精沖洗并吹干。
5. 觀察：顯微鏡下觀察。