金相組織觀察方法與觀察、量測的合理化
近年來汽車產業在兼顧材料的輕量化與剛性上，競爭激烈。伴隨更高功能的材料的導入, 金屬組織的觀察、量測不可或缺，同時講究正確性、便利性與速度。
以下介紹組織觀察的基礎和課題，以及使用4K數位顯微鏡的最新案例。
金屬材料和組織觀察的必要性
金屬材料廣泛使用在汽車、航空相關、基礎建設、電機產品、電子元件等領域，各領域各自選擇符合使用目的的金屬。即便相同的金屬，也可能因「金屬組織」，有不同的耐久性與加工性等「機械性質」。透過組織觀察，以判斷金屬材料的性質及加工、熱處理後的變化，進而選擇最適合的材料。
金屬材料破損可能影響產品安全性，因此透過金屬組織觀察機械性質，與非金屬夾雜質、裂紋、氣泡等不良分析格外重要。
何謂金屬材料的機械性質
金屬材料的機械性質是指強度、硬度、韌性、疲勞特性、耐磨損性等力學性質。金屬材料即使相同或成分比例相同的狀態（組織），也會因熱處理導致金屬組織變化而改變機械性質。這和材料耐久性，甚至切削與塑性等機械加工的效率與熱處理特性變化有很大的關係。
金屬組織和溫度的變化
一般金屬組織是由原子規則排列的「結晶結構」組成，但並非所有原子都會規則排列。多數規則排列的結晶結構稱為「多晶」，在原子排列混亂區域中，結晶粒和結晶粒的境界則稱為「結晶晶界」。
- 左：「多晶金屬」由多數的結晶粒組成
- 右：「結晶晶界」結晶粒和結晶粒的境界
這樣的金屬組織結晶結構會因為熱處理溫度，導致結晶晶界圖案發生變化。即使是相同的金屬材料，熱處理後也有不同的變化，因此觀察金屬組織結晶粒的形狀、大小、分布的變化，可得知熱處理後的機械性質。
以下範例為不鏽鋼（SUS材）熱處理後的組織變化。
- 沃斯田鐵（SUS304）
- 是常溫下不存在的組織，但Fe和C的合金在723°C以上的溫度下組織穩定。此外富含提高淬火性的合金元素（Ni與Mn），組織穩定。淬火後不會變化，殘留在鋼中的沃斯田鐵組織稱為「殘留沃斯田鐵」。
- 麻田散鐵（SUS410）
- 沃斯田鐵組織急速冷卻時產生的組織，又硬又脆。將麻田散鐵以100-200°C回火，會析出Fe3C，變得較有韌性，但相更容易腐蝕。這種狀態的麻田散鐵稱為「回火麻田散鐵」，有別於淬火後的麻田散鐵。
- 鐵氧體（SUS430）
- Fe中含最多0.02%的C，是接近純鐵的組織。由常溫~780°C為止為強磁性體，是最軟且延性佳的鋼鐵組織。
將沃斯田鐵狀態的鋼慢慢冷卻後的組織為「波來鐵」。層的間隔因冷卻速度而不同。鐵氧體和Fe3C以極薄的層交互排列，色澤有如珍珠貝，因而被稱為波來鐵。
使用顯微鏡的金屬組織觀察方法
以下為使用一般顯微鏡的金屬組織觀察，由試料製作到觀察為止的流程。
1. 包埋（樹脂鑲埋）
用樹脂固定切出的試料。作為硬化用樹脂有許多種類。勇於高透明度硬化、時間短可視光硬化等目的。將試料放入圓筒盒中，慢慢倒入用來硬化的樹脂。此時要小心，不要產生氣泡。
2. 研磨
用耐水研磨紙粗磨，與用平面研磨機精磨試料。 SiC紙80~2400由粗到細，以濕式法使用。精磨時將9~0.25 μm粒度的鑽石噴霧噴在合成絲等，用研磨劑與潤滑劑、鹼性懸浮液鏡面拋光，用流水洗淨試料面。
3. 蝕刻（腐蝕）
將試料的研磨面浸入蝕刻液（腐蝕液）中。用水洗淨腐蝕液，並經過乙醇等浸泡後乾燥。
4. 顯微鏡下的組織觀察
用顯微鏡觀察經過上述製作過程，正確製作的試料研磨面。放大組織，巧妙調整焦距，觀察輸入熱造成的組織變化。但非金屬夾雜物或石墨球化、鐵氧體、波來鐵等面積率等高水準的量測，就必須改用專用軟體。
金屬組織觀察的應用案例
最新的數位顯微鏡大幅改變以往的顯微鏡組織觀察。
使用KEYENCE的超高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」除可利用高精細影像，進行高水準的金屬組織觀察與評估，還可大幅提升作業效率。
使用4K超高精細影像的金屬組織觀察
以往的顯微鏡要花費大量工時製作試料。並且包埋（樹脂鑲埋）的試料不平坦時，只要有高低短差，高倍率下就無法對焦，必須費時調整]。
使用4K數位顯微鏡「VHX系列」，透過「即時導航合成」，即可簡單快速景深合成，不需調整焦距。試料不平坦時，也能做到金屬組織整體對焦，以超高精細4K影像進行清晰的組織觀察。
用4K HDR功能實現近乎肉眼觀察的清晰影像
使用一般的數位顯微鏡做組織觀察，常因解析度不足，不易觀察淺色的金屬組織。4K數位顯微鏡「VHX系列」配備的「HDR（High Dynamic Range）功能」, 可取得多張不同快門速度的高灰階影像。使以往因解析度不佳難以觀察的細部組織也有高精細、高對比的影像觀察。
以高速的影像連接進行大範圍拍攝
一般的高倍率、高解析度拍攝，會因為視野狹小，難以判斷目拍攝點的具體位置，成為作業效率低下的原因。
使用「VHX系列」的影像連接功能，只需一鍵即可高速且無偏移的連接視野，取得最高50000 × 50000畫素的鳥瞰影像，不須犧牲倍率與解析度，實現有效率的觀察。
一鍵量測金屬組織
以往的顯微鏡無法透過面積率，定量熱處理後的鐵氧體或波來鐵的品質。
4K數位顯微鏡「VHX系列」配備「自動面積量測」功能。滑鼠簡單操作，即可完成金屬組織放大觀察、自動量測面積率的定量評估及報告輸出，1台即可快速完成一連串作業。
石墨球化的觀察、面積率量測
以往量測非鐵金屬夾雜物或石墨球化率、鐵氧體、波來鐵等材料面積率等高難度量測時，須另購專用軟體。
4K數位顯微鏡「VHX系列」配備「自動面積量測、計數」功能。簡單的操作即可執行指定範圍的面積率量測及計數。排除不必要的目標物，也可分離重疊的目標物。因此觀察的同時，可輕鬆完成高難度的量測數值表格、圖表化。
領先業界必備的金屬組織觀察、量測
以汽車為例，為使輕量化的低油耗與剛性兼顧，各企業致力成為新材料與處理技術的先鋒。
使用高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」觀察金屬組織，作業效率較以往顯微鏡大幅改善，且獲得前所未有的高精細觀察、高精度量測。
配備多種最尖端功能的「VHX系列」，成為今後追求材料選定速度與正確性的業界的有效工具。
有關「VHX系列」的詳細說明，請下載型錄，或洽詢KEYENCE。
