金相顯微鏡視場中是『有色彩的世界』

即將於2021年舉辦的第十屆全國大學生金相技能大賽期間，圖像評分評委將不再採用轉換後的灰度組織圖像進行評分，而是選擇對選手樣品原有的本色組織圖像進行評判。這一變化對參賽高校的日常訓練顯然將產生一定程度的影響。為此，大賽秘書處將陸續組織一些科普性文章對這一問題進行討論。本期首先刊發北京工業大學宗斌老師的一篇文章。我們竭誠歡迎感興趣的老師以及顯微鏡行業的相關技術人員圍繞這一問題寫點東西，供我們在公眾號上發表，以幫助有需求的老師迅速適應這一變化。

龔老師提了一個建議：你貢獻一篇灰度和彩色區別的科普文章吧。其實，我個人理解，分析彩色、灰度概念是光學學科領域的事情，不是「金相分析」。而我談「灰度、彩色」主要也就是梳理、解釋一個平日裡的「現實操作」。這可能有些像是「熟悉的陌生人」，因此，這個方面的文字好像還沒看到現成兒的可以拷貝、偷懶的，挺尷尬。只好重起爐灶，白手起家搭框架了。因為不想拖得太久，所以參考資料方面以及邏輯次序方面都留有很多不足，見諒。我會進一步完善，也許會改動框架也未可知。基本的意思是想說，評委看到的、同學們在觀摩室看到的，最好和從顯微鏡目鏡中可以看到的景致模樣一致。我常說「直接看彩色的圖像」似乎不嚴謹？容易誤解為狹義的「彩色金相技術」；不過，也沒有什麼共識。金相顯微鏡的基本構成中有一個是「光源」，所提供的一般是「全光譜」光線。不過，根據光源性質、附件的使用，存在色溫的差異。早期的白熾燈偏紅，色溫偏低；滷素燈白亮，色溫偏高；LED光源貌似略有偏藍，更為體現短波長光源的意義 (波長短、分辨能力高，這也只是理論上說，關鍵還在於透鏡的組合效果)。以前用濾色片比較常見。例如，綠色濾色片最為常用，因為高倍物鏡校正透鏡的象差、球差、色差之類的缺陷時是針對特定波長的綠色光來校正的 (好像是)。我自己後來也用過藍色的，是想提高分辨能力。因為光源的存在，實際上顯微鏡視場內的景致與現實中很是類似。現實環境是一個有色彩、五光十色的，不過北京現在進入了冬季，有些「灰撲撲」的。人們想要記錄世界的話有很多方式，繪畫最方便，然後是攝影。黑白攝影技術最早出現，比起索比第一次觀察到金屬的顯微組織還要早，然後才是彩色攝影技術的誕生。也就是說，所謂的彩色、黑白在描述的時候是有條件、界限的。直接說顯微鏡觀察的話就是：觀察過程從不是什麼「黑白」，只有到了「記錄環節」才有黑白之說；而之所以有，並非黑白好，而是不得已。2. 我們從來不是在觀察一個「灰度 (黑白) 視場」研究夾雜物的話，暗場是一個很基本的光學技術。很多在明場觀察條件下看不到的色彩，在暗場下非常凸顯。也就是說，並非明場下沒有色彩，而是色彩的飽和度、明豔效果以及襯度差。很多時候色彩的存在的確無助於觀察、分析，但是這並不意味著我們看見的是一個「黑白視場」。金屬本身也是有顏色的，比如常見的黃銅就是黃燦燦的；而一些夾雜物 (鋼中金黃色的氮化鈦，武漢先導提供的純鐵裡面就有很多的氮化鈦顆粒) 在似乎只是亮度明暗的視場中，有的時候像一個精靈般突然閃現出來。這難道不是在提醒我們，色彩，無處不在。參賽同學在日常訓練過程中相信也從未觀察到過「黑白視場」，但是必定看到過珠光寶氣的珠光體[1]，還會看到很多水漬、氧化造成的「彩色暈像」。而且，指導教師、參賽同學在評判樣品質量的時候必定通常就是直接在顯微鏡目鏡中觀察而進行，並不存在照下來黑白圖像才分析好壞。是不是有學校利用圖像採集軟體進行觀察圖像的由彩色到黑白轉換後觀察、評判效果的，相信有，但絕非主流。要說看到灰度 (黑白) 樣貌的顯微組織，恐怕僅僅是在複賽、決賽環節的觀摩室大屏幕上才看到過「灰度 (黑白) 圖像」。如此眾多教師、同學在現場，竟然沒有一些「疑惑」？需要注意的是，色彩極淡的視場並非沒有色彩。太亮，襯度、色彩鮮豔度都會打折扣，但是決不是「灰度、黑白視場」。(註：霓虹燈在夜晚打開，也是這個道理。) 另外，如果插入了濾色片，那至少是「燈光色調」色彩。事實上，出版物中的灰度照片與現實樣品在顯微鏡中的差距是顯而易見的，也和顯微分析無關。照片只是一個物證，並不展現邏輯關係；觀察樣品，就像是在犯罪現場開展模擬試驗一般。我記得東南大學鑄造專業的孫國雄老師就專門提及過，分析必須是觀察實際樣品的過程中，而不能是拿著照片分析。另外，評分室的評判並不是「評判照片」，這是要明確的。不能因為評委是在觀察終端屏幕上的圖像，就認為這就是在看照片。不多解釋了，只說一點，相信很多評委在工程師技術操作聚焦的過程中，看到了很多有價值的信息，而不僅僅是在聚焦清楚的那兩三秒的停頓時間段。的確，看書籍、期刊、標準，絕大多數都屬於灰度 (黑白) 照片。這不是說彩色不好、黑白好，更大的原因是技術、成本的制約。和顯微鏡供應商的銷售技術人員溝通可知：鍾情於黑白照片的，當下一般都是老的工廠裡的那些老技術人員，和國標黑白的對照看著舒服，但是現在一般都是彩色的，不存黑白了。教師、同學經常會遇到查詢資料、圖譜的時候。個人理解，學習圖譜的一個結果往往是看不懂實際樣品。比如，無錫熱處理界的一位元老汪慶華先生就提過一個問題：「教科書中金相照片人人都能看懂。但是在實際生產中的金相試樣顯微組織為什麼看不懂？或者說很難看懂。」汪老師後來在我諮詢的時候，也作了回答[3,4]。除了汪老師自己的解釋，就我個人理解，灰度照片也是一個問題原因所在：照片與實際有色彩的視場偏差較遠。這就有些黑白電影的意思，是不是？

自然界是一個有色彩的世界，金相顯微組織實際上也是一個「多彩的世界」。

偏離主題的話還有些考慮。有的時候，夾雜物位置周圍容易彩色，很具有「指向性」；水漬在觀察的時候也是很好判斷，而轉換成灰度影像後，就含混了。我諮詢了一下以前一直負責奧林巴斯、徠卡顯微鏡銷售服務的技術行家，問、答如下：quantimet720：*總，諮詢一個問題。顯微鏡觀察的時候，從目鏡中看到的樣貌、色彩，儘可能地復原，然後顯示於終端顯示屏上以及後續記錄下來數字圖像，而不是利用圖像採集軟體轉換為灰度、黑白照片，這個樣子，顯微鏡專業領域應該如何稱呼？我們經常把兩者稱之為灰度圖象、彩色圖像，我總覺得也不是很貼切。所以求教。愛沙鷹：*老師，你太客氣了，啥子求教嗎。都是叫做彩色圖像，然後你存的時候就存成叫BMP，他就是不壓縮點兒B阿BMP，他是點了不壓縮不更改，然後如如果是存成JPG的話，它就會通過計算壓縮，然後他都要那個圖像都要小些，都要稍微失真一點，存BMP的一點問題都沒得。(註：重慶話，語音識別的準確率在90%以上，厲害！！！)愛沙鷹：我們沒有專業術語，都是叫做彩色圖像，都看，雖然都拍的都是給你們看的，其他沒得區別的。quantimet720：一般，你碰到的，存成灰度圖象的，那是用戶什麼考慮？愛沙鷹：一般都是老的工廠裡邊兒的那些老的技術員，他們會存成黑白的，他們主要是跟國標看著對起來看著舒服，但是現在大部分都不存黑白了，都是存彩色了。quantimet720：大賽不是一直用灰度圖象評判嗎，很是奇怪，終於要開始用實際觀察的圖像來評判。可是怎麼稱呼以前的灰度圖象，以及現在的實際視場中全色圖像，搞不懂了。愛沙鷹：我覺得以前不能叫灰度吧，直接就叫黑白就行，黑白就行了，這其實沒區別，然後多一個多點兒顏色呢，只是說容易看到他，有些他如果沒以前如果說他是有水漬啊或者是什麼其他東西在上頭就是黑的馱點兒啊或者拖尾嗎。如果是用彩色呢，有時候能夠幫助判別到底是些什麼東西掉在上頭了。

參考資料

http://blog.sina.com.cn/s/blog_674374ae0100m1zj.html  0123-珠光體其名稱的由來及其分類 (2010-11-11 10:40:21)

http://muchong.com/html/201312/6783733.html  
金相照片，有的是黃色的，有的是黑白的，這是為什麼呢？
作者 crossgate2：蟲友好，看文獻上面金相照片有各種各樣的顏色，有的是黑白的，有的是多種顏色的，這是什麼原因呢？儀器原因？還是後續圖像處理呢。

http://blog.sina.com.cn/s/blog_674374ae0102xt9e.html  9009-汪慶華老師本尊來回答 (2018-06-26 10:40:22)
- 問題：「教科書中金相照片，人人都能看懂。但是在實際生產中的金相試樣的顯微組織為什麼看不懂？或者說很難看懂。」

http://blog.sina.com.cn/s/blog_6a5f8a120102yjzu.html  218-如何看懂實際生產中的金相試樣的顯微組織 (2020-07-30 15:46:14)
-汪慶華老師的分享
「教科書中金相照片，人人都能看懂。但是在實際生產中的金相試樣的顯微組織為什麼看不懂？或者說很難看懂。」
道理：教科書中的都是經過規範的工藝設計，而且得到的組織又是經過挑選的、針對性強，再加上文字解說，所以容易辨識；但是，實際生產中的組織首先，工藝不一定很規範 (本博註：這是「根子」。當然，原材料是否保證也是問題)。其二，組織狀態不是很清晰，而且多相組織混合的情況多，所以，對於新手觀察就困難的多。再加上很多人對CCT、TTT圖不學習、不熟悉，所以，很多新人反應看不懂 (本博註：實際工件的狀態很複雜，偏離課堂標準樣品較遠。也許今後可以採用工件樣品來授課)。其三，有的試樣是採用選擇性觀察的試劑進行腐蝕，只需要顯示期望觀察的組織，便於顯微鏡下觀察 (本博註：也就是沒有大局觀、全面的感受)。

http://blog.sina.com.cn/s/blog_674374ae0102ycgu.html  9768-金相分析匯報中的顯微組織照片的地位 (2018-10-26 17:05:36)
-金相分析，絕對不要從照片而來！照片，即「圖」只是說明問題的「證據」，而不是可以分析的「對象」。由現場的「刀具」，不能得出受害者必定是死於利刃的結論，也許是死於心臟病、棍棒襲擊。若是受害人身體上有利器所致的傷口，可以合理推斷出兇器是「刀具」，但是，必須尋找到確鑿證物，即「圖說」。由一張全部是珠光體的照片，不能得出T8材料的結論，也可能是滲碳層內部特定位置的照片。反過來，由碳勢1.2%的滲碳工藝，可以推論滲層中靠近外表面的一定深度處，可能會達到共析成分，找到特定位置，取圖，可以作為證據。一張類似20鋼的照片，既可能是20鋼，也有可能是在「脫碳層」的某個位置。測試實物樣品，是金相分析的抓手。

作者宗斌，江蘇宜興人，現在北京工業大學材料科學與工程學院教學實驗中心高級實驗師，負責《光學實驗技術》、《材料科學基礎實驗》等課程的教學工作。從2012年至今參加了歷屆全國大學生金相技能大賽，第二 ~ 九屆擔任評分室評委。