正如我們所知，今天金相學的發展在很大程度上要歸功于19世紀的科學家Henry Clifton Sorby。他在謝菲爾德（英國）從事的現代鋼鐵制造方面的開創性工作，突顯了微觀結構與宏觀性能之間的緊密聯系。
正如他臨終時所說：“早些時候，如果發生了鐵路事故，我曾建議公司拿起一根鐵軌，用顯微鏡觀察和檢驗一下，我就會被視為一個精神病，甚至被送去精神病院。現在，人們都在這么做……”
金相學古老但有活力，隨著顯微鏡新技術的發展并借助于計算機的最新發展，在過去的一百多年里，金相學已經成為推動科學和工業進步的一個寶貴工具。
在金相學里，使用光學顯微鏡建立了一些早期的微觀結構和宏觀性能之間關系。隨著晶粒尺寸的減小屈服強度和硬度普遍提高。具有細長晶粒和/或擇優晶粒取向的材料存在力學性能各向異性。隨著材料內部夾雜物數量的增加，塑性總體呈現降低趨勢。夾雜物含量和分布對金屬的疲勞裂紋擴展速率和陶瓷的斷裂韌性有直接影響。
材料的不連續性或微觀特性與金屬的失效位置密切相關，如第二相粒子。通過檢驗和量化材料的微觀結構，可以更好地了解其性能。
因此，在一個部件的生命周期中，幾乎所有的階段都要用到金相學：從最初的材料研發到檢驗、生產、制造過程控制，甚至進行失效分析時也需要。金相學有助于保證產品的可靠性。
圖1 珠光體灰鑄鐵金相組織
金相是一種直觀的方法。對材料微觀結構的分析有助于確定材料的加工工藝是否正確和合理，通常是一個非常關鍵的問題。正確進行金相檢驗的基本步驟包括：取樣、試樣制備（切片和切割、安裝、平面磨削、粗加工和最終拋光、蝕刻）、顯微鏡觀察、數字成像和記錄，以及通過體視學或圖像分析方法定量提取數據。
金相分析的第一步：取樣。它是整個金相分析成功的起點和關鍵。取的試樣必須能代表被檢材料，這個問題非常關鍵，取錯了或取樣不合適都很難取得令人滿意的結果。金相分析的第二步：正確地制備金相試樣。
傳統上，金相學被認為既是一門科學也是一門藝術，之所以這樣說，是因為經驗和直覺對于探索材料的真實結構而不引起重大變化或損壞是同樣重要，以便揭示和測量感興趣的特征。
蝕刻可能是金相學中最神奇和變幻莫測的步驟，因此必須仔細選擇最佳蝕刻劑成分，并控制好蝕刻劑溫度和蝕刻時間，以獲得可靠且可重復的結果。為了找到這一步的最佳參數，常常需要反復試驗，甚至可能經歷很多次失敗。
金屬及其合金在許多技術發展形式中仍然發揮著突出的作用，因為它們比其他材料類別提供了更廣泛的性能。標準化金屬材料的數量已達數千種，并不斷增加，以滿足新的要求。
然而，隨著規范的發展，陶瓷、聚合物或天然材料已經用于覆蓋更多領域的需求，而金相學已經擴展到新的領域，包括電子和復合材料。“金相學”一詞現在正被更一般的“材相學”所取代以適應陶瓷或聚合物。
與金屬相比，高性能陶瓷或工程陶瓷雖然易碎但具有更高的硬度值。其他優異性能主要有優良的高溫性能和良好的耐磨性、抗氧化性或耐腐蝕性。然而，這些材料的全部優勢都受到化學成分和微觀結構的強烈影響。
與金相樣品制備類似，制備用于微觀組織研究的陶瓷樣品也必須按順序進行，但每一步都需要仔細選擇參數，并且必須優化，不僅針對每種類型的陶瓷，而且針對特定的等級。由于其固有的脆性，從切割到拋光的每個準備步驟中，建議用金剛石代替傳統磨料。由于陶瓷的耐化學特性，蝕刻將成為一個重要挑戰。
很久以來，光學顯微鏡一直被用來研究材料的微觀結構。明場照明是金相分析中最常用的照明技術。在明場照明時，光來自光源，經過物鏡，從樣品表面反射出來，返回物鏡，最后到達目鏡或照相機進行觀察和拍照。
由于大量入射光反射到物鏡中，平面會產生明亮的背景，而非平面特征，如裂紋、氣孔、刻蝕晶界或具有明顯反射率的特征，如表面上的析出相和夾雜物，看起來比較灰暗，因為入射光被散射或以各種角度反射，有的甚至部分吸收入射光。
暗場（DF）是一種鮮為人知但功能強大的照明技術。暗場照明用的光速的路徑穿過物鏡的外空心環，以大的入射在試樣表面上，從表面反射出去，然后穿過物鏡，最后到達目鏡或照相機。這種照明會使平面看起來很暗，因為光以高入射角進入后絕大多數光線都會消失在物鏡的內部。對于平面樣品，可能偶爾具有非平面特征（裂縫、氣孔、蝕刻晶界等），暗場圖像顯示暗背景，而那些非平面特征表現得相對比較明亮，這些區域會將更多的光散射到物鏡中。
明場：只有直射光照在樣品表面上，被吸收或反射。圖像的質量參數包括亮度、分辨率、對比度和景深。
暗場：只有折射、衍射或反射光照在樣品表面。暗場適用于所有表面具有結構的樣品，也可用于顯示低于分辨率限制的結構。表面結構在黑暗的背景下顯得明亮。
差分干涉對比（DIC）也稱為Nomarski對比，有助于觀察樣本表面的微小高度差異，從而增強特征對比度。DIC使用Wollaston棱鏡、偏光鏡和分析儀，其傳輸軸相互垂直（以90°交叉）。棱鏡分裂的兩個光波在從樣品表面反射后進行干涉，使高度差轉換為顏色和紋理的變化。
在大多數情況下，入射光顯微鏡提供了所需的大部分信息，但在某些情況下，特別是聚合物和復合材料，透射光顯微鏡（用于透明材料）和染色劑或染料的使用可以更好地觀察材料的微觀結構，當使用標準的大塊樣品和正常的入射光照明時，這些微觀結構將被隱藏。
由于許多熱固性材料對普通的金相蝕刻劑是惰性的，因此通常最好用透射偏振光觀察樣品的微觀結構，以增強離散特征的折射率差異。
偏振：自然光由具有任意振動方向的光波組成。偏振濾光片只允許振動方向與傳輸方向平行的光波通過。在90°交叉的兩個偏振器產生最大消光（暗化）。如果偏振器之間的樣品改變了光的振動方向，則會出現特征雙折射顏色。
差分干涉對比度（DIC）：DIC顯示高度和相位差。Wollaston棱鏡將偏振光分成普通波和非常波。這些波彼此以直角振動，以不同的速率傳播，在物理上是分開的。這將生成樣本曲面的三維圖像，盡管無法從中獲得真實的拓撲信息。
生活是多彩的。顯微組織的自然顏色通常在金相應用中的很少使用，但顏色可以在使用某些光學方法（如偏振光或DIC）或樣品制備方法（如彩色蝕刻）時顯示有用的信息。偏振光顯微鏡對非立方晶體學結構的金屬（如Ti、Be、U和Zr）的檢驗十分有用。遺憾的是，主要的工業合金（Fe，Cu，Al）對偏振光不敏感，所以顏色或著色蝕刻提供了一種額外的方法，可以揭示和辨別微觀結構中的特征。
Fig. 2: Colored grains with dendriticstructure
圖2：具有樹枝狀結構的有色晶粒
顏色（著色）蝕刻劑通常采用化學方法（浸泡在溶液中）或電化學方法（浸泡在帶有電極和外加電位的溶液中），在試樣表面產生薄膜，通常取決于結構特性。薄膜與入射光相互作用并通過干涉產生顏色，在正常的明場照明下可以觀察到，但使用偏振光和相位延遲可顯著增強。此外，熱著色或氣相沉積是產生干涉膜的替代方法。
在鋼中，所謂的“第二相”成分可以通過蝕刻選擇性著色，這提供了一種分別識別和量化它們的方法。用彩色蝕刻法鑒別鋼中的鐵素體和碳化物是一種常用的方法。
干涉膜的生長是樣品表面晶粒等晶體取向特征的函數。對于用標準試劑蝕刻（攻擊晶界）產生（晶界的）不完整網絡，從而阻止數字圖像重建的合金，由于不同的晶粒取向，微觀結構的顏色編碼允許對晶粒尺寸進行分析。
定量勝于定性。定量金相的起源在于光學顯微鏡在金屬合金微觀組織研究中的應用。材料科學家必須解決的首要問題是：合金中某些特征的尺寸是多少？這些特征有多少？合金中有多少特殊成分？
Fig. 3: Ductile iron with spheroidalgraphite (HC PL Fluotar 10x objective, brightfield).
圖3：含球狀石墨的球墨鑄鐵（HC PL Fluotar 10x物鏡，brightfield）。
多年來，圖表評分和視覺比較，一直是能夠用半定量方式回答這些問題的唯一方法。如今，現代計算機顯微鏡以及圖像分析系統，為國際或行業標準所涵蓋的大多數評估和評估方法的自動化提供了快速、準確的手段。
測量通常是在一系列二維圖像上進行的，可分為兩大類：用于量化離散顆粒的大小、形狀和分布的測量（特征測量）和與基體微觀結構相關的測量（現場測量）。
第一組中的幾個例子，鋼的夾雜物含量的測定，鑄鐵中石墨分類，以及熱噴涂涂層或燒結零件中孔隙率的評估。
測定平均晶粒尺寸測量的常用方法有截點法或面積法，微觀結構組分的體積分數評估常用相分析法。使用圖像分析軟件，可以在單一視場檢測多個相，進行量化，并以圖形表示。
不僅微觀而且宏觀。宏觀檢驗技術在日常質量控制以及失效分析或研究中也經常采用。這些技術通常是微觀觀察的前奏，但有時它們被單獨用作接受或拒絕的標準。
Fig. 4: Surface hardening of steels.
圖4：鋼的表面硬化
宏觀蝕刻試驗可能是這類試驗中信息量最大的工具，在材料加工或成形的許多階段廣泛用于質量檢驗。借助于體視顯微鏡和多種照明模式，宏觀蝕刻通過揭示材料微觀結構的不均勻性，提供了一個構件均勻度的整體視圖。例如：凝固或加工產生的宏觀結構特征（生長模式、流線、帶狀等）；焊縫熔深及熱影響區；由于凝固或加工引起的物理不連續性（孔隙率、開裂）；化學和電化學表面改性（脫碳、氧化、腐蝕、污染）；淬火不規則性引起的鋼合金或型鋼的表面硬化深度（表面硬化）；磨削或加工不當造成的損壞；過熱或疲勞引起的熱效應。