实验一 金相显微观察.docx

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实验一金相显微观察

实验一金相显微观察

一、实验目的

1、了解金相显微镜的结构原理、熟悉各种零件的性能和作用。

2、掌握显微镜分辨率的概念及其影响因素。

3、学会正确操作上海4XB型金相显微镜。

4、学会用金相显微镜观察金相显微组织和腐蚀位错蚀坑形状；

二、实验仪器

4XB型双目倒置金相显微镜、金相样品

三、实验原理

随着探索自然与改造自然的科学事业的发展，人们迫切希望得到观察微观世界的工具。

显微镜的发明，将视觉延伸到肉眼无法看到的微观组织中去，因此显微镜日益成为各个领域的科学工作者不可缺少的工具之一。

金相显微分析是研究工程材料内部组织结构最基本、最重要、应用最广泛的研究方法之一。

显微分析可以研究金属组织与其化学成分的关系；确定各种金属经不同的加工与热处理后的显微组织；鉴别金属材料质量的优劣。

1.金相显微镜的光学原理

金相显微镜是由两个透镜组成，对着金相试样的透镜称为物镜，对着眼睛的透镜称为目镜。

借助于物镜与目镜的两次放大，就能使物体放大到很高倍数。

其光学原理如图1所示。

当所观察的物体AB置于物镜前焦点F1外少许时，物体的反射光线穿过物镜经折射后，就得到一个放大了的倒立实像AˊBˊ，若AˊBˊ处于目镜的前焦距以内，在经过目镜放大后，人眼在目镜上观察时，在250mm明视距离处（正常人眼看物体时，最适宜的距离大约在250mm左右，这时人眼可以很好的区分物体的细微部分而不易疲劳，这个距离被称为“明视距离”），看到一个经再次放大的倒立虚像AˊBˊ。

所以，观察到的像是经物镜和目镜两次放大的结果。

由图1可以看出，物镜对物体起着放大作用，而目镜则是放大由物镜所得到的物像。

金相显微镜的优劣，主要取决于以下几点：

1显微镜的放大倍数由下式来确定：

M=M物·M目=L/f物·D/f目⑴

式中：

M—显微镜的放大倍数；

M物——物镜的放大倍数；

M目——目镜的放大倍数；

f物——物镜焦距；

f目——目镜焦距；

L—显微镜的镜筒长度（即目镜与物镜的距离）；

D—明视距离（250mm）。

图1光学原理示意图

由上式可知，金相显微镜总的放大倍数就是物镜和目镜放大倍数的乘积。

F物、F目越短或L越长，则显微镜的放大倍数越大，其主要放大倍数一般是通过物镜来保证。

放大倍数的符号用“”表示，例如物镜的放大倍数为25，目镜的放大倍数为10，则显微镜的放大倍数为2510＝250。

放大倍数均分别标注在物镜与目镜的镜筒上。

2显微镜的分辨率

显微镜的分辨率是指它能清晰的分辩物体上两点间最小距离d的能力。

在普通光线下，人眼在明视距离处能分辩两点间最小距离为0.15～0.30mm，即人眼的分辨率d为0.15～0.30mm。

而显微镜当其有效放大倍数为1400时，其分辨率d为0.2110-3mm。

显然，d值越小，分辨率就越高。

分辨率是显微镜的一个重要的性能，它可由下式求得：

d=/（2N·A）⑵

式中d—物镜能分辩出的物体相邻两点间的最小距离（即分辨率）；

—入射光线的波长；

NA—物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力。

由上式可知，显微镜分辨能力取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜无关，光线的波长可以通过滤色片来选择。

λ值越小时，分辨率d值就越小，这就是说显微镜能分辨相距更近的两点，即物镜的分辨能力越高，在显微镜中就能看到更细微的部分。

同样情况，当数值孔径越大时,d值也就越小。

数值孔径表示物镜的聚光能力，数值孔径大的物镜的聚光能力强，能吸收更多的光线，使物像更加明显。

数值孔径可用下式求得：

⑶

式中：

n—物镜与物体间介质的折射率；

—物镜孔径角的一半。

进入物镜的光线所张开的角度称为物镜的孔径角，其半角为，如图2所示。

由式中可知，当n与值越大时，则数值孔径值就越大，物镜的分辨能力也就越高。

为了增加值（即孔径角）可增大物镜的直径，但物镜值直径的增大将会使球面象差和色象差的校正困难，故通常采用缩短物镜焦距的办法。

图2孔径角

由于值总是小于90°，而一般物镜与物体间的介质是空气，光线在空气中的折射率n＝1，其数值孔径总是小于1，这类物镜被称为“干系物镜”。

当物镜与物体之间充满松柏油介质（=1.52）时，其数值孔径值最高可达1.4左右，这就是显微镜在高倍观测是使用的“油浸系物镜”（又称为油镜头）。

综上所述，可以看出物镜的数值孔径的重要性并不低于其放大倍数，如果数值孔径不足放大倍数虽然尽量提高，也没有多大意义，因为相邻两点若不能很好分辨时，即使放大倍数再高（即虚伪放大）实际上还是不能分辨其为两点，这主要是因为：

人眼在250mm处的分辨率为0.15～0.30mm，要使物镜可分辩的最近两点的距离能为人眼所分辨，则必须将d放大到0.15～0.30mm，即d·M=0.15～0.30（mm）

而d＝/2N·A

则M=-1（0.3～0.6）N·A

若取绿光，λ＝0.55um,则由M≈500N·A～1000N·A

结果说明，在500～1000N·A范围内的放大倍数均称为有效放大倍数。

当小于500N·A时，由于受目镜放大倍数不足的限制，未能充分发挥物镜的分辨率。

在大于1000N·A时，可能会出现虚伪放大现象。

当然，随着科学技术的发展，光学零件的设计与制造将日趋完善与精良，照明方式的不断改进，将会使显微镜的有效放大倍数得到很大的提高。

了解有效放大倍数范围，对考虑物镜与目镜的正确选择十分重要。

例如25倍的物镜，其N·A＝0.4，它的有效放大倍数应在500（0.4）～1000（0.4），即在200～400倍范围内。

因此，应选择8倍或16倍的目镜与物镜配合使用。

物镜的数值孔径与其放大倍数一起刻在镜头外壳上，例如镜头上有25/0.50或65×的下面刻有0.75等数字，这个0.5或0.75即表示物镜的数值孔径。

高倍物镜通常都为油浸系，其标记用“油”或0i1和ö1来表示。

3透镜成像的质量

单片透镜在成像过程中，由于几何光学条件的限制，以及其它因素的影响，常使映像变的模糊不清或发生变形迹象，这种缺陷称为象差。

象差的产生降低了光学仪器的精确性，形成象差的重要原因是由于透镜本身存在有球面象差和色象差等缺陷。

图3透镜产生象差的示意图

如图3（a）所示，球面象差的产生是因为透镜的表面呈球形，当来自A点的单色光，即一定波长的光线通过透镜后，使光线不能交于一点，而分成几个交点前后分布，导致放大后的象模糊不清。

降低球面象差的办法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要的校正外，在使用显微镜时也刻采取调节孔径光栏，适当控制入射光束粗细，减少透镜表面面积等方法，把球面象差降低到最低程度。

图3（b）为色象差示意图，当来自A点的白色光通过透镜后，由于各单色光的波长不同，折射率不一样，使光线折射后不能交于一点。

其中紫色光线的波长最短，折射率最大，在离透射镜最近处成像；红色光线的波长最长，其折射率最小，在离透射镜最远处成像。

其余的有色光线（如：

黄、绿、蓝色）的成像，则在它们之间。

色象差的处在会降低透镜成像的清晰度，应予以校正。

消除色象差的方法：

一是在制造物镜时进行校正，根据校正的程度，物镜刻分为消色差物镜和复消色差物镜。

消色差物镜常与普通目镜配合，用于低倍和中倍观察；复消色差物镜与补偿目镜配合，用于高倍观察。

二是使用滤色片得到单色光，常用的滤色片有蓝色、绿色或黄色。

2.金相显微镜的构造

金相显微镜的种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。

金相显微镜通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附有摄影装置。

现以上海产4XB型双目倒置金相显微镜为例加以说明。

金相显微镜的光学系统如图4所示。

由灯泡1发出一束光线，经聚光透镜组2及反光镜7的反射，将光线聚集在孔径光栏8上，之后经过聚光镜3，再度将光线聚集在物镜的后焦面上，最好光线通过物镜使试样表面得到充分均匀的照明，从试样反射回来的光线复经物镜组6、辅助透镜5、半反射经4、辅助透镜10及棱镜11和棱镜12等造成一个被观察物体的倒立的放大实像，该象在经过目镜14的两次放大，观察者就能在目镜视场中看到试样表面最后被放大的映像。

4XB型金相显微镜的外形结构如图5所示。

现分别介绍各部件的功能与作用。

1

照明系统

在座内装有一低压（6～8v,15w）灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（6～8v）来改变灯光亮度。

在灯泡前有聚光灯2、孔径光栏8及反光镜7等装置均安装在底座上。

视场光栏9及令一聚光镜3者安装在支架上，它们组成光学显微镜的照明系统，使试样表面获得充分、均匀的照明。

图4金相显微镜的光学系统图54XB型光学显微镜的外形结构图

1-灯泡；2-聚光透镜；3-聚光透镜组；1-载物台；2-物镜；3-转换器

4-平反射镜；5-辅助透镜；6-物镜组；4-转动轴；5-粗调调焦手轮

7-反光镜；8-孔径光栏；9-视场光栏；6-微调调焦手轮；7-电源；8-底盘

10-辅助透镜；11-棱镜；9-样品；10-目镜；11-目镜筒

12-棱镜；13-场镜；12-固定螺钉；13-调节螺钉；

14-目镜14-视场光栏；15-孔径光栏

②显微镜调焦装置

在金相显微镜体的两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。

随着粗调手轮5转动，通过内部齿轮传动，使支承载物台的弯臂作上下运动，在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。

微调手轮6传动内部一组齿轮，使沿着滑轨缓慢移动。

在右侧手轮上刻有分度格表示物镜座上下微动0.002㎜。

与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有二条白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动手轮就被自动限制住，此时，不能在继续旋转而应倒转回来使用。

③载物台

载物台（样品台）用于放置金相试样，载物台和下面托盘之间有导架，移动结构仍采用油性膜连接，在手推动下，可引导载物台在水平面上作一定范围的移动，以改变试样的观察部位。

④孔径光栏和视场光栏

通过这两个孔径可变的光栏的调节，可以调节最后成像的质量。

调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物象达到清晰的程度。

视场光栏的作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。

在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉用来调整光栏中心。

物镜转换器呈球面形，上面有三个螺钉，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使物镜镜头进入光路，并与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。

⑤目镜筒

目镜筒呈45○倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90○呈水平状态配合照相装置进行金相射影。

3、金相显微镜的使用方法及注意事项

金相显微镜是一种精密的光学仪器，必须细心谨慎使用。

初次操作显微镜之前，应首先熟悉其构造特点及主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。

先熟悉其构造特点及主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。

在使用4XB型金相显微镜时，应按下列步骤进行：

①根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜和目镜筒内，并使转换器转至固定位置。

②转动载物台，使物镜位于载物台中心孔的中央，然后把金相试样的观察面朝下倒置在载物台上。

③将显微镜的电源插头插在变压器上，通过低压（6～8v）变压器接通电源。

④转动粗调手轮粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时再改用微调手轮进行调节，直至物象调整到最清晰程度为止。

⑤适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象；

⑥如果使用油浸系物镜，则可再物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏油直接滴再试样的表面上。

油镜头用完后应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净，再用镜头纸擦干。

在使用金相显微镜时，应注意以下事项：

①金相试样要干净，不得残留有酒精和浸蚀液，以免腐蚀显微镜的镜头，更不能用手指去触摸镜头。

若镜头中落有灰尘时，可以用镜头纸擦拭。

②照明灯泡（6-8V）插头，切勿直接插在220V的电源插座上，应当插在变压器上，否则灯泡会立即烧坏，观察结束时要立即关闭电源。

③操作时必须特别细心，不得有粗暴和剧烈的动作，光学系统不允许自行拆卸。

④在更换物镜或调焦时，要防止物镜受碰撞损坏。

⑤在旋转粗调或微调手轮时，动作要缓慢，当碰到某种障碍时应立即停下来，进行检查，不得用力强行转动，否则将会损坏机件。

四、实验内容

1）首先了解金相显微镜结构，掌握金相显微镜的使用方法，包括放大倍数的选择、样品的放置、迅速调焦方法（以获得最清晰的图像）、适当调节孔径光栏和视场光栏的原则和方法，以获得最佳质量的图象；分析金相显微使用过程中的注意事项。

2）根据金相显微镜成像原理，对多个金相样品的表面组织图像进行研究分析和讨论，记录（画图）所观察样品组织的形貌并作简要讨论；

3）能实际操作光学显微镜，观察金相样品的腐蚀位错蚀坑形貌，分析形貌特征并研究物理本质，学会测定其放大倍数。

五、问题讨论

1、如何迅速调出金相显微图像？

2、如何根据图像的亮暗来分析表面的凹凸情况？

3、金相显微镜使用时应注意些什么问题？