金相显微技术.docx

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金相显微技术

实用标准文案

实验金相显微技术

一、实验目的

1．了解金相显微镜的结构、原理，学会使用金相显微镜；

2．学会金相试样的制备和组织侵蚀显现，以及金属材料的显微分析法。

二、实验原理

对金属材料工作者和冶金学家，初期训练通常是识别金相组织，进而研究金

属合金的金相组织对其物理及机械性能的影响。

识别金相组织最容易的方法是通

过金相显微镜观察金属形貌，进行显微分析。

识别组织特征：

如晶粒大小，第二

相及非金属夹杂物的大小，形状和分布，以及偏析和其他不均匀的情况。

通过判

断金相特征来解释金属及合金组织。

而这些都会影响到金属及合金的性能，当用

显微分析知道金相组织特点后，就能预言在使用中的性能。

1.金相显微镜的结构

本实验要学会使用金相显微镜，这里就现代金相显微镜结构中主要部件作一

下介绍。

任何一种金相显微镜均主要由光学系统、照明系统、机械系统、附件装

置（包括摄影或其它如显微硬度等装置）组成。

目前我们使用的显微镜为奥林巴斯

PME3倒置式金相显微镜。

1.光学系统

物镜和目镜是光学系统中重要的部件。

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（1）物镜

物镜的放大倍数是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力指标。

有两种表示

方法：

其一直接在物镜上刻出如5、10、20等字样；

其二是在物镜上刻度出该物镜的焦距f，焦距越短，表示放大倍数越大。

后者物镜的放大倍数表示为：

M物L，L指镜筒长度，（光学镜筒长度等

f物

于物镜的焦距与放大实像之间的距离）设计很准确，一般为一定值。

显微镜的鉴别能力主要取决于物镜。

物镜的鉴别能力可分为平面和垂直两

种。

平面鉴别能力指物镜对显微组织所能获得清晰可分映像的能力。

分辨率一般

用能分辨两点间最短距离d的倒数1/d表示。

从实际角度出发，我们就常直接

用d来衡量显微镜的鉴别能力。

垂直鉴别又称为景深，是物镜对高低不同的物体清晰透像的能力。

垂直鉴别能力用h表示，指对高低不平的物体能清晰成像的最短距离。

物镜是显微镜中主要而且最贵重的零件。

物镜有两种：

即干燥的与油浸的。

物镜与被研究物体的介质是空气，则物镜就称为干燥的。

如果物镜与被研究物体间有液体（如一滴香柏油），这种物镜就叫做油浸的。

油浸物镜与干燥物镜相比有很多优点，目前干燥物镜的放大率虽已达1500

倍，但在放大率高的情况下（超过1000

倍）仍使用油浸物镜，因为显微镜的鉴别

率的数学公式：

d

A

式中d为二点间的距离，在显微镜中此二点的像是能区别的；

为波长；A

为孔径。

由公式（4-1）可以看出，物镜数值孔径及波长对鉴别率是有影响的。

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孔径角顶点位于物镜的焦点上，而其二边则连到物镜的边缘。

数值孔径A

可用下面的数学公式求得

Ansin

式中为物镜孔径角的一半，n为物镜和物体间介质的折射率。

孔径角不能超过144o，空气的折射率n=1因而实际上最大的数值孔径对

干燥物镜而言A=1sin72o0.95。

如果物镜和物体之间，用一滴折射率n＝

1.51的香柏油，则该油浸物镜的最大数值孔径A=1.510.95=1.43。

通常显微

镜的放大率的下限等于孔径乘以500，上限等于孔径乘以1000，从上述可知，

干燥物镜的最大数值孔径等于0.95，则其放大率的上限等于950，故其最大放

大率将是1430倍，而油浸物镜的最大数值孔等于1.43倍，这也即是为什么在

放大率超过1000倍时用油浸物镜的原因。

（2）目镜

经过物镜放大的像往往尺度还小，还不能为人眼所分辨。

目镜能起到再放大

的作用，使在显微观察时，在明视距离处能看到一个清晰放大的虚像；而在显微

摄影时，通过投射目镜在承影屏上得到一个放大的倒立的实像。

2.照明系统

照明系统一般包括光源、照明器、光阑尾炎、滤色片等。

（1）光源：

光源应具有足够的发光强度且要求发光均匀，发热程度要低并容

易对亮度、位置进行调节。

光源一般有低压钨丝灯、氙等、超高压汞灯和碳弧灯

几种。

本仪器中采用卤素灯，它的原理是：

碘分子在高温灯丝附近分解为碘原子，

碘原子与灯泡壁上的钨在250～1200℃的范围内可化合生成易挥发的碘化钨，

碘化钨一扩散到高温的钨丝上又会发生分解，沉淀到灯丝上。

这种循环可以避免

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灯泡发黑，延长灯泡的使用寿命。

卤素灯（卤钨灯）的灯泡必须用耐高温的石英玻

璃制造。

（2）照明器：

金相显微镜采用反射光照明，照明方式有明场和暗场照明。

明场照明是金相显微镜主要的照明方式。

在明场照明中光源光线通过垂直照

明器（图1）转90度角进入物镜，垂直地（或接近垂直地）射向样品表面。

由样品反

射回来的光线再经过物镜到目镜。

如果试样是一个抛光的镜面，反射光几乎全部

进入物镜成象，在目镜中可看到明亮的一片。

如果试样抛光后再经过腐蚀，试样

表面高低不平，则反射光将发生漫射，很少进入物镜成象，在目镜中看到的是暗

黑色的象。

如用平面玻璃做的垂直照明器，如图1所示。

平面玻璃表面与光源光

线成45度角，将光线反射进入物镜；由于投射在样品上的光线是垂直入射，因

而成象平坦、清晰。

此外，平面玻璃反射可使光线充满物镜的后透镜，有利于充

分发挥物镜的鉴别能力，适用于中倍和高倍观察。

图1明场照明的光路图图2暗场照明的光路图

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在鉴别非金属夹杂物等特殊用途中，往往要采用暗场照明。

暗场照明与明场

照明不同如图2所示），其光源光线经聚光透镜后形成一束平行光线，通过暗场

环形光栏时，平行光线的中心部分被挡住，形成一束管状光束；然后经过平面玻

璃反射，再经过暗场曲面反射镜的反射，管状光束以很大的倾角投射在样品上。

这里要注意，管状光束是从物镜四周通过的，物镜未通过光线未起聚光作用。

如

果样品表面平滑均匀，则投射光线以很大的倾角反射出去，光线不进入物镜，在

目镜中看到的是一片暗黑色。

如果样品表面存在高低不平之处，则反射光线就有

部分进入物镜面形成明亮的像。

这与明场照明下观察的结果正好相反。

（3）光阑：

光阑分为孔径光阑和视场光阑。

孔径光阑的调节可以改变成像光

束的大小和控制进入光学系统的光通量。

视场光阑的大小对显微镜的分辨率没有

影响，适当缩小可减小镜筒内的杂散光，增加图像衬度。

（4）滤色片：

滤色片的作用是吸收光源发出的白色光中的波长不合需要的光

线，只让一定波长的光线通过。

显微镜使用滤色片的目的是：

增加黑白金相照片

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上组织的衬度；有助于经彩色着色后的显微组织细节；利用黄、绿滤色片与消色

差物镜配合使用，可消除残余色差；在长时间显微观察时，使用黄滤色片，可保

护观察者眼睛，并有利于提高视敏度。

2．显微镜的光学原理

由于人眼的鉴别能力极其有限，最低在0.15～0.30mm之间。

鉴别客观物

体的细微组织必须借助于显微镜。

显微镜对物体放大成清晰的像便于观察。

显微

镜的光学放大系统分两级组成。

如图3所示。

第一级是物镜，物体AB通过物镜得到放大的倒立的实像A1B1。

A1B1细节

虽已被区分，但其尺度仍很小，还不足以使用人眼分辨，因此还需二级放大。

第

二级通过目镜来完成。

当经第一级放大成的倒立实像处于目镜的主焦点内时，人

眼可以通过目镜分辨第二次放大的正立虚像。

（1）物镜的成像

根据几何光学理论，当观察物处于透镜的一倍焦距与二倍焦距之间（设物距

为u，焦距为f，即f

为充分发挥透镜的放大能力，一般设计让被观察的物体

处于接近焦点处，物镜的放大倍数为：

M物

物镜

A1B1L

ABf物

B1’

物体F

F1

精彩文档B

物距焦距

A1’

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（2）目镜成像

根据几何光学成像规律，当被观察物体处于透镜的一倍焦距以内时，人眼通

过透镜观察，将在250mm远处看到一个放大了的正立虚像。

（250mm被称为

明视距离）因此，目镜的放大倍数为：

M目

B3

250

f目

B1’

F

B2

A1’

A2

f

A3

精彩文档S

图4目镜放大成像原

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（3）显微镜的成像

被观察物的细节经物镜放大后的实像落到目镜主焦点以内后，人眼可通过目

镜观察到经两次放大后组合物像。

如图5所示。

故显微镜的总放大倍数为：

M总

M物

L

250

M目

f目

f物

人眼

物镜

B1’A1’

250mmF2

F1

目镜

AB

B3A3

图5显微镜的成像原理

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三、样品制备

金相样品需对金属及合金进行取样、磨光、抛光、化学侵蚀等一系列的操作

工序才能制成的。

制备符合质量要求的金相样品是正确观察金属及合金组织及截

面的先决条件。

以下对金相样品的制备工序及准备原理作较详细的介绍。

1.取样

金相显微试样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位。

取样过程

与选择取样部位，确定检验面及截取方法、试样尺寸等有关。

2.磨光

磨光可分为粗磨和细磨。

粗磨的目的是为了整平试样，并磨成适合的外形。

细磨的目的是消除粗磨时留下的较深磨痕。

细磨通常是在砂纸上进行。

砂纸分为

两种：

一种水磨砂纸，另一种是干磨砂纸。

金相水磨砂纸和干磨砂纸的磨料材质

是黑色碳化矽或绿色碳化矽。

根据砂纸粒度可分许多号砂纸如120#，一直到

4000#。

随砂纸号数增加，砂纸粒度减小，砂纸变细。

干磨砂纸为2#、1#、0#、

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0l#、02#等。

金属磨制用到1000#砂纸就可以了。

采用的砂纸，可以完全都用水

磨砂纸，将砂纸铺在预磨机的圆盘上进行，并逐次减少砂纸粒度；也可以完全都

用干磨砂纸。

将干磨砂纸放在玻璃板逐次进行，也可以先用水磨砂纸再用干磨砂

纸。

在磨制时，无论用什么样砂纸，都必须遵守下列规则：

第一，试样不应当紧

压，水磨时由于力量不均划破砂纸，试样飞出；而干磨时，以免引起表面发热。

第二，在一定号数砂纸磨制时，试样位置不应变动，换用下一号砂纸时，将试样

转90o，使新的软细磨痕垂直于前一号砂纸上得到的磨痕。

只有当前一号砂纸所留下磨痕完全磨掉时，才能换用下一号砂纸。

最后的这一条件应当特别严格地遵

守，否则试样表面上被较粗的砂纸所刻划下的磨痕是不能完全去掉的，这样磨痕制和抛光工序进行矫正，必须从第一道工序重新开始磨制。

3.抛光

抛光的目的是除去由磨光所留下的细微磨痕，成为光滑无痕的镜面。

抛光有

机械抛光、电解抛光、化学抛光三种。

经过磨制好的试样要进行抛光。

抛光的目的在于去除试样表面剩余的划痕，

使最后呈现如镜面的光滑平面。

所需设备是抛光机。

抛光机转盘是20-25cm，

由电动机直接带动.抛光分为粗抛和细抛，一般粗抛用帆布，细抛用细尼（或金丝

绒），这此抛光布紧箍在抛光机的圆盘上，抛光机转速为700-1000转/分。

用水

或悬浮在水中研磨粉（膏）来润湿。

研磨粉的作用是在细尼或凡布的绒毛固定中起

磨削试样作用。

目前用研磨粉（膏）是0.5-7微米的金刚砂磨粉（膏）它磨锋利、速

度快、扰乱层浅，能保留夹杂物。

但价格较高。

细粒度的氧化镁研磨粉特别适用

于铝、铜、钝铁等软性材料进行最后细抛。

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抛光时应注意的是：

用力轻匀，干湿适当、不时移动、保持清洁。

抛光时间

大约5-10分钟为好。

在最终抛光后，试样上应当具有像镜子那样光滑的表面，

在任何放大倍数下观察时看不到磨痕。

制好试样要很好地用水流冲洗，用吹风机

吹干。

试样制备是一种通用的技术手段，看来较简单，但必严格地按着一定操作过

程制备，这就要求认真地实际操作才能掌握。

显微镜是精密的仪器，需要极小心谨慎地对待它。

着手操作显微镜之前，应

首先了解它的构造，各个主要部分以及其相互的位置和作用。

四、实验内容

1．结合显微镜实体，认真了解显微镜结构、原理及测试技术．

2．将所给试样进行磨光和抛光，准备好金相样品．

3．观察试样平面和截面的显微组织以及侵蚀后的显微组织．

五、实验报告内容及要求

1．叙述本实验目的和内容；

2．简述试样制备及测试方法；

3．拍出1~2张较好的明场金相照片．

六、思考题

1．显微镜在使用中，应该注意那些事项？

2．磨制试样时，要遵守哪些规则？

为什么？

3．阐述金相显微镜在材料领域的应用情况．

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