1、实验一+金相显微镜的使用与金相组织的观察实验一 金相显微镜的使用与金相组织的观察 一、实验目的 1(了解金相显微镜的构造,各个主要部件的效用。 2(掌握正确使用显微镜的操作及维护方法 。 3(观察几种式样的金相组织 二、实验概述 (一)金相显微镜的知识及正确使用 1(显微镜放大原理: 利用透镜将物体的像放大,单个透镜的放大倍数是有限的(一般在20倍以下),因此要考虑用另一透镜组将第一次放大的像再行放大,以得到更高更清晰放大倍数的像,显微镜就是根据这一需求设计的。显微镜中装有两组放大透镜,靠近物体的一组为物镜,靠近眼睛的一组透镜称为目镜,但实际上显微镜采用的物镜和目镜都是由复杂的透镜组组成。图1
2、-1为显微镜成像原理图。 图1-1显微镜成像原理图 若将试样AB 置于物镜之前距其一倍焦距(F)略远一些的位置,由物体反射1的光线通过物镜折射后得到一个倒立的放大的实像AB,在目镜上观察时,经物镜放大的倒立实像AB落在目镜焦距F内 ( 在设计时安排好使目镜的焦点位置2在 F以内) ,目镜又将 AB再次放大,人眼在(250mm)的明视距离处,看到2一个经两次放大的倒立的虚像AB 就是我们在显微镜下的物象。总的放大倍数为物镜的放大倍数与目镜放大倍数的乘积,M=MM 总物目普通光学金相显微镜主要由三大系统构成:既光学系统,照明系统和机械系统。下面简单分述其主要构件的功能与特性。 光学系统:主要包括物
3、镜和目镜,物镜是显微镜最重要的部件,成像质量在很大程度上取决于物镜的质量,它的性能包括数值孔径和分辨率,有效放大倍数及像差校正程度。 A:数值孔径:物镜的数值孔径(N.A)表示物镜的收集光线的能力,增强物镜的聚光能力可使成像的质量提高,它的大小通常以进入物镜的光线锥所张开的角度,既孔径角的大小,公式表示为: N.A=n.sin 式中n物镜与观察物之间介质的折射率 为物镜的孔径半角 因此提高数值孔径有两个途径: a(增大透镜的直径或减小物镜的焦距。实际上sin的最大值只能0.9左右,此方法会导致像差增大和制造困难。 b(增加物镜与观察物之间的折射率。用油做介质,最常用的是松柏油可提高聚光能力,数
4、值孔径达(1.40)目前最高倍的油镜头(120倍)在物镜的镜体上刻有标记:油或OI。图1-2是介质对物镜数值孔径的影响示意图(a为干系物镜,b为油浸物镜)。 图1-2介质对物镜数值孔径的影响示意图 B:分辨率与有效放大倍数 金相显微镜分辨率主要取决于物镜的分辨率,上面已经提到物镜是使物体放大,目镜的作用是用来保证物镜的分辨率充分利用,既将这个实像再次放大,也就是说物镜没有分辨的细节,目镜是不能增大它的辨别能力,若要提高分辨率可使用更短波长的电子波即电子显微镜,显微镜的分辨率是指物镜所能清晰的分辨两个物点间的最小距离,与数值孔径有关。有以下表达公式: ,d ,2N.A式中:为入射光的波长 N.A
5、为数值孔径 由此可知入射光波越短,数值孔径越大显微镜的分辨率越高,在光学显微镜中,如若采用黄、绿、蓝等滤色片,采用油浸镜头,不但能够提高衬度还将进一步提高分辨率。在显微镜中保证物镜的分辨率能够充分利用,使试样上已被物镜分辨出的细微组织能够清晰再现,必须有适当的放大率,称为有效放大倍数。可由下面关系推出:人眼在明视距离(250mm)处的分辨能力为0.15-0.35mm。因此只有将物镜能分辩的距离放大到不小于0.15-0.35mm,人眼方能辨识,则 N.A,n,sin,2N.A(0.300.6)由此推出 M=(0.15,0.30)=N.A 有效,例如40物镜的N.A=0.65,有效放大倍数为325
6、650倍范围,因此应选择最低8倍目镜,最高不能超过16倍目镜,否则将不能充分发挥物镜的分辨率或为虚放大。 目镜是将物镜放大的像再次进行放大,其作用就是在显微观察时,于明视距离处形成一个清晰放大的虚像,而在显微摄影时,通过投射目镜在影屏上得到一个放大的实像,除此之外,某些目镜(如我们现在使用的补偿目镜)除放大作用之外,还能将物镜造像的残余像差予以校正。 自目镜射出的光束接近平行光束,是一个小孔径,大视场系统。据此,在像差校正上轴向像差(轴向色差,球差)可不予考虑,设计时主要考虑放大率色差,同时,由于入射光束接近平行,目镜的角孔径极小,故目镜本身的鉴别能力甚低,但对于物镜的初步影象的放大已是足够了
7、。显微镜目镜的种类较多:常用的有补偿目镜,放大目镜,测微目镜,双筒目镜,一般补偿目镜与复消色差物镜配合使用,放大目镜是专为摄影及近距离投射使用,测微目镜中加入了一小片有刻度的玻璃薄片,用于金相组织定量测量,如表面渗层厚度、显微硬度压痕的长度测量等 ,双筒目镜可减轻观察时眼睛的疲劳。 2(照明方式: 金相显微镜大多使用灯光照明,这与生物显微镜不同,借棱镜或其它反射方法使光线投在金属样品的磨面上,靠金属的自身反光能力,部分光线被反射而进入物镜,放大成像最后被我们所观察。现代的金相显微镜采用科勒照明法,它的特点是光源的像通过聚光透镜首先聚焦在孔径光栏上,然后与孔径光栏的像一起成像在物镜的后焦面,如图
8、1-3。 这种照明方式可以充分利用光源,提供一个非常均匀的照明场,充分发挥物镜的分辨率。在实际工作中不仅研究材料的表面组织,有时还要鉴别非金属夹杂物等特殊用途,为此,采光方式有明场照明和暗场照明。金相研究主要采用明场照明,它是将来自光源的光线通过垂直照明器中反射镜,改变光线的角度垂直射入试样的表面,由试样表面反射的光线再进入物镜到目镜成像。如果经过磨制表面光亮如镜的样品,反射光将全部进入物镜, 图1-3 照明原理图 目镜中看到光亮一片,若经过化学试剂侵蚀,易受侵蚀的相,或晶界处凹陷下去反光能力差,这样高低不同产生的漫散射使目镜中呈现不同明暗的组织。暗视场照明则是入射光束通过环行光栏及环行反射从
9、物镜的四周斜射于目的物上,因此显微镜内是黑暗的,只有一些浮雕处(如某些夹杂物相)因漫散射的产生有部分光线可到达物镜,从目镜中看到的是明亮的,据此暗视场适用于观察平滑表面上细小微雕,即非金属夹杂物等的鉴定。 摄像装置 输出图像 计算机 金相光学打印机 显微镜 图1-4数码技术显微镜的工作原理 普通光学金相显微镜类型很多,从外观上主要分为台式,立式,卧式三大类;按用途分为偏光显微镜,干涉显微镜,高温金相显微镜,体式显微镜。另外随着科学技术的发展,利用计算机和数码技术相结合的智能光学显微镜,改变了传统的金相观测、拍摄、洗相等烦琐的操作程序,它只需在光学显微镜上对接摄像头,把放大的试样通过摄像装置拍摄
10、下来后输出到计算机里,我们可以打印下来,这样得出的金相图能更加准确的反映组织形貌。图1-4为数码技术显微镜的工作原理。 3(实验使用的显微镜 如图1-5 ,它属于台式金相显微镜,结构由三大部分组成:光学系统,照明系统和机械系统。 (1) 光学系统 主要由目镜和物镜两部分构成。 目镜:放大倍数有10,12.5,主要是使物镜放大的像再次放大,除观察目镜外还有测微目镜和照相目镜。 物镜:放大倍数有10,40,100,是显微镜中主要的光学部件。它的好坏直接影响像的质量,一般高于千倍用油浸物镜较好,本实验课用的是干系物镜,即以空气作为介质。 (2) 机械系统 底座:支撑整个显微镜体 载物台:放置试样 物
11、镜转换台:用以更换不同倍数的物镜 调焦装置:调节焦距用,分粗调和细调 (3) 照明系统: 照明系统中光源、聚光透镜、孔径光栏、视场光栏和棱镜组等组成。6V、15W的低压卤钨灯泡发出的白色光,经聚光透镜和反光镜会聚在孔径光栏(可以连续调光)上,然后经过聚光镜、物镜,使试样表面得到充分均匀的照明。 4(显微镜的使用 金相显微镜是精密的光学仪器,使用中一定要爱护,注意下列各点: (1) 操作前应了解显微镜的基本原理、构造及各部分的作用。 (2) 操作时双手和样品要干净,以免腐蚀物镜,应集中精力,细心操作,不能有粗暴和剧烈的动作,不能用手和手帕等去摸、擦镜头的透镜,不要随意拧动各调节螺钉。严禁拆卸显微
12、镜及其附件。 (3) 调焦距时,先用粗调手轮将载物台降低,使样品尽量靠近物镜(但不能接触),然后一面从目镜中观察,一面缓慢转动粗调焦手轮,使载物台升高,待看到组织后,再旋转微调手轮直到图像清晰为止。 (4) 观察时,可以调动载物台旋钮选择不同的观察区域,不能用手直接移动样品,避免样品表面划伤。 (5) 有问题报告老师处理,不得擅自拆修,使用完毕后将显微镜恢复原状。 1.载物台 2. 物镜 3. 转换器 4. 粗动调焦手轮 5. 微动调焦手轮 6.灯座 7.底座 8.目镜 9.单筒目镜管组 10.固定螺钉 11.视场光栏 12.孔径光栏 图1-5 XJP-2型金相显微镜 (二)平衡组织 铁碳相图
13、是铁碳合金的成分与平衡结晶后的组织组成物及各相组成物的定性、定量关系总结。 从相的角度来看,铁碳合金在室温下的平衡组织皆由铁素体和渗碳体两相所组成。碳含量趋近于零时,合金全部由铁素体所组成,随着含碳量的增加,铁素体的含量呈直线下降,6.69%时降低到零。与此相反,渗碳体的含量则由零增至百分之百。碳含量的变化,不仅引起铁素体和渗碳体相对量的变化,而且可以引起组织的变化,引起不同性质的结晶过程。从图4-1可以看出,随着含碳量的增加;铁碳合金的组织变化顺序为, F?F+P?P?P+FeC?P+FeC+Ld?Ld?Ld+FeC ?3?33同一种组成相,由于生成条件的不同,虽然相的本质未变,但其形态可以
14、有很大的差异。 1(铁素体(F):是碳在Fe中的间隙固溶体。从奥氏体中析出的铁素体一般呈块状,而经共析反应生成的珠光体中的铁素体相互制约,呈交替层片状,含碳量接近共析成分时,铁素体呈白亮宽网状包围珠光体。 2(渗碳体(FeC):是铁与碳形成的间隙化合物,含碳量=6.69%。渗碳3c体硬度高,塑性差,延伸率接近于零。由于成分和生成条件的不同,使其具有复杂晶格的混合物,形态特点如下: (1)一次渗碳体:当4.3%时,一次渗碳体由液相中直接形成的呈规则c的长条状。 (2)二次渗碳体:当0.77%2.11%,二次渗碳体是由奥氏体中析出的,c以网络状分布于奥氏体晶界。二次渗碳体的数量随钢中含碳量的增加而
15、增加,当含碳量较多时,除了沿奥氏体晶界呈网状分布外,还在晶内呈针状分布。当2.11%4.3%时,由初晶奥氏体析出的二次渗碳体与共晶渗碳体连成一片,难c以分辨。 (3)三次渗碳体:由铁素体中析出,沿晶界呈小片状分布。 (4)共析渗碳体:经共析反应生成的,与铁素体呈交替层片状。 (5)共晶渗碳体:与奥氏体相关形成的,在莱氏体中为连续的基体,比较粗大,有时呈鱼骨状。 3(珠光体(P):共析转变的产物,是铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体组织经磨制抛光及硝酸酒精溶液浸蚀后表面可见珍珠色,此即珠光体名称的由来。珠光体中的渗碳体与铁素体含量的比值约为:=1:8。这就是说,如Fe3cF果忽略渗碳体与铁素体比
16、容上的微小差别,铁素体的体积是渗碳体的8倍。在金相显微镜下观察时,珠光体组织中较厚的片是铁素体,较薄的片是渗碳体。在腐蚀金相试样时,被腐蚀的是铁素体和渗碳体的相界面,但在一般金相显微镜下观察时,由于放大倍数不足,渗碳体两侧的界面有时分辨不清,看起来合成了一条线。 4(莱氏体(L):共晶转变的产物,是奥氏体与渗碳体的机械混合物。当冷d却到共晶温度(1148?)下,碳在奥氏体中的溶解度不断下降,因此从共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体,但由于它依附在共晶渗碳体上析出并长大,所以难以分辨。当温度降至共析温度(727?)时,共晶奥氏体的含碳量降至c=0.77%,在恒温下发生共析转变,即共晶奥氏体转变为珠光
17、体。最后室温下的组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上。室温莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征,但组成相发生了改变。因此,常将室温莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体,用符号L表示。 d根据组织特征,将铁碳合金按碳含量划分为七种类型: (1)工业纯铁 c0.0218%。 室温组织为铁素体和三次渗碳体。图1-6为工业纯铁的显微组织,其中黑色线条是铁素体的晶界,亮白色基底是铁素体晶粒。少量三次渗碳体在晶界上存在、呈现出白色的、不连续的网状,由于量少,有时可能看不出。 图1-6 工业纯铁显微组织图 图1-7 共析钢显微组织 (2)共析钢c=0.77%。室温组织为珠光体。显微组织如图1-
18、7所示。 (3)亚共析钢c=0.0218,0.77%。室温组织为珠光体和先共析铁素体,钢中含碳越高,则组织中珠光体所占比例越多,如图1-8,其中暗黑色为珠光体,白亮色为铁素体。a的含碳量比b的低。 a b 图1-8 亚共析钢显微组织图 图1-9 过共析钢显微组织 图1-10 共晶白口铁显微组织 图1-11 亚共晶白口铁显微组织 图1-12过共晶白口铁显微组织 (4)过共析钢c=0.77,2.11%。室温组织为珠光体和二次渗碳体,二次渗碳体沿奥氏体晶界析出,所以呈细小的网状分布。在过共析钢中,二次渗碳体的数量随钢中含碳量的增加而增加,当含碳量较多时,除了沿奥氏体晶界呈网状分布外,还在晶内呈状分布
19、。如图1-9为过共析钢的显微组织。 (5)共晶白口铁c=4.3%。室温组织是变态莱氏体,是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上。如图1-10,珠光体呈暗黑色细条及斑点状,渗碳体呈亮白色。 (6)亚共晶白口铁c=2.11,4.3%。室温组织是珠光体、二次渗碳体和莱氏体,如图1-11所示。珠光体呈黑色枝晶状,莱氏体呈斑点状,二次渗碳体与共晶渗碳体连成一片,难以分辨。 (7)过共晶白口铁c=4.3,6.69%。室温组织为莱氏体和一次渗碳体,如图1-12所示,其中白亮色长条为一次渗碳体,其余为莱氏体。 三、实验内容 熟悉显微镜的各主要部件,掌握显微镜的使用方法。 观察下列显微组织并画出显微图 代号 材料及热处理 组织 备注 P1 F 工业纯铁 P3 20钢退火 F+P(20%左右) P4 45钢退火 F+P(55%左右) P6 P 共析钢退火 P7 过共析钢退火 P+Fe3C(网状) P8 P+Ld 400X 亚共晶白口铁铸态 P9 Ld 共晶白口铁铸态 P10 过晶白口铁铸态 Ld+Fe3C初晶 R1 低碳钢淬火 板条马氏体 R2 高碳钢淬火 针状马氏体 R9 球化体 粒状珠光体 四、实验报告要求 1、明确本次实验目的 2、简述实验概述 3、分析铁碳合金在平衡状态下随含碳量变化组织的变化规律。 4、附上实验图,并在图上标注出各种组织。
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