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1、金属学与热处理实 验 指 导 书丁龙先 王希囡 编沈阳大学机械工程学院29目录实验一：金相显微镜构造与应用和金相试样的制备（2-4h）1实验二：铁-碳合金平衡组织观察（2h）11实验三：碳钢的热处理及其硬度测量（4h）17实验四：碳钢热处理后的金相组织观察(4h)27课程编号：11121461、11125241 课程类别：专业必修课适用层次：本科 适用专业：材料成型与控制工程课程总学时：96、80 适用学期:第4、5学期 实验学时：12-14 开设实验项目数：4撰写人：丁龙先 审核人：王庆顺 教学院长：牛建平实验一：金相显微镜构造与应用和金相试样的制备一、实验目的与要求通过金相显微镜的使用及金
2、相试样的制备使学生了解金相显微镜的构造，掌握金相显微镜的使用方法及金相试样的制备基本要领，达到能使用显微镜观察组织、掌握金相试样制备的技巧及自己制作金相试样目的。要求学生明确所用金相显微镜的型号，所选用的物镜、目镜的放大倍数，金相试样的研磨（所用砂纸号）、抛光、腐蚀步骤（腐蚀液种类，方法等），制备出一个可供观察的金相试样，示意画出所观察到的金相组织,并掌握显微镜的操作要领。二、实验类型验证型实验三、实验原理及说明（一）金相显微分析基础知识 金相分析在材料研究领域占有十分重要的地位，是研究材料内部组织的主要手段之一。金相显微分析法就是利用金相显微镜来观察为分析而专门制备的金相样品，通过放大几十倍
3、到上千倍来研究材料组织的方法。现代金相显微分析的主要仪器为光学显微镜和电子显微镜两大类。这里仅介绍常用的光学金相显微镜及金相样品制备的一些基础知识1.1光学金相显微镜基础知识 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。金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带有多种功能及摄影装置。目前，已把显微镜与计算机及相关的分析系统相联接，能更方便、更快捷地进行金相分析研究工作。111 光学显微镜的放大成像原理及参数1金相显微镜的成像原理显微镜的成像放大部分主要由两组透镜组成。靠近观察物体的透镜叫物镜而靠近眼睛的透镜叫目镜。通过物镜和目镜的两次放大
4、，就能将物体放大到较高的倍数。图1-1为显微镜的放大光学原理图。物体AB置于物镜前，离其焦点略远处，物体的反射光线穿过物镜折射后，得到了一个放大的实像A1Bl，若此像处于目镜的焦距之内，通过目镜观察到的图像是目镜放大了的虚像A2B2。图1-1 显徽镜放大光学原理图AB物体；A1B1物镜放大图像；A2B2目镜放大图像；Fl物镜的焦距；F2目镜的焦距；L光学镜筒长度(即物镜后焦点与目镜前焦点之间的距离)；D明视距离(人眼的正常明视距离为250mm)2显微镜的放大倍数物镜的放大倍数 M物A1BlABLF1目镜的放大倍数 M目A2B2A1B1DF2则显微镜的放大倍数为： M总M物M目(LF1) (DF
5、2)(L250)(FlF2) 显微镜总的放大倍数等于物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积一般金相显微镜的放大倍数最高可达1 6002 000倍。 由此可看出，因为光学镜筒长度L为定值，物镜的放大倍数越大，其焦距越短。在显微镜设计时，目镜的焦点位置与物镜放大所成的实像位置接近，并使目镜所成的最终倒立虚像在距眼睛250mm处成像，这样使所成的图像看得很清楚。 显微镜的主要放大倍数一般通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的最高放大倍数可达25倍。放大倍数分别标注在物镜和目镜的镜筒上。在用金相显微镜观察组织时，应根据组织的粗细情况，选择适当的放大倍数，以使组织细节部分能观察清楚为准，不要只
6、追求过高的放大倍数，因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍数越高，焦距越小，会带来许多缺陷。 3物镜的数值孔径 物镜的数值孔径用NA表示(即Numerical Aperture)，表示物镜的聚光能力。数值孔径大的物镜，聚光能力强，即能吸收更多的光线，使图像更加清晰，物镜的数值孔径NA可用公式表示为NAnsin式中：物镜与样品间介质的折射率； 通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成角度，即孔径半角。可见，数值孔径的大小与物镜和样品间介质的折射率n的大小有关，以及孔径角大小有关，见图1-2所示。 若物镜的孔径半角为30，当物镜与物体之间的介质为空气时，光线在空气中的折射率为n1，则数值孔径为NAnsin1
7、sin300.5 若物镜与物体之间的介质为松柏油，介质的折射率n1.52，则其数值孔径为图1-2 不同介质对物镜聚光能力的比较(a)干物镜； (b)油物镜NAnsin1.52sin300.76 物镜在设计和使用中，指定以空气为介质的称干系物镜或干物镜，以油为介质的称为油浸系物镜或油物镜。干物镜的n1sin值总小于1，故数值孔径NA小于1；油物镜因n1.5以上，故数值孔径NA可大于1。物镜的数值孔径的大小，标志着物镜分辨率的高低，即决定了显微镜分辨率的高低。 4显微镜的鉴别能力(分辨率)显微镜的鉴别能力是指显微镜对样品上最细微部分能够清晰分辨而获得图像的能力。如图1-6所示。它主要取决于物镜的数
8、值孔径NA值大小，是显微镜的一个重要特性。通常用可辨别的样品上的两点间的最小距离d来表示，d值越小，表示显微镜的鉴别能力越高。图1-3 显微镜分辨率高低示意图(a)样品上两点之间距离；(b)低分辨率；(c)高分辨率 可见分辨率与入射光的波长成正比，A越短，d值越小，分辨率越高孔径成反比，数值孔径NA越大，d值越小，表明显微镜的鉴别能力越高。 5有效放大倍数 显微镜的鉴别能力可用下式表示：d2NA式中：入射光的波长；NA物镜的数值孔径。 用显微镜能否看清组织细节，不但与物镜的分辨率有关，且与人眼的实际分辨率有关。若物镜分辨率很高，形成清晰的实像，而配用的目镜倍数过低，也使观察者难于看清，这称之为
9、放大不足。但若选用的目镜倍数过高，即总放大倍数越大，也并非看得越清晰。实践表明，超出一定的范围，放得越大越模糊，这称之为虚伪放大。显微镜的有效放大倍数取决于物镜的数值孔径。有效放大倍数是指物镜分辨清晰的d距离，同样也被人眼分辨清晰所必须的放大倍数，用Mg表示：Mgd1d2 dlNA式中：dl人眼的分辨率；d物镜的分辨率。 在明视距离250 mm处正常人眼的分辨率为0.15 m0.30 m，若取绿光550010-7mm，则： Mgmin=(20.15NA)(550010-7)550NA Mgmax=(20.30NA)(5500l0-7)1000NA 这说明在550NA1000NA范围内的放大倍数
10、均称有效放大倍数。但随着光学零件的设计完善与照明方式的不断改进，以上范围并非严格限制。有效放大倍数的范围，对物镜和目镜的正确选择十分重要。例如物镜的放大倍数是25，数值孔径为NAo4，即有效放大倍数应为200400倍范围内，应选用8倍或16倍的目镜才合适。113 物镜与目镜的种类及标志 1物镜的种类 物镜是成像的重要部分，而物镜的优劣取决于其本身像差的校正程度，所以物镜通常是按照像差的校正程度来分类，一般分为消色差及平面消色差物镜、复消色差及平面复消色差物镜、半复消色差物镜、消像散物镜等。按像差分类的常用的几种物镜如下。(1)消色差及平面消色差物镜消色差物镜对像差的校正仅为黄、绿两个波区，使用
11、时宜以黄绿光作为照明光源，或在入射光路中插入黄绿色滤色片，以使像差大为减少，图像更为清晰。而平面消色差物镜还对像域弯曲进行了校正，使图像平直，边缘与中心能同时清晰成像，适用于金相显微摄影。 (2)复消色差及平面复消色差物镜复消色差物镜色差的校正包括可见光的全部范围，但部分放大率色差仍然存在。而平面复消色差物镜还进一步做了像域弯曲的校正。(3)半复消色差物镜像差校正介于消色差和复消色差物镜之间，其它光学性质与复消色差物镜接但价格低廉，常用来代替复消色差物镜。2物镜的标志物镜的标志一般包括如下几项：(1)物镜类别。国产物镜，用物镜类别的汉语拼音字头标注，如平面消色差物镜标以“PC”(平场)。西欧各
12、国产物镜多标有物镜类别的英文名称或字头，如平面消色差物镜标以“Planarchromatic或PI”，消色差物镜标以“Achromatic”，复消色差物镜标以“Apochromatic”。 (2)物镜的放大倍数和数值孔径。标在镜筒中央位置，并以斜线分开，如“100.30”，“450.63”，斜线前如“10”，“45”为放大倍数，其后为物镜的数值孔径如“0.30”，“0.63”。 (3)适用的机械镜筒长度。如“170”，“190”，“0”，表示机械镜筒长度(即物镜座面到目镜筒顶面的距离)为170，190，无限长。“0”表示无盖波片。 (4)油浸物镜标有特别标注，刻以“HI”，“oil”，国产物镜
13、标有“油”或“Y” 物镜的标志如图1-4所示。(a)国产物镜 (b)Zeiss 公司物镜，PC平场 Achronmatic消色差10放大倍数 40放大倍数0.30数值孔径 0.65数值孔径机械镜筒长度 170机械镜筒长度0无盖波片图1-4 物镜的性能标志3目镜的类型 目镜的作用是将物镜放大的像再次放大，在观察时于明视距离处形成一个放大的虚像，而在显微摄影时，通过投影目镜在承影屏上形成一个放大的实像。目镜按像差校正及适用范围分类如下： (1)负型目镜(如福根目镜)。由两片单一的平凸透镜在中间夹一光栏组成，接近眼睛的透镜称目透镜，起放大作用，另一个称场透镜，使图像亮度均匀，未对像差加以校正，只适用
14、于与低中倍消色差物镜配合使用。 (2)正型目镜(如雷斯登目镜)。与上述不同的是光栏在场透镜外面，它有良好的像域弯曲校正，球面像差也较小，但色差比较严重，同倍数下比负型目镜观察视场小。 (3)补偿型目镜。是一种特制目镜，结构较复杂与消色差物镜配合使用，以获得清晰图像。(4)摄影目镜。专用于金相摄影，不能用于观察，球面像差及像域弯曲均有良好的校正。 (5)测微目镜。用于组织的测量内装有目镜测微器与不同放大倍数的物镜配合使用时，测微器的格值不同。 4目镜的标志 通常一般目镜上只标有放大倍数，如“7”，“10”，“12.5”等，补偿型目镜上还有一个“K”字，广视域目镜上还标有视场大小，见图1-5所示。12金相样品的制备方法概述 在用金相显微镜来检验和分析材料的显微组织时，需将所分析的材料制备成定尺寸的试样，并经磨制、抛光与腐蚀工序，才能进行材料的组织观察和研究工作。 金相样品的制备过程一般包括如下步骤：取样、镶嵌、粗磨、细磨、抛光和腐蚀。分别叙述如下。121 取样与镶嵌、研磨、抛光(略)1取样 (a)普通目
