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1、实验一 金相显微镜的构造 和使用 孙瑞雪 一、实验目的 二、实验仪器 三、实验原理 四、操作步骤 五、注意事项 （1）熟悉金相显微镜的光学原理和构造 。 （2）初步掌握金相显微镜的使用方法。 一、实验目的 二、 实验仪器 单目与双目光学金相显微镜 金相分析是人们通过金相显微镜来研究金属和 合金显微组织大小、形态、分布、数量和性质的一 种方法。 显微组织是指如晶粒、包含物、夹杂物以及相 变产物等特征组织。 利用这种方法来考查如合金元素、成分变化及 其与显微组织变化的关系：冷热加工过程对组织引 入的变化规律；应用金相检验还可对产品进行质量 控制和产品检验以及失效分析等。 简单地讲，金相显微镜是利用
2、光线的反射将不透 明物件放大后进行观察的。 下面分别介绍金相显微镜的基本原理、构造和使 用方法。 三、实验原理 人眼对客观物体细节的鉴别能力是很低的，一 般是在0.150.30mm间。因此，观察物体的显 微形貌，必需藉助显微镜。 金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的，其基本原理 如图所示。光学系统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零 件。对着被观察物体A B的一组透镜叫物镜O1；对着眼睛的一 组透镜叫目镜O2。现代显微镜的物镜和目镜都是由复杂的透 镜系统所组成。 3.1 金相显微镜的光学放大原理 光学显微镜的放大倍数可达到16002000倍。 当被观察物体AB置于物镜前焦点略远处时，物体的反射
3、光线 穿过物镜经折射后，得到一个放大的倒立实像A1B1（称为中间象 ）。若A1B1处于目镜焦距之内，则通过目镜观察到的物象是经目 镜再次放大了的虚象A1B1。由于正常人眼观察物体时最适宜 的距离是250mm（称为明视距离），因此在显微镜设计上，应让虚 象A1B1正好落在距人眼250mm处，以使观察到的物体影像最清 晰。 3.2 金相显微镜的主要性能指标 3.2.1 放大倍数 显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M物和目镜放大倍数子M目的乘 积，即： 式中，f物 物镜的焦距，f目目镜的焦距；L显微镜的光 学镜筒长度；D 明视距离（250mm）。 f物和f目越短或L越长， 则显微镜的放大倍数越高。 显微
4、镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证，物镜的最高放 大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达25倍。 在物镜和目镜的镜筒上，均标注有放大倍数，放大倍数常用符 号“”表示，如100，200等。 金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力。d 值越小，鉴别率越高。根据光学衍射原理，试样上的某一点通过物镜成象后，我 们看到并不是一个真正的点象，而是具有一定尺寸的白色圆斑，四周围绕着许多 衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时，成象后由于部分重迭而不能分清为 两个点。只有当试样上两点距离达到某一d值时，才能将两点分辨清楚。 显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长（）和物镜的数值孔径（A
5、），而与 目镜无关，其d值可由下式计算： 3.2.2 鉴别率 在一般显微镜中，光源的波长可通过加滤色片来改变，例如： 蓝光的波长（ ）比黄绿光（ ）短，所以鉴别率 较黄绿光高25%。当光源的波长一定时，可通过改变物镜的数 值孔径A来调节显微镜的鉴别率。 可分辨 不可分辨 式中，n物镜与试样之间介 质的折射率； 物镜孔径角的一 半，即通过物镜边缘的光线与物镜 轴线所成夹角。 n越大或 越大，则A越大，物 镜的鉴别率就越高。由于 总是小 于90度的。所以在空气介质 (n =1 ）中使用时，A一定小于1，这类物 镜称干系物镜。若在物镜与试样之 间充满松柏油介质（n=1.52），则 A值最高可达1.4
6、，这就是显微镜在 高倍观察时用的油浸系物镜（简称 油镜头）。每个物镜都有一个额定 A值，与放大倍数一起标刻在物镜 头上。 3.2.3 物镜的数值孔径 物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力，如图22所示。数值孔 径大的物镜聚光能力强，能吸收更多的光线，使物象更清晰， 数值孔径A可由下式计算： 所以，显微镜的放大倍数M与物镜的数值孔径之间存在一 定关系，其范围称有效放大倍数范围。在选用物镜时，必须使 显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500倍至1000倍之间。 若 ，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若 ，则由 于 物镜鉴别率不足而形成“虚伪放大“，细微部分仍分辨不清。 3.2.4放大倍数、数值孔径、鉴别率
7、之间的关系 在常用光线的波长范围内，上式可进一步简化为： 显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜组合起来 实现，但存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。这是因为：人 眼在250mm处的鉴别率为0.15-0.30mm，要使物镜可分辨的最近两 点的距离d能为人眼所分辨，则必须将d放大到0.15-0.30mm， 即： 由于 则 单片透镜在成象过程中，由于几何条件的限制及其它因素的影响 ，常使影象变得模糊不清或发生变形现象，这种缺陷称为象差。由于物镜 起主要放大作用，所以显微镜成象的质量主要取决于物镜，应首先对物镜 象差进行校正，普通透镜成象的主要缺陷有球面象差和色象差两种。 3.2.5 透镜成象
8、的质量 (1) 球面象差 如图23所示，当来自A点的单色光（即某一特定波长的光线）通过 透镜后，由于透镜表面呈球面形，折射光线不能交于一点，从而使放 大后的影象变得模糊不清。 为降低球面象差，常采用由多片透镜组成的透镜组，即将凸透 镜和凹透镜组合在一起（称为复合透镜）。由于这两种透镜的球面象 差性质相反，因此可以相互抵消。除此之外，在使用显微镜时，也可 采取调节孔径光栏的方法，适当控制入射光束粗细，让极细的一束光 通过透镜中心部位，这样可将球面象差降至最低限度。 图2 3 球面象差示意图 (2) 色象差 如图24所示，当来自A点的白色光通过透镜后，由于组成白 色光的七种单色光的波长不同，其折射
9、率也不同，使折射光线 不能交于一点，紫光折射最强，红光折射最弱，结果使成象模 糊不清。 为消除色象差，一方面可用消色差物镜和复消色差物镜进 行校正。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。另一方面可 通过加滤色片得到单色光，常用的滤色片有蓝色、绿色和黄色 等。 图2 4 色象差示意图 3.3 金相显微镜的构造 金相显微镜的种类和型式很多，但最常见的型式有台式、 立式和卧式三大类。其构造通常均由光学系统、照明系统和 机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带照像装置和暗场 照明系统等。现以国产-200型金相显微镜为例进行说明； 其主要结构如图所示。
10、 金相显微镜是一种精密光学仪器，在使用时要求细心和 谨慎，严格按照使用规程进行操作。 将显微镜的光源插头接在低压（6V8V）变压器上，接 通电源。 根据放大倍数，选用所需的物镜和目镜，分别安装在物 镜座上和目镜筒内，旋动物镜转换器，使物镜进入光路并 定位（可感觉到定位器定位）。 将试样放在样品台上中心，使观察面朝下并用弹簧片压 住。 转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观察，使物镜尽 可能接近试样表面（但不得与之相碰），然后反向转动粗 调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距，当视场亮度增强时 ，再改用微调手轮调节，直到物象最清晰为止。 适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象 。 如果使用油浸系物镜，可在物镜的前透镜上滴一些松柏 油，也可以将松柏油直接滴在试样上，油镜头用后，应立 即用棉花沾取二甲苯溶液擦净，再用擦镜纸擦干。 4、金相显微镜的操作步骤 五、注意事项 操作应细心，不能有粗暴和剧烈动作，严禁自行 拆卸显微镜部件。 显微镜的镜头和试样表面不能用手直接触摸，若 镜头中落入灰尘，可用镜头纸或软毛刷轻轻擦试 。 显微镜的照明灯泡必须接在6-8V变压器上，切勿 直接插入220V电源，以免烧毁灯泡。 旋转粗调和微调手轮时，动作要慢，碰到故障应 立即报告, 不能强行用力转动，以免损坏机件。
