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1、现代分析技术与实验方法现代分析技术与实验方法 金相分析技术 1 第一章第一章 光学金相显微镜光学金相显微镜 的结构与使用的结构与使用 2 金相分析是人们通过金相显微镜来研究金 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微组织变化的关系
2、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 量控制和产品检验以及失效分析等 概 述概 述 3 金相显微镜的成象原理金相显微镜的成象原理 人眼对客观物体细节的鉴别能 人眼对客观物体细节的鉴别能 力是很低的 一般是在力是很低的 一般是在0 15 0 15 0 30mm0 30mm间 因此 观察物体的显微间 因此 观察物体的显微 形貌 必需藉助显微镜 形貌 必需藉助显微镜 显微镜放大的光学系统由两级 显微镜放大的光学系统由两级 组成 组成 第一级是物镜第一级是物镜 细节细节ABAB通过物镜得到放大的倒立实通
3、过物镜得到放大的倒立实 角角A1B1A1B1 A1B1A1B1的细节虽已为被区的细节虽已为被区 分开 但其尺度仍很小 仍不能为分开 但其尺度仍很小 仍不能为 人眼所鉴别 因此 还需第二次放人眼所鉴别 因此 还需第二次放 大 大 显微镜成象原理图 4 显微镜成象原理图 第二级放大是通过目镜来完成 第二级放大是通过目镜来完成 当经第一级放大的倒立实象当经第一级放大的倒立实象 处于目镜的主焦点以内时 人眼处于目镜的主焦点以内时 人眼 可通过目镜观察到二次放大的可通过目镜观察到二次放大的 A3B3A3B3的正立虚象 观察物体的的正立虚象 观察物体的 细节经物镜放大后的实象落到目细节经物镜放大后的实象落
4、到目 镜主焦点以内后 人眼观察可看镜主焦点以内后 人眼观察可看 到经两次放大后的虚象 到经两次放大后的虚象 A3B3A3B3 虚象就是经物镜和目镜两次放大虚象就是经物镜和目镜两次放大 后的组合物象 后的组合物象 5 透镜的象差透镜的象差 物镜是显微镜中最重要的光学器件 现代 物镜是显微镜中最重要的光学器件 现代 物镜多是由多块透镜组合成的复合透镜构成 物镜多是由多块透镜组合成的复合透镜构成 物镜的放大倍数主要决定于物镜前透镜的尺寸物镜的放大倍数主要决定于物镜前透镜的尺寸 及曲率 及曲率 前透镜以后的一系列透镜称为前透镜以后的一系列透镜称为 后透镜后透镜 后透后透 镜主要是为了校正透镜的象差 镜
5、主要是为了校正透镜的象差 以达到提高成以达到提高成 象质量的目的 象质量的目的 6 透镜的象差按其产生的原因一般作如下分类 透镜的象差按其产生的原因一般作如下分类 以上的象差 以上的象差对显微镜成象影响最大的是球面象差 对显微镜成象影响最大的是球面象差 象域弯曲和多色象差象域弯曲和多色象差 7 1 1 球面象差球面象差 产生的原因是由于球面单片透镜的中心与边缘厚薄不同 即使 产生的原因是由于球面单片透镜的中心与边缘厚薄不同 即使 是单色光通过时也将产生不同的折射 通过透镜后不焦集于一点 是单色光通过时也将产生不同的折射 通过透镜后不焦集于一点 轴上象点被一个弥散的光斑所代替 这就是球面象差 轴
6、上象点被一个弥散的光斑所代替 这就是球面象差 为了为了改善球面象差 改善球面象差 现在现在都采用复合透镜都采用复合透镜 即 即 在主在主透镜前加一发散凹透透镜前加一发散凹透 镜 镜 尽管如此 并不能完全消尽管如此 并不能完全消 除 因此在使用显微镜是除 因此在使用显微镜是 可以可以通过适当调节孔径光通过适当调节孔径光 阑的大小加以改善阑的大小加以改善 球面象差 8 2 2 象域弯曲象域弯曲 直立物体通过透镜后得到弯曲的映象 称为象域弯曲 直立物体通过透镜后得到弯曲的映象 称为象域弯曲 其形成其形成原因是由远轴细光束倾斜射入透镜造成的原因是由远轴细光束倾斜射入透镜造成的 这种象差这种象差对金相显
7、微摄影尤为不利对金相显微摄影尤为不利 所以在金相摄影时 所以在金相摄影时 应选用平面消色差和平面复消色差物镜 因为它们对视场边应选用平面消色差和平面复消色差物镜 因为它们对视场边 缘进行了色差校正 缘进行了色差校正 象域弯曲 9 3 3 多色象差多色象差 多色象差是指白色光通过透镜后 由于折射引起光的分解 色散 所造成多色象差是指白色光通过透镜后 由于折射引起光的分解 色散 所造成 的一系列采色群象现象 的一系列采色群象现象 其中又分为纵向色差和横向色差 其中又分为纵向色差和横向色差 纵向色差纵向色差 轴上某一点发出的轴上某一点发出的非单色光非单色光 的光束的光束 由于组成中 由于组成中包括有
8、不同 包括有不同 的光波 将会发生色散的光波 将会发生色散 致使这些光线 致使这些光线 交于轴上不同的点 形成一系列群象的交于轴上不同的点 形成一系列群象的 色差现象 色差现象 横向色差横向色差 由于各种颜色光线折射率不由于各种颜色光线折射率不 同 同 故焦距也不同 但因为放大倍数与故焦距也不同 但因为放大倍数与 焦距有关 所以焦距有关 所以目的物上不在轴上的点目的物上不在轴上的点 在离轴不同的距离处成象 在离轴不同的距离处成象 这时便产生这时便产生 横向色差 也称为放大色差 横向色差 也称为放大色差 10 物镜和目镜物镜和目镜 物镜的成象物镜的成象 根据几何光学可知 当被观察的物体处于该透镜
9、的一倍焦距与二倍焦 根据几何光学可知 当被观察的物体处于该透镜的一倍焦距与二倍焦 距之间时 物体的反射光通过物镜经折射后在透镜的另一侧可以得到一个距之间时 物体的反射光通过物镜经折射后在透镜的另一侧可以得到一个 放大的倒立实像 为了充分发挥物镜的能力 一般设计时是让被观察物体放大的倒立实像 为了充分发挥物镜的能力 一般设计时是让被观察物体 处于很接近于焦点处 因此计算其放大倍数时可以用物镜的焦距处于很接近于焦点处 因此计算其放大倍数时可以用物镜的焦距f f 显微镜显微镜 的成象质量 鉴别能力 有效放大倍数主要决定于物镜的成象质量 鉴别能力 有效放大倍数主要决定于物镜 11 物镜种类物镜种类对象
10、域中心的校正对象域中心的校正对视场边缘对视场边缘 的校正的校正 色色 差差球球 差差 消色差物镜消色差物镜校正红 绿两波区校正红 绿两波区校正黄 绿两波区校正黄 绿两波区未校正未校正 平面消色差物镜平面消色差物镜校正红 绿两波区校正红 绿两波区校正黄 绿两波区校正黄 绿两波区已校正已校正 复消色差物镜复消色差物镜校正红 绿 紫波区校正红 绿 紫波区校正绿 紫两波区校正绿 紫两波区未校正未校正 平面复消色差物镜平面复消色差物镜校正全波区校正全波区校正绿 紫两波区校正绿 紫两波区已校正已校正 1 1 物镜的类型物镜的类型 物镜的类型是根据透镜的象差 色差校正程度来分类 物镜的类型是根据透镜的象差
11、色差校正程度来分类 的 其分类和校正情况参见表的 其分类和校正情况参见表1 11 1 表表1 1 1 1 物镜的几种类型物镜的几种类型 12 物镜放大倍数物镜放大倍数 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 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 两种方法两种方法 一种是直接在物镜上刻度出如一种是直接在物镜上刻度出如8X8X 10X10X 45X45X等 等 另一种则是在物镜上刻度出该物镜的焦距另一种则是在物镜上刻度出该物镜的焦距f f 焦距越短 放大倍数越高 焦距越短 放大倍数越高 前一种物镜放大倍数公式为 前一种物镜放大倍数公式为 L L是光学镜
12、筒长度 是光学镜筒长度 L L值在设计时是很值在设计时是很 准确的 但在实际应用时 准确的 但在实际应用时 因不好量度 常用机械镜筒长因不好量度 常用机械镜筒长 机械镜筒长度 机械镜筒长度 是指从显微镜目镜接口处到显微镜上物镜上物镜接口处之直线距离 每一是指从显微镜目镜接口处到显微镜上物镜上物镜接口处之直线距离 每一 物镜上都用数字标明了机械镜筒长度 物镜上都用数字标明了机械镜筒长度 在使用中如选用另一台显微镜的物在使用中如选用另一台显微镜的物 镜时 其机械镜筒长度必须相同 这时倍数才有效 否则 显微镜的放大镜时 其机械镜筒长度必须相同 这时倍数才有效 否则 显微镜的放大 倍数应予修正 应为
13、倍数应予修正 应为 式中 式中 C C 为修正系数 修正系数可用物镜测微尺和目镜测微尺定为修正系数 修正系数可用物镜测微尺和目镜测微尺定 度出来度出来 13 物镜的数值孔径物镜的数值孔径 数值孔径是反映物镜的集光能力 数值孔径是反映物镜的集光能力 集光能力与进入物镜之光线锥所张开集光能力与进入物镜之光线锥所张开 的角度的角度 孔径角有重要关系 孔径角有重要关系 根据理论的推算和试验证明 根据理论的推算和试验证明 显微镜对于试样上细微部分的鉴别能力 主显微镜对于试样上细微部分的鉴别能力 主 要决定于孔径角的大小 要决定于孔径角的大小 孔径角越大从试样上反射进入物镜的光线就越多 孔径角越大从试样上
14、反射进入物镜的光线就越多 鉴别能力就高 呈象鲜明 鉴别能力就高 呈象鲜明 在物镜上可以看到标有在物镜上可以看到标有0 300 30或或0 650 65或或0 950 95等数值 等数值 这就是这就是 数值孔径数值孔径 的的数值 数值孔径通常以符号数值 数值孔径通常以符号 N A N A 或或 A A 表示 表示 N A n sin N A n sin 式中 式中 n n 物镜与观察物之间的介质折射率 物镜与观察物之间的介质折射率 物镜孔径角的半角 物镜孔径角的半角 亦可称角孔径 亦可称角孔径 n n和和 越大 越大 N AN A值也越大 增大物镜孔径角 使值也越大 增大物镜孔径角 使N AN
15、A值增大有几种办法 值增大有几种办法 14 a a 增大透镜直径 增大透镜直径 但物镜直径的增大会使球面象差和色象差增大 因此 在显微物镜中一 但物镜直径的增大会使球面象差和色象差增大 因此 在显微物镜中一 般不采用 般不采用 b b 增大透镜经缩短焦距的办法 增大透镜经缩短焦距的办法 c c 增大介质折光率 增大介质折光率 一般物镜与物体间的介质是空气 光线在空气中的折射率 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 1n 1 若物镜与 若物镜与 试样之间滴入一种折射率大又能透光的介质油 最常用的介质是松柏油试样之间滴入一种折射率大又能透光的介质油 最常用的介质是松柏油 n 1 5
16、15 n 1 515 其数值孔径将大大提高 同样直径 焦距的物镜 因为改变了介 其数值孔径将大大提高 同样直径 焦距的物镜 因为改变了介 质 将会明显提高物镜的数值孔径值 物镜在设计和使用中指定以空气为介质 将会明显提高物镜的数值孔径值 物镜在设计和使用中指定以空气为介 质的称干系物镜 指定需加油作为介质使用的称油浸物镜 物镜的孔径角一质的称干系物镜 指定需加油作为介质使用的称油浸物镜 物镜的孔径角一 般不超过般不超过140 140 对于干系物镜最大数值孔径 对于干系物镜最大数值孔径N A 0 94N A 0 94 而对于油镜 因为介 而对于油镜 因为介 质为松柏油 质为松柏油 n 1 515n 1 515 则其最大数值孔径 则其最大数值孔径N A 1 42N A 1 42 当用 当用 壹代溴荼为介壹代溴荼为介 质时 质时 n 1 658n 1 658 最高数值孔径可达 最高数值孔径可达1 601 60 15 16 物镜的标记物镜的标记 国内外显微镜物镜常用标记国内外显微镜物镜常用标记 物镜类型物镜类型国内用标记国内用标记国外用标记国外用标记 消色差物镜消色差物镜 复消色差复消色差 半
