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1、实验一 金相显微镜的原理、结构和使用一、实验目的1.了解金相显微镜的结构原理，熟悉各种零件的性能和功用。2.掌握分辨率的概念及其影响因素。3.学会正确操作金相显微镜。二、实验原理利用金相显微镜观察金相试样的组织或缺陷的方法称为金相显微分析。它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术，在金属材料研究领域中占有很重要的地位。在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜。这里仅对常用的光学金相显微镜作一般介绍。（一） 显微镜的基本原理、构造及使用1. 显微镜的基本原理图1.1 成像光学原理最简单的显微镜可以仅由两个透镜组成。图1-1为相显微镜成像的光学原理示意图。图中AB为被观察的
2、物体，对着被观察物体的透镜O1叫物镜；对着人眼的透镜O2叫目镜。物镜使物体AB形成放大的倒立实像AB，目镜再将AB放大成仍然倒立的虚像AB。其位置正好在人眼的明视距离（约250mm）处。在显微镜中所观察的就是这个虚像AB。(1) 显微镜的放大倍数放大倍数由下式确定：式中：M显微镜总放大倍数； M物物镜的放大倍数； M目目镜的放大倍数；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）。由上式可知：f物 、f目越短或L越长，则显微镜的放大倍数越大。(2) 物镜的鉴别率物镜的鉴别率是指物镜能清晰分辨试样两点间最小距离的能力。物镜鉴别率的数学公式为：式中：d物镜的鉴别率
3、；入射光源的波长；A物镜的数值孔径，它表示物镜的聚光能力。由公式可知，波长越短，数值孔径A越大，则鉴别能力就越高（d越小），在显微镜中就能看到更细微的部分。数值孔径A可由下列公式求出： 式中：物镜与物体之间介质的折射率；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的角度。越大或物镜孔径角越大，则数值孔径越大，由于总是小于90，所以在空气介质（=1）中使用时，数值孔径A一定小于1，这类物镜称干系物镜。当物镜上面滴有松柏油介质（=1.52）时，A值最高可达1.4，这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜，每个物镜都有一个设计额定的A值，刻在物镜体上。(3) 显微镜的有效放大倍数由M=M目M物
4、知，显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜来组合。如45倍的物镜乘以10倍的目镜或者15倍的物镜乘以30倍的目镜都是450倍。对于同一放大倍数，如何合理选用物镜和目镜呢？应先选物镜，一般原则是使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的5001000倍，即这个范围称为显微镜的有效放大倍数范围,若M1000A,则形成“虚伪放大”，组织的细微部分将分辨不清。待物镜选定后，再根据所需的放大倍数选用目镜。(4) 景深：即垂直鉴别率，反映了显微镜对于高低不同的物体能清晰成像的能力。式中：M放大倍数；R半孔径角；波长； n介质折射率。由式可知n、R越大，景深越小；物距增加，景深增加。在进行断口分析时，为获得
5、清晰的断口凹凸图像，景深不能太小。(5) 透镜的几何缺陷单色光通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点，则使放大后的象模糊不清，此现象称球面象差。多色光通过透镜后，由于折射率不同，使光线不能交于一点也会造成模糊图像，此现象称色象差。减小球面象差的办法：可通过制造物镜时采用不同透镜组合进行校正；调整孔径光栏，适当控制入射光束等办法降低球面象差。减小色象差办法：可通过物镜进行校正或采用滤色片获得单色光的办法降低色象差。2. 显微镜的构造图1-2为不同型式的金相显微镜的基本构造及光学行程。图1-2 金相显微镜的基本构造及光学行程金相显微镜分为台式、立时及卧式三种类型，各种类型又有许多不同的型
6、号。虽然显微镜的型号很多，但基本构造大致相同，现以国产4x型金相显微镜为例说明其结构和成像原理。图1-3 X型型金相显微镜的光学系统1灯泡；2聚光透镜组；3聚光镜；4半反射镜；5辅助透镜；6物镜组；7试样；8反光镜；9孔径光阑；10视场光阑；11辅助透镜；12、13棱镜；14物镜图1-4国产4XB倒立式金相显微镜图1-3是上海光学仪器厂生产的台式金相显微镜的光学系统图。自灯泡(1)发出一束光线，经过聚光镜(2)的会聚及反光镜(7)的反射，将光线均匀地聚集在孔径光栏(8)上，随后经聚光镜(3)再度将光线聚焦在物镜(6)的后面，最后光线通过物镜而使物体表面得到照明。从物体反射回来的光线又通过物镜和
7、补助透镜(5)，由半反射镜(4)反射后，在经过辅助透镜(10)及棱镜(11)、(12)等一系列光学元件构成一个倒立放大的实像。但这一实像还必须经过目镜(13)的再度放大，这样观察者就能从目镜中看到物体表面被放大的像。显微镜各零件的性能见图1-4。三、实验用设备、仪器和材料双目倒置式4XB-金相显微镜，工业纯铁金相样品四、实验步骤1.每人领取一个实验室制备好的纯铁样品，分别在制定的显微镜上进行观察，从中学会调焦、选用合适的孔径光阑和视场光阑、确定放大倍数及移动载物台的方法。2.选用不同的物镜，不同大小的孔径光阑和视场光阑，对样品的同一部分来进行观察，分析影响分辨率的因素，并与实验室内陈列的分辨率
8、与数值孔径、光阑之间关系的照片对照。3.描绘观察到的显微组织。金相显微镜是一种比较精密的仪器，使用时必须严格按照操作注意事项进行，具体操作步骤如下：(1) 熟悉显微镜的原理和结构，了解各零件的性能和功用；(2) 按观察要求，选择适当的目镜和物镜，调节粗调螺丝，将载物台升高，装上目镜，取下目镜盖，装上目镜。(3) 将试样放在载物台上，抛光面对着物镜。(4) 接通电源，若光源是6V低压钨丝灯泡，要注意电源须经降压变压器再接入灯泡。(5) 按观察要求，选用适当地滤色片。(6) 调节粗调螺丝，使物镜见见与试样靠近，同时在目镜中观察视场由暗到明，直到看到显微组织为止，再调细调螺丝至看到清晰显微组织为止。
9、注意调节时要缓慢些，切勿使镜头与试样相碰。(7) 根据观察到的组织情况，按需要调节孔径光阑和视域光阑到适当位置（使获得组织清晰、衬度均匀的图象）。(8) 移动载物台，对试样各部分组织进行观察，观察结束后切断电源，将金相显微镜复原。注：使用显微镜时应注意的事项(1) 操作者的手必须洗净擦二，并保持环境的清洁、干燥；(2) 用低压钨丝灯光作光源时，接通电源必须通过变压器，切不可误接在220V电源上；(3) 更换物镜，目镜时要格外小心，严防失手落地；(4) 调节物体和物镜前透镜间轴向距离（以下简称聚集）时，必须首先弄清粗调旋钮转向与载物台升降方向的关系，初学者应该先用粗调旋钮将物镜调至尽量靠近物体，
10、但绝不可接触。(5) 然后仔细观察视场内的亮度并同时用粗调旋钮缓慢将物镜向远离物体方向调节。待视场内忽然变得明亮甚至出南映象时，换用微调旋钮调至映象最清晰为止。(6) 用油系物镜时，滴油量不宜过多，用完后必须立即用二甲苯冼净，擦干；(7) 待观察的试样必须完全吹干，用氢氟酸浸蚀过的试样吹干时间要长些，因氢氟酸对镜片有严重腐蚀作用。五、实验报告要求叙述金相显微镜成像原理、光路图、构造和使用注意事项；讨论影响金相显微镜分辨率的因素。六、思考题1.选择数值孔径的实际意义是什么？它与有效孔径放大倍数有什么关系？为了得到1200倍的放大率，应如何选配金相显微镜的物镜和目镜？2.分析提高显微镜分辨率的可能
11、途径。3.试从透镜成像原理的角度分析调焦操作的作用。实验二 金相样品的制备一、实验目的1.初步掌握制备金相样品的常规方法及要点。2.了解影响制样质量的因素及金相特征。3.进一步熟悉金相显微镜的操作和使用。二、实验原理随着科学技术的发展，研究金属材料内部组织的手段也有不断增加。但是光学金相显微分析仍是一种最基本和最常用的方法。光学金相显微分析的第一步是制备试样，将待观察的试样表面磨制成光亮无痕的镜面，然后经过 浸蚀才能分析组织形态。如因制备不当，在观察上出现划痕、凹坑、水迹、变形层或浸蚀过深过浅都会影响正确的分析。因此制备出高质量的试样对组织分析是很重要的。金相试样制备过程一般包括：取样、粗磨、
12、细磨、抛光和浸蚀五个步骤。（一）取样从需要检测的金属材料和零件上截取试样称为“取样”。取样的部位和磨面的选择必须根据分析要求而定。截取方法有多种，对于软材料可以用锯、车、刨等方法；对于硬材料可以用砂轮切片机或线切割机等切割的方法，对于硬而脆的材料可以用锤击的方法。无论用哪种方法都应注意，尽量避免和减轻因塑性变形或受热引起的组织失真现象。试样的尺寸度列统一规定，从便于握持和磨制角度考虑，一般直径或边长为1520mm，高为1218mm比较适宜，对那些尺寸过小，形状不规则和需要保护边缘的试样，可以采取镶嵌或机械夹持的办法，如图2-1所示。镶嵌材料（塑料或低熔点合金）铜管或塑料管（a）镶嵌试样 （b）
13、环形夹具夹持试样（c）平板夹具夹持试样图2-1 镶嵌及夹持试样金相试样的镶嵌，是利用热塑塑料（如聚氯乙烯），热固性塑料（如胶木粉）以及冷凝性塑料（如环氧树脂+固化剂）作为填料进行的。前两种属于热镶填料，热镶必须在专用设备镶嵌机上进行。第三种属于冷镶填料，冷镶方法不需要专用设备，只将适宜尺寸（约1520mm）的钢管、塑料管或纸壳管放在平滑的塑料（或玻璃）板上，试样置于管内，待磨面朝下倒入填料，放置一段时间凝固硬化即可。（二）粗磨粗磨的目的主要有以下三点：1）修整有些试样，例如用锤击法敲下来的试样，形状很不规则，必须经过粗磨，修整为规则形状的试样。2）磨平无论用什么方法取样，切口往往不十分平滑，为
14、发将观察面磨平，同时去掉切割时主生的变形层，必须进行粗磨。3）倒角在不影响观察目的的前提下，需将试样上的棱角磨掉，以免划破砂纸和抛光织物。黑色金属材料的粗磨在砂轮机上进行，具体操作方法是将试样牢牢地捏住，用砂轮的铡面磨制。在试样与砂轮接触的一瞬间，尽量使磨面与砂轮面平行，用力不可过大。由于磨削力的作用往往出现试样磨面的上半部分磨削量偏大，故需人为地进行调整，尽量加大试样下半部分的压力，以求整个磨面均匀受力。另外在磨制过程中，试样必须沿砂轮的径向往复缓慢移动，防止砂轮表面形成凹沟。必须指出的是，磨削过程会使试样表面温度骤然升高，只有不断地将试样浸水冷却，才能防止组织发生变化。砂轮机转速比较快，一
15、般为2850r/min，工作者不应站在砂轮的正前方，以防被尽出物击伤。操作时严禁戴手套，以免手被卷入砂轮机。关于砂轮的选择，一般是遵照磨硬材料选稍软些的，磨软材料选择稍硬些的基本原则，用于金相制样方面的砂轮大部分是：磨料粒度为40号、46号、54号、60号（数字愈大愈细）；材料为白刚玉（代号为GB或WA）、绿碳化硅（代号为TL或GC）、棕刚玉（代号为GZ或A）和黑碳化硅（代号为TH或C）等；硬度为中软1（代号为ZR1或K）的平砂轮，尺寸多为250mm25mm32mm（外径厚度孔径）有色金属，如铜、铝及其合金等，因材质很软，不可用砂轮而且要作锉刀进行粗磨，以免磨悄填塞砂轮孔隙，且使试样产生较深的磨痕和严重的塑性变形层。（三）细磨粗磨后的试样
