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1-1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（F1）略远一些的位置，由物体反射的光线通过物镜折射后得到一个倒立的放大的实像 A B；在目镜上观察时，经物镜放大的倒立实像A B落在目镜焦距F2内（在设计时安排好使目镜的焦点位置在F2以内），目镜又将A Bf次放大，人眼在（250mm）的明视距离处，看到一个经两次放大的倒立的虚像A〃B〃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总=M物X M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 0

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01。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）。

a b

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—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，贝U

N.A n sin

由此推出 M 有效二（0.15〜0.30）x 2N ：A = （0-30~ 0.6） N.A

例如40X 物镜的N.A=0.65，有效放大倍数为325—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。 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，