实验一金相显微镜的使用与金相组织的观察
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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,