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′B′再次放大，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×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.sinθ

式中n—物镜与观察物之间介质的折射率

θ—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sinθ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OI。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）。

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：

式中：λ—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，则

由此推出M

有效=（0.15～0.30）×

λ

A

N.

2

=

λ

)6.0

~

30

.0(

N.A

例如40×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

图1-3 照明原理图 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，

目镜中看到光亮一片，若经过化学试剂侵蚀，易受侵蚀的相，或晶界处凹陷下去反光能力差，这样高低不同产生的漫散射使目镜中呈现不同明暗的组织。暗视场照明则是入射光束通过环行光栏及环行反射从物镜的四周斜射于目的物上，因此显微镜内是黑暗的，只有一些浮雕处（如某些夹杂物相）因漫散射的产生有部分光线可到达物镜，从目镜中看到的是明亮的，据此暗视场适用于观察平滑表面上细小微雕，即非金属夹杂物等的鉴定。

普通光学金相显微镜类型很多，从外观上主要分为台式，立式，卧式三大类；

按用途分为偏光显微镜，干涉显微镜，高温金相显微镜，体式显微镜。另外随着科学技术的发展，利用计算机和数码技术相结合的智能光学显微镜，改变了传统的金相观测、拍摄、洗相等烦琐的操作程序，它只需在光学显微镜上对接摄像头，把放大的试样通过摄像装置拍摄下来后输出到计算机里，我们可以打印下来，这样得出的金相图能更加准确的反映组织形貌。图1-4为数码技术显微镜的工作原理。

3．实验使用的显微镜

如图1-5 ，它属于台式金相显微镜，结构由三大部分组成：光学系统，照明系统和机械系统。

（1） 光学系统

主要由目镜和物镜两部分构成。

目镜：放大倍数有10×，12.5×，主要是使物镜放大的像再次放大，除观察目镜外还有测微目镜和照相目镜。 摄像装置 金相光学显微镜

计算机

打印机 输出图像 图1-4数码技术显微镜的工作原理