金相组织检测技术

今日光学---金相技术(一)

摘要:现代金相显微镜已普遍采用无限远光学系统设计，并广泛使用平场消色差物镜、广视场目镜、高倍干物镜；一般均装备有明视场、暗视场、偏振光、DIC等常用的照明方式。显微照相也走进了数字化时代，部分取代了传统的暗室操作。对金相试样制备的要求，传统的观点强调获得无磨痕的光亮表面，而现代观点则强调试样表面变形损伤层的有效去除。多种新型制备表面和多晶金刚石、立方氮化硼、非晶态胶体状二氧化硅等新型磨料的使用，大大减少了试样制备工序的数目，不仅提高了试样制备的质量和效率，而且还能降低试样制备的成本。

关键词:光学金相技术；无限远光学系统；数字化图象；损伤层；新型制备表面；微差干涉衬度众所周知，热处理是机械产品生产过程中的重要一环，在热处理过程中，零件的相组成或显微组织会发生一定的变化。因此，零件原材料和热处理后的显微组织检验是质量控制的重要手段。本文简要介绍金相显微镜和金相试样制备技术和设备的最新进展。

1 金相显微镜

金相显微镜由于易于操作、视场较大、价格相对低廉，直到现在仍然是常规检验和研究工作中最常使用的仪器。近年来金相显微镜的改进主要有以下几点：

1.1普遍采用无限远光学系统

物镜按照无限远象距进行设计而不是象常规物镜那样按照有限象距进行设计，这种光学系统称为无限远色差和象差校正的光学系统或简称无限远光学系统。使用这种光学系统时，当入射光从试样表面反射再次进入物镜后，并不收敛而是保持为平行光束，直到通过镜筒透镜后才收敛并形成中间象，即一次放大实象，然后才供目镜再次放大。无限远光学系统的优点是显微镜中的各种光学附件（如暗视场光束分离器、偏振光分离器、用于DIC（微差干涉衬度）的Wollaston棱镜、检偏振镜，以及其它附加滤色镜等）都可以放置在物镜凸缘与镜简透镜之间平行光束的空间，由于成象光束没有受到上述光学附件的干扰，物象的质量不会受到损害，从而简化了物镜设计中色差和象差的校正。此外，在无限远光学系统中，镜筒长度系数保持为一，无论物镜与目镜之间的距离有多远，也不需要一个固定的中转透镜系统。目前，德国的CarlZeiss公司和Leica公司、日本的Nikon公司和Olympus公司生产的金相显微镜均已先后采用无限远光学系统设计。

1.2同焦面性设计

在新型显微镜中，更换物镜及目镜后不须重新调焦，一般只需略微调节微调旋钮，就可以使物象准确聚焦。为此，物镜和目镜的光学机械尺寸应满足同焦面性的要求，即：①所有物镜的共轭距离（即从试样表面到物镜初次放大实象象面之间的距离）相等：②所有物镜初次放大实象到目镜镜筒口的距离不变；③

所有目镜的焦面与物镜初次放大实象的象面重合。同焦面性并不是物镜或目镜的一个固有特性，而是在新型显微镜的设计中为了便于使用者的操作而采取的一种措施。

1.3对显微镜有效放大倍数的再认识

显微镜的有效放大倍数（M）与物镜数值孔径（NA）的关系可以表示为：550NA＜M＜1100NA，长期以来，显微镜使用者一直遵循这一关系式。但是，VanderVoort在其所著《金相学——原理与实践》一书中指出，上式是在用理想的眼睛观察具有理想反差物象的条件下推导出的，因此不要当做教条来遵循。实际上，分辨率不仅与物镜的分辨率有关，而且还与物象的反差有关。此外，照明条件、放大倍数、物镜质量，以及观察条件都会影响物象的反差，因而也会影响分辨率。他指出，为了获得最高分辨率，最低有效放大倍数应当是最佳条件下的4倍左右，即M≈2200NA；同时，使用4000×或更高放大倍数的显微照片也是完全合理的。

1.4平场消色差物镜

现今新型显微镜已经普遍使用平场消色差物镜，甚至还可以配置更高级的平场复消色差物镜。老式物镜初次放大实象的直径只有18mm～20mm，而平场消色差物镜则规定高度校正的初次放大平面象的直径为

28mm，即象场面积增大了一倍，并使象场弯曲得到了很好的校正。

1.5高倍干物镜

为了便于观察高倍显微组织，现今显微镜一般均备有高倍干物镜。尽管干物镜的分辨率明显低于油浸物镜（100×油浸物镜的NA值一般可达1.40），但由于简化了操作并使试样免于被油污染，现今已获得更为广泛的使用。近年来，德国公司生产的系列显微镜甚至还配置有更高倍数（250×）的干物镜，尽管其NA值只有0.90，但是用它来进行观察或拍照，已经很容易使其放大倍数远超过传统上使用的数值（1100NA），这进一步证实了以上第1.3小节介绍的观点是正确的。

1.6广视场目镜

广视场目镜的结构特点是场光阑显著增大，一般为22mm～26.5mm（老式目镜的场光阑直径只有16mm），充分利用了平场物镜扩大了的象场面积。

此外，有的显微镜还配置有高眼点目镜，使眼睛有缺陷（如散光）的人可以戴着眼镜进行观察，物象的质量可以免受眼睛缺陷的影响。由于平场消色差物镜和广视场目镜的推广使用，使显微组织观察的视域扩大了许多，这也相应提高了对显微镜载物台加工精度和试样制备质量的要求。

1.7长工作距离物镜

有些显微镜生产厂商还推出一些工作距离较长的物镜，这是为了适应生产检验或特殊需要（例如高温台）而设计的。通常情况下，物镜的放大倍数越高，工作距离（即物象聚焦时，物镜接物透镜与试样之间

的距离）越短，为了避免物镜因工作中不慎触及试样或受热而损坏，于是就设计了这种特殊物镜。例如可以看出，长工作距离物镜的数值孔径即分辨率有所下降，不过成像质量仍然不错。

1.8多功能紧凑设计

在人们的印象中，只有大型卧式显微镜才是功能齐全的高级设备。但是，现今生产的显微镜（包括高级研究型）基本上都采用紧凑的台式设计并使用先进的平场消色差物镜或平场复消色差物镜以及广视场目镜。有的显微镜还配有电动控制的物镜回转头，只需按下按钮，所需的物镜就会自动旋入光程，孔径光阑和视场光阑的大小也能随着物镜的更换自动进行调整。照明方式则有明视场、暗视场、偏振光、微差干涉衬度（DIC）等四种最常用的照明方式，而且照明方式的变换也极为简便。此外，观察到的物象也是正置而不是反置，使物象的移动方向与载物台的移动方向一致，大大便利了操作。

图1所示的台式显微镜具有低载物台设计，载物台的万向节操纵手柄使载物台能非常方便地沿x轴和y轴方向来回移动。当照明方式在明视场与暗视场之间变换时，孔径光阑的调整由内置的连动装置自动完成。有40种以上放大倍数从1.5×到200×的物镜可供选用，无限远光学系统的每一个光学元件都单独地进行了色差校正，从而保证获得清晰的物象。各种测量标尺均放置在初次放大实象位置，因此，始终保持聚焦，不受试样表面形貌的影响。2.5×连续变倍装置（从0.8×到2.0×，物象始终保持清晰）可用于观察和显微照相，当旋钮调到1.0×，1.25×，1.5×处时，还可以听到喀哒停顿声。图2所示的显微镜是一种先进的研究型显微镜，1×～2×连续变倍装置不仅可用于观察，而且可用于所有的接口。

图3为CarlZeiss公司生产的Axiovert40MAT型倒置式金相显微镜，适用于繁忙的材料实验室的质量检验、材料分析、金属加工工艺分析、材料研制等项工作，以及玻璃和塑料工业、研究机构和学校教学使用。该显微镜坚固的载物台可以放置比较重的大零件，并备有长工作距离物镜。

图3 CarlZeissAxiovert40MAT型倒置式金相显微镜