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实验金相显微技术

一、实验目的

1．了解金相显微镜的结构、原理，学会使用金相显微镜；

2．学会金相试样的制备和组织侵蚀显现，以及金属材料的显微分析法。

二、实验原理

对金属材料工作者和冶金学家，初期训练通常是辨认金相组织，进而研究金属合金的金相组织对其物理及机械性能的影响。辨认金相组织最容易的方法是通过金相显微镜观测金属形貌，进行显微分析。辨认组织特性：如晶粒大小，第二相及非金属夹杂物的大小，形状和分布，以及偏析和其他不均匀的情况。通过判断金相特性来解释金属及合金组织。而这些都会影响到金属及合金的性能，当用显微分析知道金相组织特点后，就能预言在使用中的性能。

1.金相显微镜的结构

本实验要学会使用金相显微镜，这里就现代金相显微镜结构中重要部件作一下介绍。任何一种金相显微镜均重要由光学系统、照明系统、机械系统、附件装置(涉及摄影或其它如显微硬度等装置)组成。目前我们使用的显微镜为奥林巴斯PME3倒置式金相显微镜。

光学系统

物镜和目镜是光学系统中重要的部件。

(1)物镜

物镜的放大倍数是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力指标。有两种表达方法：

其一直接在物镜上刻出如、、等字样；

其二是在物镜上刻度出该物镜的焦距，焦距越短，表达放大倍数越大。

后者物镜的放大倍数表达为：，指镜筒长度，(光学镜筒长度等于物镜的焦距与放大实像之间的距离)设计很准确，一般为一定值。

显微镜的鉴别能力重要取决于物镜。物镜的鉴别能力可分为平面和垂直两种。平面鉴别能力指物镜对显微组织所能获得清楚可分映像的能力。分辨率一般用能分辨两点间最短距离d的倒数1/d表达。从实际角度出发，我们就常直接用d来衡量显微镜的鉴别能力。垂直鉴别又称为景深，是物镜对高低不同的物体清楚透像的能力。垂直鉴别能力用h表达，指对高低不平的物体能清楚成像的最短距离。

物镜是显微镜中重要并且最贵重的零件。物镜有两种：即干燥的与油浸的。物镜与被研究物体的介质是空气，则物镜就称为干燥的。假如物镜与被研究物体间有液体(如一滴香柏油)，这种物镜就叫做油浸的。

油浸物镜与干燥物镜相比有很多优点，目前干燥物镜的放大率虽已达1500倍，但在放大率高的情况下(超过1000倍)仍使用油浸物镜，由于显微镜的鉴别率的数学公式：

式中d为二点间的距离，在显微镜中此二点的像是能区别的；为波长；A为孔径。由公式(4-1)可以看出，物镜数值孔径及波长对鉴别率是有影响的。

孔径角顶点位于物镜的焦点上，而其二边则连到物镜的边沿。数值孔径A可用下面的数学公式求得

式中为物镜孔径角的一半，n为物镜和物体间介质的折射率。

孔径角不能超过144，空气的折射率n=1因而事实上最大的数值孔径对干燥物镜而言A=1sin720.95。假如物镜和物体之间，用一滴折射率n＝1.51的香柏油，则该油浸物镜的最大数值孔径A=1.510.95=1.43。通常显微镜的放大率的下限等于孔径乘以500，上限等于孔径乘以1000，从上述可知，干燥物镜的最大数值孔径等于0.95，则其放大率的上限等于950，故其最大放大率将是1430倍，而油浸物镜的最大数值孔等于1.43倍，这也即是为什么在放大率超过1000倍时用油浸物镜的因素。

(2)目镜

通过物镜放大的像往往尺度还小，还不能为人眼所分辨。目镜能起到再放大的作用，使在显微观测时，在明视距离处能看到一个清楚放大的虚像；而在显微摄影时，通过投射目镜在承影屏上得到一个放大的倒立的实像。

照明系统

照明系统一般涉及光源、照明器、光阑尾炎、滤色片等。

(1)光源：光源应具有足够的发光强度且规定发光均匀，发热限度要低并容易对亮度、位置进行调节。光源一般有低压钨丝灯、氙等、超高压汞灯和碳弧灯几种。本仪器中采用卤素灯，它的原理是：碘分子在高温灯丝附近分解为碘原子，碘原子与灯泡壁上的钨在250～1200

(2)照明器：金相显微镜采用反射光照明，照明方式有明场和暗场照明。

明场照明是金相显微镜重要的照明方式。在明场照明中光源光线通过垂直照明器(图1)转90度角进入物镜，垂直地(或接近垂直地)射向样品表面。由样品反射回来的光线再通过物镜到目镜。假如试样是一个抛光的镜面，反射光几乎所有进入物镜成象，在目镜中可看到明亮的一片。假如试样抛光后再通过腐蚀，试样表面高低不平，则反射光将发生漫射，很少进入物镜成象，在目镜中看到的是暗黑色的象。如用平面玻璃做的垂直照明器，如图1所示。平面玻璃表面与光源光线成45度角，将光线反射进入物镜；由于投射在样品上的光线是垂直入射，因而成象平坦、清楚。此外，平面玻璃反射可使光线充满物镜的后透镜，有助于充足发挥物镜的鉴别能力，合用于中倍和高倍观测。

图1明场照明的光路图

图1明场照明的光路图

图2暗场照明的光路图

在鉴别非金属夹杂物等特殊用途中，往往要采用暗场照明。暗场照明与明场照明不同如图2所示)