1、本章介紹了本章介紹了金相顯微鏡的原理、構(gòu)造及使用金相顯微鏡的原理、構(gòu)造及使用 金相分析是研究材料內(nèi)部組織和缺陷的主要方法之金相分析是研究材料內(nèi)部組織和缺陷的主要方法之一，它在材料研究中占有重要的地位。利用金相顯微一，它在材料研究中占有重要的地位。利用金相顯微鏡將試樣放大鏡將試樣放大10015001001500倍來研究材料內(nèi)部組織的方法倍來研究材料內(nèi)部組織的方法稱為金相顯微分析法，是研究金屬材料微觀結(jié)構(gòu)最基稱為金相顯微分析法，是研究金屬材料微觀結(jié)構(gòu)最基本的一種實驗技術(shù)。顯微分析可以研究材料內(nèi)部的組本的一種實驗技術(shù)。顯微分析可以研究材料內(nèi)部的組織與其化學(xué)成分的關(guān)系；可以確定各類材料經(jīng)不同加織與其化

2、學(xué)成分的關(guān)系；可以確定各類材料經(jīng)不同加工及熱處理后的顯微組織；可以判別材料質(zhì)量的優(yōu)劣，工及熱處理后的顯微組織；可以判別材料質(zhì)量的優(yōu)劣，如金屬材料中諸如氧化物、硫化物等各種非金屬夾雜如金屬材料中諸如氧化物、硫化物等各種非金屬夾雜物在顯微組織中的大小、數(shù)量、分布情況及晶粒度的物在顯微組織中的大小、數(shù)量、分布情況及晶粒度的大小等。大小等。金相顯微鏡的基本理論知識金相顯微鏡的基本理論知識 顯微鏡的成像原理：顯微鏡的成像原理：ABFFABabf實像放大 ABFFABabf虛像放大 BDAABf物L(fēng)ABf目F1F2物鏡目鏡人眼顯微鏡光學(xué)原理 由于物理條件的限制，實際光學(xué)系統(tǒng)的成像與近軸光線成像不同，兩者存

3、在偏離，這種相對于近軸成像的偏離就叫做像差。像差的產(chǎn)生降低了光學(xué)儀器的精確性。按像差產(chǎn)生原因可分為兩類：一類是單色光成像時的像差，叫做單色像差。如球差、像場彎曲和畸變均屬單色像差；另一類是多色光成像時，由于介質(zhì)折射率隨光的波長不同而引起的像差，叫做色差。 透鏡成像的主要缺陷就是球面差和色差（波長差）。球面差是透鏡成像的主要缺陷就是球面差和色差（波長差）。球面差是指由于球面透鏡的中心部分和邊緣部分的厚度不同，造成不同折指由于球面透鏡的中心部分和邊緣部分的厚度不同，造成不同折射現(xiàn)象，致使來自于試樣表面同一點上的光線經(jīng)折射后不能聚集射現(xiàn)象，致使來自于試樣表面同一點上的光線經(jīng)折射后不能聚集于一點，因此

4、使映像模糊不清。球面像差的程度與光通過透鏡的于一點，因此使映像模糊不清。球面像差的程度與光通過透鏡的面積有關(guān)。光圈越大，光線通過透鏡的面積越大，球面像差就越面積有關(guān)。光圈越大，光線通過透鏡的面積越大，球面像差就越嚴(yán)重；反之，縮小光圈，限制邊緣光線射入，使用通過透鏡中心嚴(yán)重；反之，縮小光圈，限制邊緣光線射入，使用通過透鏡中心部分的光線，可減小球面像差。但光圈太小，也會影響成像的清部分的光線，可減小球面像差。但光圈太小，也會影響成像的清晰度。晰度。 色差的產(chǎn)生是由于白光中各種不同波長的光線在穿過透鏡時折射率不同，其中紫色光線的波長最短，折射率最大，在距透鏡最近處成像；紅色光線的波長最長，折射率最小

5、，在距透鏡最遠(yuǎn)處成像；其余的黃、綠、藍(lán)等光線則在它們之間成像。這些光線導(dǎo)致所成的像帶有彩色邊緣的光環(huán)。 顯微鏡的質(zhì)量顯微鏡的質(zhì)量 顯微鏡的質(zhì)量主要取決于透鏡的質(zhì)量、放大倍數(shù)和顯微鏡的質(zhì)量主要取決于透鏡的質(zhì)量、放大倍數(shù)和鑒別能力。鑒別能力。 物鏡是由若干個透鏡組合而成的一個透鏡組。組合物鏡是由若干個透鏡組合而成的一個透鏡組。組合使用的目的是為了克服單個透鏡的成像缺陷，提高物使用的目的是為了克服單個透鏡的成像缺陷，提高物鏡的光學(xué)質(zhì)量。顯微鏡的放大作用主要取決于物鏡，鏡的光學(xué)質(zhì)量。顯微鏡的放大作用主要取決于物鏡，物鏡質(zhì)量的好壞直接影響顯微鏡映像質(zhì)量，物鏡質(zhì)量的好壞直接影響顯微鏡映像質(zhì)量， 類型類型根

6、據(jù)對透鏡球面像差和色差的校正程度不同，可將根據(jù)對透鏡球面像差和色差的校正程度不同，可將物鏡分為消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡、平面消色差物物鏡分為消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡、平面消色差物鏡、平面復(fù)消色差物鏡、半復(fù)消色差物鏡等多種。鏡、平面復(fù)消色差物鏡、半復(fù)消色差物鏡等多種。 物鏡的放大倍數(shù)，是指物鏡在線長度上放大實物倍數(shù)物鏡的放大倍數(shù)，是指物鏡在線長度上放大實物倍數(shù)的能力指標(biāo)。有兩種表示方法，一種是直接在物鏡上刻的能力指標(biāo)。有兩種表示方法，一種是直接在物鏡上刻度出如度出如8、10、45等；另一種則是在物鏡上刻度出等；另一種則是在物鏡上刻度出該物鏡的焦距該物鏡的焦距f，焦距越短，放大倍數(shù)越高。后一種物鏡

7、，焦距越短，放大倍數(shù)越高。后一種物鏡放大倍數(shù)公式為放大倍數(shù)公式為M物物=L/f物物，L是光學(xué)鏡筒長度，是光學(xué)鏡筒長度，L值在設(shè)值在設(shè)計時是很準(zhǔn)確的，但實際應(yīng)用時，因不好量度，常用機(jī)計時是很準(zhǔn)確的，但實際應(yīng)用時，因不好量度，常用機(jī)械鏡筒長度。械鏡筒長度。 鏡筒長度是指物鏡底面到目鏡頂面的距離。由于鏡筒長度是指物鏡底面到目鏡頂面的距離。由于物鏡的像差是依據(jù)一定位置的映像來校正的，因此物物鏡的像差是依據(jù)一定位置的映像來校正的，因此物鏡一定要在規(guī)定的機(jī)械鏡筒長度上使用，一般顯微鏡鏡一定要在規(guī)定的機(jī)械鏡筒長度上使用，一般顯微鏡的機(jī)械鏡筒長度多為的機(jī)械鏡筒長度多為160mm、170mm、190mm。 數(shù)值

8、孔徑表征物鏡的聚光能力，是物鏡的重要性質(zhì)之一，通常以“NA”表示。物鏡的數(shù)值孔徑大小決定了物鏡的分辨能力（鑒別）及有效放大倍數(shù)。根據(jù)推導(dǎo)得出： NA=nsin 式中 n物鏡與觀察物之間的介質(zhì)折射率 （空氣為1，松柏油為1.515）物鏡的孔徑半角， 在物鏡外殼上刻有不同的標(biāo)記浸液記號、物鏡類別、放大率、在物鏡外殼上刻有不同的標(biāo)記浸液記號、物鏡類別、放大率、數(shù)值孔徑、機(jī)械筒長度、蓋玻片厚度。油：表示浸液為松柏油；數(shù)值孔徑、機(jī)械筒長度、蓋玻片厚度。油：表示浸液為松柏油；100/1.25：表示物鏡放大率為：表示物鏡放大率為100倍，數(shù)值孔徑倍，數(shù)值孔徑1.25；160/0：表：表示機(jī)械鏡筒長度為示機(jī)械

9、鏡筒長度為160mm；“0”表示無蓋玻片。有些物鏡刻有表示無蓋玻片。有些物鏡刻有160/-：表示機(jī)械鏡筒長度為：表示機(jī)械鏡筒長度為160mm?！?”表示可有可無蓋玻片。表示可有可無蓋玻片。在物鏡上刻有色圈表示物鏡的放大率。高倍物鏡通常都為油浸系，在物鏡上刻有色圈表示物鏡的放大率。高倍物鏡通常都為油浸系，油鏡頭用油鏡頭用“油油”（或（或OiI， L，HL）或外殼涂一黑圈來表示。）或外殼涂一黑圈來表示。 顯微鏡的鑒別能力主要決定于物鏡。物鏡的鑒別能力可分為平面和垂直鑒別能力。平面鑒別能力即物鏡的分辨率是指物鏡所具有的將顯微組織中兩物點清晰區(qū)分的最小距離d的能力。兩物點間最小距離d愈小，物鏡的分辨能

10、力愈高。 d=/2NANA物鏡的數(shù)值孔徑。 在顯微鏡中，能充分利用物鏡分辨率的最低放大倍數(shù)稱在顯微鏡中，能充分利用物鏡分辨率的最低放大倍數(shù)稱為有效放大倍數(shù)。人眼在明視距離（為有效放大倍數(shù)。人眼在明視距離（250mm250mm）處的分）處的分辨距離為辨距離為0.150.30mm0.150.30mm，因此，顯微鏡應(yīng)將物鏡能分，因此，顯微鏡應(yīng)將物鏡能分辨的最小距離辨的最小距離d d放大到放大到0.150.30mm0.150.30mm時方使其被人眼所時方使其被人眼所分辨。若以分辨。若以MMa a表示顯微鏡的有效放大倍數(shù)，則表示顯微鏡的有效放大倍數(shù)，則 Ma=(0.30.6)NA/ 若用黃綠色光 = 5

11、50010-7 m代入上式：Mmin=20.15 NA/550010-7=500 NAMmax=20.30 NA/550010-7=1000 NAMminMmax之間的放大倍數(shù)范圍就是顯微鏡的有效放大倍數(shù)。 垂直鑒別能力即物鏡垂直分辨率又稱景深，是指物鏡所具有在景深方面能清晰造像的能力，即垂直方面能清晰造像的最大景深深度，深度越大表示垂直鑒別率越大。 目鏡也是顯微鏡的主要組成部分，它的主要作用是將由物鏡放大目鏡也是顯微鏡的主要組成部分，它的主要作用是將由物鏡放大所得的實像再次放大，從而在明視距離處形成一個清晰的虛像；因所得的實像再次放大，從而在明視距離處形成一個清晰的虛像；因此它的質(zhì)量將最后影

12、響到物像的質(zhì)量。此它的質(zhì)量將最后影響到物像的質(zhì)量。 目鏡由兩部組成，位于上端的透鏡稱目透鏡，起放大作用；下端目鏡由兩部組成，位于上端的透鏡稱目透鏡，起放大作用；下端透鏡稱會聚透鏡或場透鏡，使映像亮度均勻。在上下透鏡的中間或透鏡稱會聚透鏡或場透鏡，使映像亮度均勻。在上下透鏡的中間或下透鏡下端，設(shè)有一光欄，測微計、十字玻璃、指針等附件均安裝下透鏡下端，設(shè)有一光欄，測微計、十字玻璃、指針等附件均安裝于此。目鏡的孔徑角很小，故其本身的分辨率甚低，但對物鏡的初于此。目鏡的孔徑角很小，故其本身的分辨率甚低，但對物鏡的初步映像進(jìn)行放大已經(jīng)足夠。常用的目鏡放大倍數(shù)有：步映像進(jìn)行放大已經(jīng)足夠。常用的目鏡放大倍數(shù)

13、有：8、10、12.5、16等多種。按其構(gòu)造形式，一般可分為福根目鏡、雷斯登等多種。按其構(gòu)造形式，一般可分為福根目鏡、雷斯登目鏡、補(bǔ)償目鏡、測微目鏡、攝影目鏡、廣角目鏡等。目鏡、補(bǔ)償目鏡、測微目鏡、攝影目鏡、廣角目鏡等。 物鏡的放大倍數(shù)可由下式得出：物鏡的放大倍數(shù)可由下式得出：MM物物= =L/FL/F1 1式中：式中：L L顯微鏡的光學(xué)筒長度（即物鏡后焦點與目鏡前焦點的距顯微鏡的光學(xué)筒長度（即物鏡后焦點與目鏡前焦點的距離）；離）；F F1 1物鏡焦距。物鏡焦距。而再經(jīng)目鏡放大后的放大倍數(shù)則可由以下公式計算：而再經(jīng)目鏡放大后的放大倍數(shù)則可由以下公式計算：MM目目= =D/FD/F2 2式中：式

14、中：D D人眼明視距離（人眼明視距離（250250mmmm）；）； F F2 2目鏡焦距。目鏡焦距。 顯微鏡的總放大倍數(shù)應(yīng)為物鏡與目鏡放大倍數(shù)的乘積，即：M總=M物M目=250L/F1*F2 在使用中如選用另一臺顯微鏡的物鏡時，其機(jī)械鏡筒長度必須相同，這時倍數(shù)才有效。否則，顯微鏡的放大倍數(shù)應(yīng)予以修正，應(yīng)為：M=M物M目C 式中：C為修正系數(shù)。金相顯微鏡的構(gòu)造通常由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)組成。 金相試樣的制備： 試樣的準(zhǔn)備過程包括取樣、鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕等工序。 取樣部位及觀察面的選擇，必須根據(jù)被分析材料或零件的失效特點、加工工藝的性質(zhì)以及研究的目的等等因素來確定。試樣尺寸不要太大，一

15、般一高度為1015 mm，觀察面的邊長或直徑為1525mm的方形或圓柱形較為合適。 尺寸過于細(xì)或有特殊要求的試樣，制備時要求把它鑲嵌起來。 試樣的磨制一般分為粗磨和細(xì)磨兩道工序。 軟材料一般用銼刀銼平。一般的鋼鐵材料通常在砂輪機(jī)上磨平。磨樣要利用砂輪的側(cè)面，以保證試樣磨平。試樣要不斷用水冷卻，以防止溫度升高導(dǎo)致組織變化。細(xì)磨有手工磨和機(jī)器磨兩種，手工磨是用手拿試樣在金相砂紙上磨平，磨制的時候盡量沿一個方向磨制，因為這樣容易磨制出劃痕方向一致樣品。 細(xì)磨后的試樣還需進(jìn)行拋光，目的是去除細(xì)磨時留下的磨痕，以獲得光亮而無劃痕的鏡面。試樣的拋光有機(jī)械拋光、電解拋光和化學(xué)拋光等方法。 拋光后的試樣磨面是一個鏡面，若直接放在顯微鏡下觀察，只能看到一片亮光，除了一些夾雜外，無法辨認(rèn)出試樣的組織。所以要進(jìn)行腐蝕處理，即進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕g，才能使顯微組織正確的顯現(xiàn)出來。金相試驗檢驗的意義金相試驗檢驗的意義1原材料檢驗：對原材料的冶金質(zhì)量情況如偏析、非金屬夾雜物分布類型與級別檢查；對鑄造材料的鑄造疏松、氣孔、夾渣組織均勻性檢查；對鍛造件的表面脫碳、過熱、過燒、裂紋、變形等情況檢查。2生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制：金相分析可以提供調(diào)整工