《工程材料学》课程教学资源（实验讲义）金相显微镜的使用和金相试样的制备、Fe-Fe3C标准金相样品的显微观察.pdf_大学文库

当被观察物体AB置于物镜前焦点略远处时,物体的反射光线穿过物镜经折射后,得到一个放大的倒立实像A′B′(称为中间像)。若A′B′处于目镜焦距之内, 则通过目镜观察到的物像是经目镜再次放大了的虚像A"B”。由于正常人眼观察物体时最适宜的距离是250mm(称为明视距离),因此在显微镜设计上,应让虚像A"B 正好落在距人眼250mm处,以使观察到的物体影像最清晰。 2、金相显微镜的主要性能 (1)放大倍数显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M物和目镜放大倍数M的乘积,即 M=M物XM月≈LD 式中,f一物镜的焦距,fg-目镜的焦距;L一显微镜的光学镜筒长度;D 明视距离(250mm)。f物,f越短或L越长,则显微镜的放大倍数越高。有的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数,因为它的镜筒长度比一般显微镜短些。显微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证。物镜的最高放大倍数可达100倍,目镜的放大倍数可达25倍。在物镜和目镜的镜筒上,均标注有放大倍数。放大倍数常用符号表示,如100×,200×等 (2)鉴别率金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力。d值越小,鉴别率越髙。根据光学衍射原理,试样上的某一点通过物镜成像后,我们看到的并不是一个真正的点像,而是具有一定尺寸的白色团斑,四周围绕着许多衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时,成像后由于部分重迭而不能分清为两个点。只有当试样上两点距离达到某一d值时,才能将两点分辨清楚显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长(A)和物镜的数值孔径(A),而d与目镜无关,其d值可由下式计算: d 2A 在一般显微镜中,光源的波长可通过加滤色片来改变。例如,蓝光的波长(A 044u)比黄绿光(A=0.55u)短,所以鉴别率较黄绿光高25%。当光源的波长一定时可通过改变物镜的数值孔径A来调节显微镜的鉴别率。 (3)物镜的数值孔径物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力,如图1-2所示。数值孔径大的物镜聚光能力强,能吸收更多的光线,使物象更清晰。数值孔径A可由下式计算: A=n·snq 入射光线物自过辩图1-2物镜孔径角

2 当被观察物体 AB 置于物镜前焦点略远处时，物体的反射光线穿过物镜经折射后，得到一个放大的倒立实像 A′B′(称为中间像)。若 A′B′处于目镜焦距之内，则通过目镜观察到的物像是经目镜再次放大了的虚像 A″B″。由于正常人眼观察物体时最适宜的距离是250mm(称为明视距离)，因此在显微镜设计上，应让虚像A″B″ 正好落在距人眼 250mm 处，以使观察到的物体影像最清晰。 2、金相显微镜的主要性能 (1) 放大倍数显微镜的放大倍数为物镜放大倍数 M 物和目镜放大倍数 M 目的乘积，即：式中，f 物一物镜的焦距，f 目一目镜的焦距；L 一显微镜的光学镜筒长度；D 一明视距离(250mm)。f 物，f 目越短或 L 越长，则显微镜的放大倍数越高。有的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短些。显微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证。物镜的最高放大倍数可达 100 倍，目镜的放大倍数可达 25 倍。在物镜和目镜的镜筒上，均标注有放大倍数。放大倍数常用符号“×”表示，如 100×，200×等。 (2) 鉴别率金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离 d 的能力。d 值越小，鉴别率越高。根据光学衍射原理，试样上的某一点通过物镜成像后，我们看到的并不是一个真正的点像，而是具有一定尺寸的白色团斑，四周围绕着许多衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时，成像后由于部分重迭而不能分清为两个点。只有当试样上两点距离达到某一 d 值时，才能将两点分辨清楚。显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长(λ )和物镜的数值孔径(A)，而 d 与目镜无关，其 d 值可由下式计算：在一般显微镜中，光源的波长可通过加滤色片来改变。例如，蓝光的波长(λ ＝ 0.44μ )比黄绿光(λ ＝0.55μ )短，所以鉴别率较黄绿光高 25％。当光源的波长一定时，可通过改变物镜的数值孔径 A 来调节显微镜的鉴别率。 (3) 物镜的数值孔径物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力，如图 1-2 所示。数值孔径大的物镜聚光能力强，能吸收更多的光线，使物象更清晰。数值孔径 A 可由下式计算： A＝n·sinφ 图 1-2 物镜孔径角

式中M—物镜与试样之间介质的折射率φ一物镜孔径角的一半,即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成夹角 n越大或φ越大,则A越大,物镜的鉴别率就越高。由于φ总是小于90°的, 所以在空气介质(n=1)中使用时,A一定小于1,这类物镜称干系物镜。若在物镜与试样之间充满松柏油介质(n=1.52),则A值最高可达14,这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜(简称油镜头)。每个物镜都有一个额定A值,与放大倍数一起标到在物镜镜头上, (4)放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜组合起来实现,但存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。这是因为,人眼在250mm处的鉴别率为0.15-030mm,要使物镜可分辨的最近两点的距离能为人眼所分辨,则必须将d放大到0.15-0.30mm,即: d×M=0.15-0.30mm d= 2A M=+(0.3~0.6)A 在常用光线的波长范围内,上式可进一步简化为: M≈500A-1000A 所以,显微镜的放大倍数M与物镜的数值孔径之间存在一定关系,其范围称有效放大倍数范围。在选用物镜时,必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的 500倍至1000倍之间。若M1000A, 则由于物镜鉴别率不足而形成“虚伪放大”,细微部分仍分辨不清 (5)透镜成像的质量单片透镜在成像过程中,由于几何条件的限制及其它因素的影响,常使影像变得模糊不清或发生变形现象,这种缺陷称为像差。由于物镜起主要放大作用,所以显微镜成像的质量主要取决于物镜,应首先对物镜像差进行校正。普通透镜成像的主要缺陷有球面像差、色像差和像域弯曲三种。 ①球面像差。如图1-3所示,当来自A点的单色光(即某一特定波长的光线)通过透镜后由于透镜表面呈球曲形,折射光线不能交于一点,从而使放大后的影像变得模糊不清。图1-3球面像差示意图图1-4色像差示意图为降低球面像差,常采用由多片透镜组成的透镜组,即:将凸透镜和凹透镜组合在一起(称为复合透镜)。由于这两种透镜的球面像差性质相反,因此可以相互抵消。除此之外,在使用显微镜时,也可采取调节孔径光栏的方法,适当控制入射光束粗细,让极细一束光通过透镜中心部位,这样可将球面像差降至最低限度。 ②色像差。如图1-4所示,当来自A点的白色光通过透镜后,由于组成白

3 式中 M—物镜与试样之间介质的折射率;φ —物镜孔径角的一半，即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成夹角。 n 越大或φ 越大，则 A 越大，物镜的鉴别率就越高。由于φ 总是小于 90°的，所以在空气介质(n＝1)中使用时，A 一定小于 1，这类物镜称干系物镜。若在物镜与试样之间充满松柏油介质(n=1.52)，则 A 值最高可达 1.4，这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜(简称油镜头)。每个物镜都有一个额定 A 值，与放大倍数一起标到在物镜镜头上。 (4) 放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜组合起来实现，但存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。这是因为，人眼在 250mm 处的鉴别率为 0.15—0.30mm，要使物镜可分辨的最近两点的距离能为人眼所分辨，则必须将 d 放大到 0.15—0.30mm，即： d×M=0.15—0.30mm 则在常用光线的波长范围内，上式可进一步简化为： M≈500A-1000A 所以，显微镜的放大倍数 M 与物镜的数值孔径之间存在一定关系，其范围称有效放大倍数范围。在选用物镜时，必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的 500 倍至 1000 倍之间。若 M＜500A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若 M＞1000A，则由于物镜鉴别率不足而形成“虚伪放大”，细微部分仍分辨不清。 (5) 透镜成像的质量单片透镜在成像过程中，由于几何条件的限制及其它因素的影响，常使影像变得模糊不清或发生变形现象，这种缺陷称为像差。由于物镜起主要放大作用，所以显微镜成像的质量主要取决于物镜，应首先对物镜像差进行校正。普通透镜成像的主要缺陷有球面像差、色像差和像域弯曲三种。 ① 球面像差。如图 1-3 所示，当来自 A 点的单色光(即某一特定波长的光线)通过透镜后由于透镜表面呈球曲形，折射光线不能交于一点，从而使放大后的影像变得模糊不清。图 1-3 球面像差示意图图 1-4 色像差示意图为降低球面像差，常采用由多片透镜组成的透镜组，即：将凸透镜和凹透镜组合在一起(称为复合透镜)。由于这两种透镜的球面像差性质相反，因此可以相互抵消。除此之外，在使用显微镜时，也可采取调节孔径光栏的方法，适当控制入射光束粗细，让极细一束光通过透镜中心部位，这样可将球面像差降至最低限度。 ② 色像差。如图 1-4 所示，当来自 A 点的白色光通过透镜后，由于组成白

色光的七种单色光的波长不同,其折射率也不同,使折射光线不能交于一点。紫光折射最强,红光折射最弱,结果使成像模糊不清。为消除色像差,一方面可用消色差物镜和复消色差物镜进行校正。消色差物镜常与普通目镜配合,用于低倍和中倍观察:复消色差物镜与补偿目镜配合,用于高倍观察。另一方面可通过加滤色片得到单色光。常用的滤色片有蓝色、绿色和黄色等。 ③象域弯曲垂直于光轴的平面,通过透镜所形成的像,不是平面而是凹形的弯曲像面,这种现象叫像域弯曲,如图1-5所示。像域弯曲是由于各种像差综合作用的结果。一般物镜或多或少地存在着像域弯曲,只有校正极佳的物镜才能达到趋近平坦的象域 3.金相显微镜的构造和使用 (1)金相显微镜的构造金相显微镜的种类和型式很多,但最常见的型式有台式、立式和卧式三大类其构造通常均由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成,有的显微镜还附带照像装置和暗场照明系统等。现以国产ⅹJB-1型金相显微镜为例进行说明。 xJB-1型金相显微镜的光学系统如图1-5所示。由灯泡1发出一束光线,经聚光透镜组2的会聚和反光镜8的反射,聚集在孔径光栏9上,然后经过聚光镜3,再度将光线聚集在物镜的后焦面上,最后光线通过物镜,使试样表面得到充分均匀的照明。从试祥反射回来的光线复经物镜组6、辅助透镜5、半反射镜4、辅助透镜11 以及棱镜12和棱镜13,形成一个倒立放大实像。该物像再经场透镜14和目镜15的放大,即得到所观察试样表面的放大图像。 13 图1-5XJB-1型金相显微镜的光学系统 1-灯泡:2一聚光镜组,3一聚光镜组,4一半反射镜,5一辅助透镜,6一物镜组,7一试祥,8一反光镜;9一孔径光栏;10一视场光栏,11一输助透镜,12一棱镜,13一棱镜,14 场镜,15一目镜 XJB-1型金相显微镜的外形结构如图1-6所示。各部件的功能及使用简要介

4 色光的七种单色光的波长不同，其折射率也不同，使折射光线不能交于一点。紫光折射最强，红光折射最弱，结果使成像模糊不清。为消除色像差，一方面可用消色差物镜和复消色差物镜进行校正。消色差物镜常与普通目镜配合，用于低倍和中倍观察；复消色差物镜与补偿目镜配合，用于高倍观察。另一方面可通过加滤色片得到单色光。常用的滤色片有蓝色、绿色和黄色等。 ③ 象域弯曲垂直于光轴的平面，通过透镜所形成的像，不是平面而是凹形的弯曲像面，这种现象叫像域弯曲，如图 1-5 所示。像域弯曲是由于各种像差综合作用的结果。一般物镜或多或少地存在着像域弯曲，只有校正极佳的物镜才能达到趋近平坦的象域。 3．金相显微镜的构造和使用 (1) 金相显微镜的构造金相显微镜的种类和型式很多，但最常见的型式有台式、立式和卧式三大类。其构造通常均由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带照像装置和暗场照明系统等。现以国产 XJB-1 型金相显微镜为例进行说明。 XJB-1 型金相显微镜的光学系统如图 l-5 所示。由灯泡 1 发出一束光线，经聚光透镜组 2 的会聚和反光镜 8 的反射，聚集在孔径光栏 9 上，然后经过聚光镜 3，再度将光线聚集在物镜的后焦面上，最后光线通过物镜，使试样表面得到充分均匀的照明。从试祥反射回来的光线复经物镜组 6、辅助透镜 5、半反射镜 4、辅助透镜 11 以及棱镜 12 和棱镜 13，形成一个倒立放大实像。该物像再经场透镜 14 和目镜 15 的放大，即得到所观察试样表面的放大图像。图 1-5 XJB-1 型金相显微镜的光学系统 1-灯泡；2 一聚光镜组，3 一聚光镜组，4 一半反射镜，5 一辅助透镜，6 一物镜组，7 一试祥，8 一反光镜；9 一孔径光栏；10 一视场光栏，11 一输助透镜，12 一棱镜，13 一棱镜，14 一场镜，15 一目镜 XJB—l 型金相显微镜的外形结构如图 1-6 所示。各部件的功能及使用简要介

镜。旋动转换器可使物镜镜头进入光路,并定位在光轴上目镜筒目镜筒呈45度倾斜安装在附有棱镜的半球形座上。目镜可转向90 度呈水平状态以配合照相装置进行金相显微摄影。图1-7所示为4XA型双目金相显微镇的结构图。其基本结构与XJB-1型金相显微镜相似,但配有双筒目镜管,可同时安装两个目镜.用双目观察,从而减轻了眼睛疲乏。图1-8为4XCE型三目金相显微镜的结构图,可以在计算机显示器上很方便地观察金相图像,从而对金相图谱进行分析、评级等对图片进行输出、打印电脑型金相显微镜(4XCE)配置为:1、金相显微镜2、适配镜3、摄像器(CCD) 4、AD(图像采集)5、计算机。而数码相机型金相显微镜(4XCZ)1、金相显微镜2、适配镜3、数码相机 ( NIKON)。另外,其载物台的水平移动是靠纵向手轮和横向手轮来实现的,定位更加准确。图1-74XA型金相显微镜图1-84XCE金相显微镜 (2)金相显微镜的使用方法及注意事项金相显微镜是一种精密光学仪器,在使用时要求细心和谨慎,严格按照使用规程进行操作。 A.金相显微镜的使用规程 a)将显微镜的光源插头接在低压(6-8V)变压器上,接通电源 b)根据放大倍数,选用所需的物镜和目镜,分别安装在物镜座上和目镜筒内旋动物镜转换器,使物镜进入光路井定位(可感觉到定位器定位)。 c)将试样放在样品台中心,使观察面朝下并用弹簧片压住。 d)转动粗调手轮先使镜筒上升,同时用眼观察,使物镜尽可能接近试祥表面(但不得与之相碰),然后反向转动粗调手轮,使镜筒渐渐下降以调节焦距。当视场亮度增强时,再改用微调手轮调节,直到物像最清晰为止 e)适当调节孔径光栏和视场光栏以获得最佳质量的物像 f)如果使用油浸系物镜,可在物镜的前透镜上滴一些松柏油,也可以将松柏油直接滴在试样上;油镜头用后,应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净.再用擦镜纸擦干。 B.注意事项 )操作应细心,不能有粗暴和剧烈动作。严禁自行拆卸显微镜部件。 b)显微镜的镜头和试样表面不能用手直接触摸。若镜头中落入灰尘,可用镜头

6 镜。旋动转换器可使物镜镜头进入光路，并定位在光轴上。目镜筒目镜筒呈 45 度倾斜安装在附有棱镜的半球形座上。目镜可转向 90 度呈水平状态以配合照相装置进行金相显微摄影。图 1-7 所示为 4XA 型双目金相显微镇的结构图。其基本结构与 XJB—1 型金相显微镜相似，但配有双筒目镜管，可同时安装两个目镜．用双目观察，从而减轻了眼睛疲乏。图 1-8 为 4XCE 型三目金相显微镜的结构图，可以在计算机显示器上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析、评级等对图片进行输出、打印。电脑型金相显微镜(4XCE)配置为: 1、金相显微镜 2、适配镜 3、摄像器(CCD) 4、A/D(图像采集) 5、计算机。而数码相机型金相显微镜(4XCZ): 1、金相显微镜 2、适配镜 3、数码相机（NIKON）。另外，其载物台的水平移动是靠纵向手轮和横向手轮来实现的，定位更加准确。图 1-7 4XA 型金相显微镜图 1-8 4XCE 金相显微镜 (2) 金相显微镜的使用方法及注意事项金相显微镜是一种精密光学仪器，在使用时要求细心和谨慎，严格按照使用规程进行操作。 A. 金相显微镜的使用规程 a) 将显微镜的光源插头接在低压(6—8V)变压器上，接通电源。 b) 根据放大倍数，选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上和目镜筒内。旋动物镜转换器，使物镜进入光路井定位(可感觉到定位器定位)。 c) 将试样放在样品台中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。 d) 转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试祥表面(但不得与之相碰)，然后反向转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距。当视场亮度增强时，再改用微调手轮调节，直到物像最清晰为止。 e) 适当调节孔径光栏和视场光栏以获得最佳质量的物像。 f) 如果使用油浸系物镜，可在物镜的前透镜上滴一些松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上；油镜头用后，应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净．再用擦镜纸擦干。 B. 注意事项 a) 操作应细心，不能有粗暴和剧烈动作。严禁自行拆卸显微镜部件。 b) 显微镜的镜头和试样表面不能用手直接触摸。若镜头中落入灰尘，可用镜头