试验一金相显示微镜的基本原理构造及使用Word格式.docx

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显微镜的光学原理如图1—1所示，光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件，物镜和目镜分别由两组透镜组成，对着物质AB的一组透镜组成物镜O1，对着人眼的一组透镜组成目镜O2。

现代显微镜的物镜、目镜都由复杂的透镜系统组成。

物镜使物体AB形成放大的倒立实象（称中间象），目镜再将放大成仍然倒立的虚象，其位置正好在人眼的明视距离处（即距人眼250mm处）。

我们在显微镜目镜中看到的就是这个虚象。

图1—1显微镜的光学原理示意图

显微镜的主要性质如下：

1．显微镜的放大倍数

放大倍数由下式来确定：

式中：

M—显微镜放大倍数

M物—物镜的放大倍数

M目—目镜的放大倍数

f物—物镜的焦距

f目—目镜的焦距

L—显微镜的光学镜筒长度

D—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大。

在使用时，显微镜的放大倍数就是物镜和目镜的放大倍数的乘积。

有的小型显微镜的放大倍数需乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比规定的显微镜筒短。

2．显微镜的鉴别率

显微镜的鉴别率指它能清晰地分辨试样上两点最小距离d的能力。

在普通光线下，人眼能分辨两点间的最小距离为0.15~0.30mm，即人眼的鉴别率d为0.15~0.30mm，而显微镜当其有效放大倍数为1400倍时，其鉴别率d为0.21×

10-3mm。

显然。

d值越小，鉴别率就越高，鉴别率是显微镜的一个最重要的性能。

它可由下式计算：

λ—入射光线的波长

A—物镜的数值孔径

显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜无关。

光线的波长可通过过滤色片来选择。

兰光的波长（λ=0.44μ）比黄绿光（λ=0.55μ）短，所以鉴别率较黄绿光大25%。

当光线的波长一定时，可通过改变物镜的数值孔径来调节显微镜的鉴别率。

3．物镜的数值孔径

数值孔径A表示物镜的集光能力，如图1—2所示

n—物镜与试样之间介质的折射率

φ—物镜孔径角的一半

n越大或φ角越大，则A越大。

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。

当物镜与试样之间充满松柏油介质（n=1.5）时，A值最高可过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）。

每个物镜都有一个设计额定的A值。

它标刻在物镜体上。

图1—2物镜的孔径角

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来组合。

如45倍的物镜乘10倍的目镜或15倍的物镜乘30倍的目镜都是450倍。

所以对于同一放大倍数，存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。

这里，应该首先确定物镜，然后根据计算选定目镜，并必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500~1000倍之间，即

M=500~1000A

这个范围称有效放大倍数范围。

若M<

500A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。

若M>

1000A，则造成虚伪放大，细微部分将分辨不清。

5．透镜成象的缺陷

（1）球面象差如图1—3所示，当来自A点的单色光（即一定波长的光线）通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点，而使放大后的象糊不清。

此现象称为球面象差。

降低球面象差的办法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要的校正外，在使用显微镜时，也可采取调节孔径光栏，适当控制入射光束粗细，减小透镜表面面积等方法，把球面象差降低到最低程度。

图1—3球面象差示意图图1—4色象差示意图

（2）色象差如图1—4所示，白色光是由七种单色光组成，当来自A点的白色光通过透镜后，由于各单色光的波长不同，折射率不一样，使光线折射后不能交于一点。

紫光折射最强，红光折射最弱，结果使成象模糊不清。

此现象称为色象差。

消除色象差的方法，一是制造物镜时进行校正。

根据校正程度，物镜可分为消色差物镜和复消色差物镜。

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，二是使用滤色片得到单色光。

常用的滤色片有蓝色、绿色或黄色等。

（二）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。

金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统以及机械系统三大部分组成。

有的显微镜还附带有照象摄影装置。

现以国产XJB—1型金相显微镜为列进行说明。

XJB—1型金相显微镜的光学系统如图1—5所示。

遇灯泡1发出一束光线，经聚光镜组2及反光镜7被汇聚在孔径光栏8上，然后经过聚光镜3，再度将光线聚集在物镜的后焦面上，最后经过物镜，使试样表面得到充分均匀的照明。

从试样反射回来的光线复经物镜6、辅助透镜5、半反射镜4、辅助透镜10以及棱镜11、棱镜12，造成一个物体的倒立放大实象。

该象再经场透镜13和目镜14组成目镜的放大，即可得到所观察的试样表面的放大图象。

图1—5显微镜的光学系统图

1—灯泡2—聚光镜组

（一）3—聚光镜组

（二）

4—半反射率5—辅助秀镜

（一）6—物镜组

7—反射镜8—孔径光栏9—视场光栏

10—辅助透镜11—棱镜12—棱镜

13—场透镜14—目透镜15—试样

现分别对XJB型金相显微镜各部件的功能及使用作简单的介绍。

照明系统照明系统是该仪器的主要组成部分之一。

底部内装6~8V低压钨丝灯泡作为光源。

利用灯座的偏心圈将其紧固在圆形底盘内。

灯前另有聚光镜

（一），反光镜和孔径光栏组成的部件都安装在圆形底盘上，另外还有视场光栏及安装在支架上的聚光镜

（二）。

通过以上一系列透镜及物镜本身的作用，使试样表面获得充分均匀的照明。

显微镜调焦装置在显微镜的两侧有粗动和微动调焦旋钮，两者在同一部位。

随粗调旋钮转动，通过内部齿轮传动，使支承载物台的弯臂作上下运动。

在粗调旋钮的一侧有制动装置。

用以固定调焦正确后载物台的位置。

微动旋钮转动内部一组齿轮，使其沿着滑轨缓慢移动。

在右侧旋钮上刻有分度，每小格表示微动升降0.002mm。

镜体齿轮上刻有两条白线，相连支架上有一条白线，用以表示微动升降的极限位置。

微调时不可超出这一范围，否则将会损坏机件。

载物台（样品台）用于放置金相试样。

载物台和下面托盘之间有导架，移动结构采用粘性油膜联结，在手的推动下，可使载台在水平上作一定范围的移动，以改变试样的观察部位。

孔径光栏和视场光栏，孔径光栏在照明反射镜座上面，刻有0~5分刻线，它表示孔径大小的毫米数。

视场光栏装在物镜支架下面，可以旋转滚花套圈来调节视场光栏大小。

在套圈上方有两个滚花螺钉，用来调节光栏中心。

通过调节孔径和视场光栏的大小，可以提高最后映象的质量。

物镜转换器转换器呈球面形，上面有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使物镜镜头进入光路，并与不同的目镜搭配使用，即获得各种放大倍数。

目镜筒目镜筒呈45倾斜式安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90°

呈水平状态，以配合照相装置进行显微摄影。

表1—1XJB-1型金相显微镜的放大倍数

光学系统

目

镜

物

5X

10X

15X

干燥系统

8X

40X

80X

120X

45X

225X

450X

675X

油浸系统

100X

500X

1000X

（三）显微镜使用注意事项

金相显微镜是贵重的精密光学仪器，在使用时必须十分爱护，自觉遵守实验室的规章制度和操作程序

1．初次操作显微镜前，应首先了解显微镜的基本原形、构造以及各主要附件的作用等，并要了解显微镜使用注意事项。

2．金相试样要干净，不得残留有酒精和浸蚀剂，以免腐蚀物镜的透镜，使用时不能用手触摸透镜。

擦镜头要用镜头纸。

3．照明灯泡电压一般为6V、8V，必须通过降压变压器使用，千万不可将其灯泡插头直接插入220V电源，以免烧毁灯泡。

4．操作要细心，不得有粗暴和剧烈的动作。

安装、更换镜头及其它附件时要细心。

5．调焦距时应先将载物台下降，使样品尽量靠近物镜（不能接触），然后用目镜观察。

先用双手旋转粗调焦旋钮，使载物台慢慢上升，待看到组织后，再调节微调焦旋钮直至图象清晰为止。

6．使用时如出现故障应立即报告辅导老师，不得自行处理。

7．使用完毕，关闭电源，将镜头与附件放回附件盒，将显微镜恢复到使用前状态，并填写使用登记本，经辅导老师检查无误后，方可离开实验室。

三、实验报告要求

1．绘制显微镜结构草图，说明显微镜使用方法和注意事项。

2．实验的收获和体会。

熟悉金相试样的制备过程和方法，掌握简单的操作技术，为以后独立进行金相试样制备打下基础。

金相显微分析必须制备试样，金属零件无法直接在显微镜下观察其组织。

这是因为：

①金属零件无法在显微镜上固定相对位置；

②整体零件无法磨平抛光；

③未经磨平、抛光。

腐蚀的零件在显微镜下不能确切、清楚地观察到金属内部的显微组织，金属试样必须进行精心的制备。

试样制备过程包括取样、镶嵌、磨制、抛光、腐蚀等工序。

现简要叙述如下：

（一）取样

取样部位及观察面的选择，必须根据被分析材料或零件的失效特点，加工工艺的性质以及研究的目的等等因素来确定。

例如，研究铸造合金时，由于它的组织不均匀，应从铸件表面、中心等典型区域分别切取试样，全面地进行金相观察。

研究零件的失效原因时，应在失效的部位取样，在完好的部位取样，以便于作对比性的分析。

对于轧材，如研究材料表层的缺陷和非金属夹杂物的分布时，应在垂直轧制方向上切取横向试样；

研究夹杂物的类型、形状、材料的变形程度，晶粒被拉长的程度、带状组织等，应在平行于轧向切取纵向试样。

在研究热处理后的零件时，因为组织较均匀可自由选取断面试样。

对于表面热处理后的零件，要注意观察表面情况，如氧化层、脱碳层、渗碳层等。

取样时，要注意取样方法，应保证不使试样被观察面的金相组织发生变化。

对于软材料可用锯、车等方法；

硬材料可用水冷砂轮切片机切取或电火花线切割；

硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击；

大件可用氧气切割，等等。

试样尺寸不要太大，一般以高度为10~15mm，观察面的边长或直径为15~25mm的方形或圆柱形较为例行。

（二）镶样

一般试样不需镶样。

尺寸过于细小，如细丝。

薄片、细管或形状不规则，以及有特殊要求（例如要求观察表层组织）的试样，制备时比较困难，则必须把它镶嵌起来。

镶样方法很多：

有低熔点合金的镶嵌、电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌、环氧树脂镶嵌，夹具夹持法等等。

目前一般多用电木粉镶嵌，采用专门的镶样机。

用电木粉镶嵌时要加一定的温度和压力，这可能使马氏体回火和软金属产生塑性变形等。

在这些情况下，可改用夹具夹持法。

还可以用环氧树脂加凝固剂来镶嵌试样，其配方如下：

环氧对脂100克，磷苯二甲二丁酯20克，乙二胺20克，但必须保留7～8小时后方可使用。

（三）磨制

1．粗磨

软材料（有色金属）可用锉刀锉平，一般钢铁材料通常在砂轮机上