普通金相显微镜地结构、使用和维护.doc

word第四章 金相显微镜金相显微镜是用来鉴别和分析各种金属和合金的显微组织的一种光学仪器金属和合金的组织是决定材料使用性能与力学性能主要因素，对金属或合金组织的分析和鉴别不仅是制定材料工艺的依据,而且可以预测、判定其性能对合金组织的分析常用方法是金相分析法因此，了解金相显微镜的原理和构造，充分掌握其性能、熟悉它的使用方法，如此是材料科学工作者的根本技能之一第一节 金相相微镜的结构与工作原理金相显微镜是用金属试样对光线的反射作用，经过透镜〔物镜、目镜〕放大来显示金属显微组织尽管类型很多，但其结构大体可以分为光学系统、照明系统、机构系统三个局部；此外还有照相装置，显微硬度等一、光学系统1、金相显微镜的成像原理金相显微镜的光学系统主要由物镜、目镜和一些棱镜组成，其作用是将物体形象经物镜和目镜两次放大；使物体映象得到高的放大倍数物体AB物在显微镜物镜ob的前焦点Fob以外少许，从物体AB反射出的光线经过物镜而在物镜的上方得到一个放大的倒立实像A'，B'，这个实像A'B'刚好落在目镜的焦点Fok以内，再经过目镜放大后，人眼在目镜上方观察时便可看到一个经过再次放大的虚像A"B"我们在显微镜中观察到的像是经过物镜和目镜两次放大的结果，它的总放大倍数M应为物镜放大倍数与目镜放大倍数之积：Δ——光学镜筒长度，对于一定的显微镜为常数。

Δ为物镜后焦点与目镜前焦点之间的距离L——明视距离，正常人眼看物体最清晰 距离为250mm机械镜筒长度为显微镜的物镜座面到目镜筒顶的距离显微镜的放大倍数是由本身结构Δf1 和Δf2 所决定，由公式可知，f1，f2 愈小,放大倍率愈大2、主要构件的性能和功用金相显微镜中的主要光学零件包括物镜、目镜、光栏、滤色片等1〕物镜物镜是显微镜中最主要也是最贵重的光学零件，它是由几片同类的透镜所组成的复合透镜组位于物镜前端是一块平凸的透镜，起放大作用，位于前端透镜之后有一样正透镜，用于校正前端透镜引起的光学缺陷物镜的好坏直接影响放大的影像的质量，所以物镜的质量决定着金相显微镜的质量物镜按其光学性能可分为消色差物镜，平面消色差物镜、复消色差物镜，平面复消色差物镜等，按其所接触的介质又可分为干系物镜和油系物镜两种衡量一个物镜的性能有四点：①数值孔径与鉴别率主要性能指标在物镜上有标志说明—— 160/0 ——表示机械镜筒长度为160mm的金相用物镜，“0〞表示盖波片为厚度=0〔即没有盖波片〕高倍物镜通常为油浸系，油镜头用“油〞〔或Oil，Öl，Hi〕或外壳涂一黑圈来表示数值孔径表示物镜的聚光能力，通常用N·A表示，其大小由物镜与试样间介质的折射系数n与物镜孔径角θ决定，可用下式表示：数值孔径N·A=n·Sinθ物镜的设计中指定空气为介质称为干物镜。

在使用中以某种液体〔常用的如松节油〕作为介质者称为油物镜目前，物镜的孔径最大为144°，即θ最大为72°，空气中的折射系数n=1，故干物镜的最大数孔径为N·A=0.95，如我们前面看到的40X/0.65，如此是因2θ=81°，∴θ=40°30′，即N·A=n·Sinθ=1×Sin40°30′通常N·A＜1的属于干物镜，N·A＞1的属于油物镜由画面我们可以看出，在干物镜下光线R 大于θ角，由试样反射后通过介质空气远离物镜，如果在物镜与试样间滴入松节油，由试样上反射的光线将造近轴线方向折入油内，而R 如此通过物镜边缘，使落在物镜上的光线增多，从而使聚光的能力增强，从而提高物镜的鉴别能力显微镜的鉴别率主要决定于物镜的鉴别率，是显微镜也是物镜最重要的特性物镜的鉴别率是指物镜具有将两个物点清晰分辨的最大能力，以两个物点能清晰分辨的最小距离d的倒数表示d愈小，表示物镜的鉴别率愈高对于鉴别率不同的两个物镜，虽然都可以配成一样的放大倍数，但观察到的效果不同如对试样细微组织中相邻的两点，用鉴别率高的物镜可以把它们分辨开，而用鉴别率低的物镜，看到的只是一片轮廓，分不清相邻的两个点②垂直鉴别力又称为景深，是物镜对于上下不平的物体能清晰造像的能力。

在金相分析中金相试样被浸蚀以后不再是一个极平的平面，要使各组织成物都能清晰地同时映现，必须要有一定的垂直鉴别能力物镜的垂直鉴别能力与它的数值孔径，放大倍数成反比，数值孔径愈大，垂直鉴别能力越低，这个关系并不能由的任何方法进展改善在没有其他因素的影响下，鉴别率〔d〕与入射光源波长和数值孔径〔N·A〕之间近似的有如下关系：式中，λ为照明用入射光的波长，由此我们可以看出，d与λ成正比，与数值孔径成反比波长愈短d也愈小，因此使用黄、绿、兰等滤色片，不仅可以消除一些色差，还可以提高显微镜物鉴别率③放大倍数和有效放大倍数：如前所述，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d为人眼所分辨，如此必须将d放大到0.15～0.30mm，假如以M表示显微镜的总放大倍数，如此d·M=1/λ〔0.3～0.6〕N·A λμ如此M=〔500～1000〕N·AM称为有效放大倍数，物镜应在这两个放大倍数X围内使用假如不足500N·A，未能充分发挥物镜的功能，假如大于1000N·A，只是“空虚放大〞，不能分辨更多的细节所以我们一般确定了试验的放大倍数后，就要根据数值孔径N·×物镜。

当λ=5500Å时当M有效=〔500～1000〕N·A=325～650X因此应选择10～20X的目镜配用如果目镜的倍数低于10X，未能充分发挥物镜的鉴别率，如果目镜的倍数高于20X，将会造成空虚放大，仍不能显示超于物镜鉴别率的微细结构④透镜成像质量由于透镜的尺寸、材料的限制，成像后存在一定的缺陷〔变形或模糊不清〕称为像差像差主要包括球面像差和色像差像差的产生降低了光学仪器的准确性球面像差的产生是对透镜的外表呈球面形，通过透镜中心与边缘的光线折射以后不能交于一点，而分成几个交点前后分布，来自透镜边缘的光线靠近透镜交集，而靠近透镜中心的光线如此交集在较远的位置，这样得到的映像显然是不清晰的球面像差的程度与光通过透镜的面积有关光圈开得愈大，如此光线通过的透镜面积愈大，球面像差愈严重；反之如此可以减少，但光圈大小，也会影响成像的清晰度色差的产生：由于组成白色光的各种不同波长的光线在穿过透镜的折射率不同，使映像不聚集于一点，而是一系列不同距离的各色素，造成像不清晰紫色光的波长最短，折射率最大，在离透镜最近处成像红色光线的波长最长，折射率最小，在离透镜最远处成像其余的黄、绿、兰等有色光线在它们之间成像，通过采用单色光源〔或加滤色片〕或使用复合透镜予以校正。

物镜质量的好直接影响显微镜映象的质量，对物镜的校正是很重要的物镜的类型：根据对透镜球面像差和色像差的校正程度不同主要分为四类几种类型物镜的差异与校正程度物镜类型对象域中心的校正对视场边缘的校正备注色差球差消色差物镜校正红、绿两波区校正黄、绿两波区未校正构造简单价格较廉平面消色差物镜同上同上已校正可做金相显微摄影与高倍数放大复消色差物镜校正多个波区校正绿、紫两波区未校正对象差校正较完善，但价格高平面复消色物镜同上同上已校正宜做彩色摄影2〕目镜目镜是用来将物镜放大的实象进展再放大虽然目镜的角孔径极小，目镜本身的鉴别能力甚低，但对物镜的初步映象的放大已是足够了目镜按用途分为普通目镜，补偿目镜，投影目镜和测微目镜〔1〕普通目镜：它是由两块平凸透镜组成在两个透镜间，目镜的前焦点处安置一个光栏，其作用是限制边缘光线，其放大倍数小于15X如图〔a〕〔2〕补偿目镜：它具有与物镜相反的色差，主要用于校正物镜的剩余色差，还能校正由物镜引起的光学缺陷它的放大倍率较高，最高可达30X，该目镜只能与复消色差物镜配合使用，不能与消色差物镜配用如图〔b〕〔3〕摄影目镜：是为摄影与近距离投射而设计的，只能用作摄影投射，而不能作显微摄影或单独放大使用。

这类目镜实质上可看作是物镜之一局部，协同物镜共同造成一个放大的投影实象〔4〕测微目镜：测微目镜的透镜组合无特别之处，仅是在目镜中参加了一片有刻度的玻璃薄片用于金相组织的定量测量，或显微硬度压 痕的长度测量根据测量目的可将刻度设计为直线，十字交叉线方格网，同心圆或其它几何图形3〕光栏：在金相显微镜的照明系统中常有两个孔径可变的光栏，一个为孔径光栏，另一个为现场光栏孔径光栏用于控制通过物镜的入射光束的粗细孔径按实际观察的要求，适当调节其大小，以观察时物象最清晰，光的强弱使人舒适为原如此视物光栏主要用以改变视场的大小，减少镜筒内部的反射与炫光以提高影象的衬度而不影响物镜的分辨能力4)滤色片：滤色片一般装在光源附近，它的作用是吸收由光源发出的白光中波长不合需要的那局部光，只让一定波长的光线通过，从而得到一定滤长的光线因此使用滤色片可以降低消色差物镜的剩余象差，提高鉴别率，还可以增加组织的衬度，有利鉴别带有彩色组织的细微局部一般可根据使用目的选用滤色片1)如要提高显微摄影时的分辨能力，应选用波长较短的颜色，如果用λ=4400Å的蓝色光比λ=5500Å的黄绿色光具有更高的鉴别能力2)要增加组织的衬度应选用能使某一相变成暗黑色调的滤色片。

3)校正剩余色差，由于消色差物镜象差的校正仅在黄绿波区比拟完善，故在使用时应配用黄绿色滤色片，其它色彩的滤色片均显著暴露消色差物镜的缺点，降低映象质量二、照明系统金相显微镜必须依靠附加光源方可进展工作，这一点与生物显微镜不同照明系统的任务是根据不同的研究目的调整，改变采光方法，并完成光线行程的转换该系统的主要部件是光源和垂直的照明器一般金相显微镜采用灯光照明，借棱镜或其它方法使光线投在金相磨面上，靠金相磨面上，靠金属自射的反射能力，局部光线被反射而进入物镜，经放大成像最终被我们所观察1、光源与其装置1)光源的要求由显微镜自身的工作特点决定了对光源的特别要求：(1)光强度大，并在一定X围内可任意调整因为不同的组织衬度，不同的放大倍率，需有不同的照明强度因此，最好选用可调式光源当光源不带调压装置时，可选用不同的滤色片调整光强度或利用光栏调节光通量2)光源的强度要均匀，可借助聚光镜、毛玻璃等置于光路的适当位置，以获得均匀的光束3)光源的发热程度不宜过度，以免损伤仪器的光学附件为此功率稍大的光源前要安装吸热或散热装置4)光源的位置(上下、前后、左右)可以调整2、光源的种类目前金相显微镜中最普遍应用的是白炽灯和氙灯。

1)白炽灯(钨丝灯)一般中、小型金相显微镜都配有这种照明装置工作电压为6～12V，功率为15～50W使用低压钨丝灯必须配备有降压变压器，将220V降到6～12V低压钨丝灯适用于各种台式、立式显微镜观察与短投射距离的金相摄影此外，大型金相显微镜备有的钨丝灯主要用作金相观察之用2)氙灯超高压氙灯是球形强电流的弧光放电灯辐射出从紫外线接近红外线的连续光谱，可见光色温接近于日光，具有高度大、发光效率高与发光面积小等优点近年来被广泛用作显微镜的照明光源氙灯由于亮度大，适宜于作偏光暗场相衬观察与显微摄影用光源一般大型金相显微镜同时配有两种照明光源，以备普通照明视场观察与特殊情况的组织观察、显微摄影之用三、垂直照明器与光路行程金相显微镜的光源一般位于镜体的侧面，与主光轴成正交因此需要一个"垂直照明器"起光路垂直换向作用垂直照明器的种类有45度平面玻璃，全反射棱镜，暗场用环形反射镜由于观察目的不同，金相显微镜对试样的采光方式要求亦不一样，分为明场照。