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金相顯微鏡原理應用解析
點擊次數(shù)：786 發(fā)布時間：2014-11-30
一、概述
在現(xiàn)代科學技術領域中，研究金屬材料微觀組織的方法很多，如金相，X光，電鏡以及其它物理方法等。其中金相分析方法，是延用已久的測試方法。由于所用設備簡單，操作方便，直觀等優(yōu)點，特別是隨著科學技術的發(fā)展，各種新型、多用途顯微鏡的出現(xiàn)，擴大了顯微分析的應用范圍。時至今日金相分析仍是科學研究和工業(yè)生產中的重要測試方法之一。對于從事金屬學和熱處理的工作人員，必須熟悉掌握這一技能。
二、MR5000金相顯微鏡成像原理
金相顯微鏡是研究金屬和合金顯微組織的基本工具之一，其工作原理如圖所示。顯微鏡是由兩組透鏡組成。對著物體AB的一組透鏡O1，叫做物鏡。對著眼睛的一組透鏡O2，叫做目鏡。物鏡O1的焦距f1很短，目鏡O2的焦距f2較長。根據透鏡的成像原理，物體AB在物鏡焦點F1以外少許，使所成的放大的倒立實像A1B1在目鏡的焦點F2之內，因而用眼睛觀察時，則可得到A1B1再度放大的虛像A2B2。顯然，A2B2是由目鏡一端看到的原物體AB經物鏡，目鏡兩次放大后的倒立虛像，位于250mm明視距離D處。所以，觀察到的像是經物鏡和目鏡兩次放大。顯微鏡的放大倍率M應為物鏡的放大倍率M物與目鏡的放大倍率M目的乘積。即
式中f1為物鏡的焦距，f2為目鏡的焦距，L為顯微鏡的光學鏡筒長。
金相顯微鏡原理圖
三、金相顯微鏡光學系統(tǒng)的主要部件及功能
金相顯微鏡分為臺式、立式、臥式等，盡管顯微鏡的類型很多，但其構造卻大同小異，它們都是由光學系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及機械系統(tǒng)三部分組成。
（一）光學系統(tǒng)
光學系統(tǒng)主要有物鏡、目鏡、平面鏡、棱鏡、透鏡等。
1、 物鏡
物鏡是顯微鏡的主要部件，物鏡的質量直接影響顯微鏡放大成像質量。物鏡的質量可用以下幾個方面的性質衡量。即放大倍率、數(shù)值孔徑，鑒別率、垂直鑒別率（景深）等。有關放大倍率前面已經介紹，這里不在重復。
數(shù)值孔徑
數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光能力，數(shù)值孔徑大的物鏡，聚光能力強，從試樣上反射進入物鏡的光線多，因而可提高物鏡的鑒別能力。數(shù)值孔徑的大小以數(shù)字表示，其數(shù)值為進入物鏡的光線所張角的正弦與物鏡和試樣之間介紹的折射率的乘積。
（1）
式中是介質的折射率，空氣的折射率為1，為光線所張角的半角。
由式（1）可知，可以提高及數(shù)值的兩條途徑，來提高物鏡的數(shù)值孔徑。提高值的方法是設計短焦距鏡頭，但是效果有限。改變物鏡與試樣之間的介質，則可有效提高數(shù)值孔徑的數(shù)值。后一種方式在金相顯微鏡中的具體作法是應用油鏡頭，即在物鏡和試樣之間的介質是油，常用的是松柏油。
鑒別率
鑒別率是指物鏡對試樣上的微細組織的分辨能力。物鏡的鑒別率與物鏡的數(shù)值孔徑和光源波長。物鏡的鑒別率與物鏡的數(shù)值孔徑和光源波長有關。
（2）
式中，d－鑒別率；－入射光的波長；－物鏡的數(shù)值孔徑。
由上式可知，光的波長愈短，或數(shù)值孔徑愈大，d愈小，則物鏡的鑒別率愈高。
物鏡又以干式鏡頭與油鏡頭之分，油鏡頭標記為Oil或油字樣。
物鏡放大倍率均刻在外殼上，如5X、10X等。有的物鏡還刻有焦距，如F＝8.16，F=2.7等，焦距越短，放大倍率愈大。
2、目鏡
目鏡是顯微鏡中的第二個透鏡組，它的作用是將物鏡放大的實像再放大一次。顯微分析時，在目鏡明視距離處形成一個清晰的虛像；當顯微攝影時，在毛玻璃上所看到的象是實像。另外，補賞目鏡除起放大作用外，還能將物鏡造像過程中的殘余像差給予校正。
觀察用目鏡，一般在目鏡筒外殼刻有放大倍率。目鏡的放大倍率有4×、7×、10×、15×、20×等。
顯微鏡常用的目鏡有：福根目鏡（負型）、補償目鏡、雷斯登目鏡（正型）、測微目鏡、放大型目鏡等。
測微目鏡的構造與一般目鏡相同，僅是正目鏡的光欄處加入了一個帶有刻度的玻璃片。根據測量目的可將刻度設計為直線，十字交叉線，方形網格，同心圓或其它圖形。
在進行定量分析時，必須首先確定在所使用的放大倍率下，目鏡測微尺上每一刻度的實際長度。其方法是把物鏡測微尺（亦稱顯微尺）放在載物臺上，顯微尺是將1毫米長度等分為100格，故每一小格為0.01毫米。當顯微尺聚焦后與目鏡測微尺某一段刻度相重合并進行比較。目鏡測微尺的每一刻度值可按照下式求出。
例如，顯微尺的15個格與目鏡測微尺的10個刻度相重合，則目鏡測微尺每一刻度的實際長度
（二）顯微鏡的照明系統(tǒng)
金相顯微鏡必須依靠光源照明方可進行工作。顯微鏡常用的光源有低壓鎢絲燈泡，碳弧燈、鹵素燈及氙燈等。
低壓鎢絲燈泡
低壓鎢絲燈泡是金相顯微鏡應用zui多的一種光源。適于用臺式、立式小型顯微鏡。工作電壓為6~8V,功率15~30W。 色溫為2800℃。
碳弧燈
碳弧燈常用做大型金相顯微鏡的光源。亮度*，適用于攝影，偏振光研究及暗場金相組織觀察等。碳弧燈是兩根通電的碳棒產生電弧的一種強光源。碳弧燈色溫為4000℃～5000℃。
鹵素燈
鹵素燈是鎢絲燈的改進，它是在裝有鎢絲的石英玻璃內充入一定量的溴化物或碘化物，因而提高了燈泡的效率及壽命。工作電壓為12V，功率為50～100W，其燈絲發(fā)光部分近似點狀，色溫為3000℃。
氙燈
氙燈是一種充有高壓純度氙氣的弧光放電燈，其特點是光強高，體積小，經很短時間加熱后，光的輸出很穩(wěn)定，輻射出從紫外線到紅外線的連續(xù)光譜，可見區(qū)光近于日光，色溫6000℃，使用壽命一般為300～1000小時，此光源適用于偏振光、暗場、相襯及顯微攝影照明用。
濾光片
濾光片是由不同顏色光學玻璃所制成的透明薄片，有黃色、綠色、藍色、紅色及灰色等。它的作用是把金相顯微鏡光源所發(fā)出的白光中適合需要的顏色（或波長）的光線通過，以滿足顯微鏡工作時照明的要求，而且還可提高鑒別率，增加相的襯度。若用消色差物鏡配合綠色濾光片還可消除殘余色差。
光欄的作用
光欄的作用在于提高影像的質量。金相顯微鏡的光程中有兩個光欄，即孔徑光欄及視域光欄。它們的結構相同，都是可變的，即能張開或縮小。
孔徑光欄（亦稱光圈）
孔徑光欄是調節(jié)光源進入物鏡光束粗細用的，通過可變光欄使其張大或縮小。縮小光欄時，進入物鏡的光束變細，從而可提高映像的質量，但孔徑光欄不能過小，以免使物鏡的鑒別率降低以及產生光的干涉而致使物體形成浮雕或變形雙影。
視域光欄
視域光欄又稱視野光欄，調節(jié)光欄可改變觀察視域大??；提高映像的襯度。
（三）機械系統(tǒng)
顯微鏡的種類很多，類型不同，其機械結構也有區(qū)別。機械系統(tǒng)的主要作用是，將顯微鏡的光學系統(tǒng)、照明系統(tǒng)聯(lián)接成一體，發(fā)揮照明系統(tǒng)、光學系統(tǒng)的應有作用。
顯微鏡的機械結構由鏡座、鏡架、鏡筒、載物臺以及調節(jié)裝置（粗調、微調）等組成。
（四）照相裝置
金相顯微鏡都有的照相裝置，它是由暗箱、投影、暗盒和快門組成。
四、MR5000金相顯微鏡的使用
（1）首先將顯微鏡的光源插在變壓器上，通過低壓（6～8V）變壓器接通電源。
（2）根據使用的放大倍率，選用所需的物鏡和目鏡，分別安裝在物鏡座及目鏡筒內，在裝卸物鏡時，必須將載物臺升起，以免碰撞透鏡。
（3）調節(jié)載物臺使之對準物鏡中心。然后把試樣放在載物臺上，并用彈簧片壓緊。
（4）聚焦時，首先轉動粗調機構，使物鏡盡量接近試樣，然后邊從目鏡中觀察，邊緩慢旋轉粗調螺釘，在視域中逐漸觀察到物象的輪廓后，便可改用微調手輪調焦，直至映像*清晰為止。
調焦時，載物臺的移動應小于進行，謹防前透射與試樣表面可能發(fā)生的碰撞。
（5）適當?shù)卣{節(jié)孔徑光欄和視野光欄，以獲得*映像。
（6）使用油浸系物鏡，要用潔凈的木簽蘸一滴松柏油滴入物鏡的前透鏡上，此時，要避免木簽碰壓透鏡及不宜用過多的油，否則會弄傷或弄臟透鏡。另外，也可將松柏油直接滴在試樣上。油鏡頭用后，應立即用脫脂棉或鏡頭紙蘸取二甲擦拭干凈。待干燥后方可將物鏡放進盒內。
（7）儀器使用完畢，應將物鏡、目鏡取下放入附件箱內，并將物鏡筒用防塵蓋蓋好。
（8）切斷電源，將儀器用罩子罩好。
五、實驗目的
1. 了解金相顯微鏡的光學原理和構造。
2. 初步掌握金相顯微鏡的使用方法。
六、試驗內容與步驟
1、了解顯微鏡構造、光路及使用方法。
2、按顯微鏡操作規(guī)程進行XJB－1型金相顯微鏡的調整和使用。
七、試驗報告要求
1、簡述金相顯微鏡的基本光學原理和主要結構
2、金相顯微鏡的使用方法及注意事項。