材料方法-第2章-金相顯微

第二章光學(xué)顯微分析

一、歷史1590年由荷蘭的楊森父子所首創(chuàng)。1610年前后，意大利的伽利略和德國的J.開普勒在研究望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)，改變物鏡和目鏡之間的距離，得出合理的顯微鏡光路結(jié)構(gòu)17世紀(jì)中葉，英國的R.胡克和荷蘭的

A.van列文胡克都對(duì)顯微鏡的發(fā)展作出了卓越的貢獻(xiàn)。1665年前后，胡克在顯微鏡中加入粗動(dòng)和微動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)和承載標(biāo)本片的工作臺(tái)。這些部件經(jīng)過不斷改進(jìn)，成為現(xiàn)代顯微鏡的基本組成部分。1673～1677年期間，列文胡克制成單組元放大鏡式的高倍顯微鏡,其中9臺(tái)保存至今。19世紀(jì)70年代，德國人E.阿貝奠定了顯微鏡成像的古典理論基礎(chǔ)。這些都促進(jìn)了顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展，并為19世紀(jì)后半葉包括R.科赫、L.巴斯德等在內(nèi)的生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和微生物提供了有力的工具。

1850年出現(xiàn)了偏光顯微術(shù)，1893年出現(xiàn)了干涉顯微術(shù)，1935年荷蘭物理學(xué)家F.澤爾尼克創(chuàng)造了相襯顯微術(shù)，他為此在1953年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。

二、各種各樣的顯微鏡

雙目立體顯微鏡:

將被觀察的物體放大，形成正立的有立體感的像，工作距離長較大的視場(chǎng)常用于檢驗(yàn)、裝配和修理細(xì)小的精密零件以及電子線路的焊接等工作．

金相顯微鏡：

用以觀察金屬磨片等非透明物體試樣不透明，照明光束從上面照射非透明物體．

單目與雙目光學(xué)金相顯微鏡干涉顯微鏡：由顯微鏡和干涉儀組合而成，基于測(cè)量干涉條紋的彎曲量而測(cè)量表面的微觀不平度及透明物體的折射率不均勻性等，干涉顯微鏡分反射型和透射型兩種類型．偏光顯微鏡：1、載物臺(tái)之下有一個(gè)下偏光鏡、使入射的自然光變?yōu)槠窆狻?、物鏡上有一個(gè)正交于下偏光鏡的上偏光鏡。3、目鏡下面有一個(gè)小的鏡并附有鎖光圈裝置稱勃氏(Bertrand)鏡．上偏光鏡與勃氏鏡可以推進(jìn)或拉出。

熒光顯微鏡：熒光物質(zhì)把入射的紫外線變?yōu)榭梢姽?，使熒光顯微鏡對(duì)可見光成像?？梢圆捎贸Ｒ?guī)的物鏡和目鏡．X射線顯微鏡：1．波長短（10-8cm數(shù)量級(jí)），因而可以達(dá)到極高的分辨率．2．試樣可以是透明的，也可以是不透明的，3．由于孔徑角小，可以有很大的焦深，能采用比較厚的試樣，易于實(shí)現(xiàn)立體攝影．4．X射線的吸收率與元素的原子序數(shù)有關(guān)，當(dāng)存在晶狀組織時(shí)，產(chǎn)生微衍射．X射線顯微鏡與微衍射及微吸收技術(shù)的結(jié)合，是研究生物和冶金的一個(gè)新的有力工具。

1金相顯微鏡的光學(xué)放大原理

光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)可達(dá)到1600～2000倍。當(dāng)被觀察物體AB置于物鏡前焦點(diǎn)略遠(yuǎn)處時(shí)，物體的反射光線穿過物鏡經(jīng)折射后，得到一個(gè)放大的倒立實(shí)像A1B1（稱為中間象）。若A1B1處于目鏡焦距之內(nèi)，則通過目鏡觀察到的物象是經(jīng)目鏡再次放大了的虛象A1’B1’。由于正常人眼觀察物體時(shí)最適宜的距離是250mm（稱為明視距離），因此在顯微鏡設(shè)計(jì)上，應(yīng)讓虛象A1’B1’正好落在距人眼250mm處，以使觀察到的物體影像最清晰。三、金相顯微鏡的基本原理2金相顯微鏡的主要性能指標(biāo)放大倍數(shù)顯微鏡的放大倍數(shù)為物鏡放大倍數(shù)M物和目鏡放大倍數(shù)子M目的乘積，即：

式中，f物—物鏡的焦距，f目—目鏡的焦距；L—顯微鏡的光學(xué)鏡筒長度；D

—明視距離（250mm）。f物和f目越短或L越長，則顯微鏡的放大倍數(shù)越高。有的小型顯微鏡的放大倍數(shù)需再乘一個(gè)鏡筒系數(shù)，因?yàn)樗溺R筒長度比一般顯微鏡短些。

顯微鏡的主要放大倍數(shù)一般是通過物鏡來保證，物鏡的最高放大倍數(shù)可達(dá)100倍，目鏡的放大倍數(shù)可達(dá)25倍。在物鏡和目鏡的鏡筒上，均標(biāo)注有放大倍數(shù)，放大倍數(shù)常用符號(hào)“×”表示，如100×，200×等。3、鑒別率能清晰地分辨試樣上兩點(diǎn)間最小距離d的能力d值越小，鑒別率越高。根據(jù)光學(xué)衍射原理，試樣上的某一點(diǎn)通過物鏡成象后，我們看到并不是一個(gè)真正的點(diǎn)象，而是具有一定尺寸的白色圓斑，四周圍繞著許多衍射環(huán)。當(dāng)試樣上兩個(gè)相鄰點(diǎn)的距離極近時(shí)，成象后由于部分重迭而不能分清為兩個(gè)點(diǎn)。只有當(dāng)試樣上兩點(diǎn)距離達(dá)到某一d值時(shí)，才能將兩點(diǎn)分辨清楚。顯微鏡的鑒別率取決于使用光線的波長（λ）和物鏡的數(shù)值孔徑（A），而與目鏡無關(guān)，其d值可由下式計(jì)算：在一般顯微鏡中，光源的波長可通過加濾色片來改變，例如：藍(lán)光的波長（）比黃綠光（）短，所以鑒別率較黃綠光高25%。當(dāng)光源的波長一定時(shí)，可通過改變物鏡的數(shù)值孔徑A來調(diào)節(jié)顯微鏡的鑒別率。

式中，n—物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率；—物鏡孔徑角的一半，即通過物鏡邊緣的光線與物鏡軸線所成夾角。

n越大或越大，則A越大，物鏡的鑒別率就越高。由于總是小于90度的。所以在空氣介質(zhì)(n=1）中使用時(shí)，A一定小于1，這類物鏡稱干系物鏡。若在物鏡與試樣之間充滿松柏油介質(zhì)（n=1.52），則A值最高可達(dá)1.4，這就是顯微鏡在高倍觀察時(shí)用的油浸系物鏡（簡稱油鏡頭）。每個(gè)物鏡都有一個(gè)額定A值，與放大倍數(shù)一起標(biāo)刻在物鏡頭上。4、物鏡的數(shù)值孔徑

圖2—2物鏡孔徑角物鏡的數(shù)值孔徑表示物鏡的聚光能力，如圖2－2所示。數(shù)值孔徑大的物鏡聚光能力強(qiáng)，能吸收更多的光線，使物象更清晰，數(shù)值孔徑A可由下式計(jì)算：

所以，顯微鏡的放大倍數(shù)M與物鏡的數(shù)值孔徑之間存在一定關(guān)系，其范圍稱有效放大倍數(shù)范圍。在選用物鏡時(shí)，必須使顯微鏡的放大倍數(shù)在該物鏡數(shù)值孔徑的500倍至1000倍之間。若，則未能充分發(fā)揮物鏡的鑒別率。若，則由于物鏡鑒別率不足而形成“虛偽放大“，細(xì)微部分仍分辨不清。5、放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑、鑒別率之間的關(guān)系

在常用光線的波長范圍內(nèi)，上式可進(jìn)一步簡化為：

顯微鏡的同一放大倍數(shù)可由不同倍數(shù)的物鏡和目鏡組合起來實(shí)現(xiàn)，但存在著如何合理選用物鏡和目鏡的問題。這是因?yàn)椋喝搜墼?50mm處的鑒別率為0.15~0.30mm，要使物鏡可分辨的最近兩點(diǎn)的距離d能為人眼所分辨，則必須將d放大到0.150.30mm，即：由于則透鏡像差及校正透鏡在成像過程中,由于透鏡本身物理?xiàng)l件的限制,使像變形和像模糊不清.這種像的缺陷,稱為光學(xué)系統(tǒng)的像差。單色光成像時(shí)的像差,即單色像差,如球差、彗差、像散、像場(chǎng)彎曲和畸變。多色光成像時(shí),由于介質(zhì)折射率隨光的波長不同而引起的像差,即色差.色差又分為位置色差和放大率色差兩種。

四、透鏡成象的質(zhì)量球差軸上物點(diǎn)發(fā)出的寬光束經(jīng)薄透鏡后不再交于一點(diǎn)無論屏在何處都將出現(xiàn)彌散斑度量球差大小會(huì)聚透鏡發(fā)散透鏡可選取不同曲率的透鏡或復(fù)合透鏡消球差

彗差

軸外傍軸物點(diǎn)發(fā)出的寬光束經(jīng)透鏡折射后不再交于一點(diǎn)，而在高斯像面上形成彗星狀彌散斑注意：球差和彗差往往同時(shí)存在，消除球差后才明顯觀察到彗差。像散遠(yuǎn)離軸上物點(diǎn)發(fā)出的窄光束經(jīng)透鏡后不再交于一點(diǎn)引入子午平面和弧矢平面子午光束和弧矢光束主軸子午焦線最小模糊圓弧矢焦線高斯焦面像場(chǎng)彎曲垂直于光軸的平面物體只有在近軸區(qū)域才近似成像為一個(gè)平面，對(duì)較大物面，像面不是平面而是曲面—場(chǎng)曲畸變當(dāng)物體發(fā)出光線與主軸有較大傾角時(shí)，即使是窄光束，所成像與原來的物不再相似—各部分放大率不一樣：桶形畸變、枕形畸變色差光的顏色由光的頻率決定—顏色由波長決定1.光的色視覺理想單色光——多種單色光疊加在一起——復(fù)色光注意：白光為復(fù)色光，能形成白色光的兩種單色光稱為互補(bǔ)色：紅與青綠與品紅藍(lán)與黃三基原色紅(R)綠(G)藍(lán)(B)700.0nm546.1nm435.8nm(1931CIE-RGB)645.2nm526.3nm444.4nm(1964CIE-RGB)注意：復(fù)色光照在某種表面由于反射或吸收率對(duì)波長具有選擇性，同種復(fù)色光在不同表面的反射得到的視覺效果是不同的。2.透鏡的色差透明介質(zhì)折射率與入射波長相關(guān)位置色差放大率色差單個(gè)透鏡無法消除色差,用凹透鏡與凸透鏡粘和起來，其系統(tǒng)主面與透鏡重合可消放大率色差要完全消除色差,必須使透鏡系統(tǒng)的焦距相等、焦點(diǎn)重合五、金相試樣的制備取樣原則：研究金屬及合金顯微組織的金相試樣應(yīng)從材料或零件在使用中最重要的部分截取，或在偏析夾雜等缺陷最嚴(yán)重的部位截取。分析損壞原因時(shí)，則應(yīng)在損壞的地方與完整的部位分別截取試樣，以探究其損壞或失效的原因。對(duì)于有些產(chǎn)生長裂紋的部件，則應(yīng)在裂紋發(fā)源處、擴(kuò)展處、或裂紋尾端分別取樣。對(duì)于大型的金相分析項(xiàng)目或較重要的金相檢驗(yàn)項(xiàng)目，在報(bào)告中都應(yīng)有圖或文字說明試樣選取的部位及方向。

橫向試樣常用于觀察：(a)試樣中心邊緣組織分布的漸變情況;(b)表面滲層、硬化層、鍍層等表面處理的深度及其組織；(c)表面缺陷,如裂紋、脫碳、氧化、過燒等疵病的深度;(d)非金屬夾雜物在整個(gè)端面上的分布情況;(e)測(cè)定晶粒度等．縱向試樣常用于觀察：(a)非金屬夾雜物大小、變形情況及其含量；(b)帶狀組織的存在或消除情況；(c)塑性變形引起的晶?；蚪M織變形的情況．制樣過程

金相試樣較理想的形狀是圓柱體或正方體，其直徑或邊長約10-20mm,高約10mm.磨光是為了消除取樣時(shí)產(chǎn)生的變形層.

金相試樣經(jīng)磨光后，仍有細(xì)微磨痕及表面金屬形變擾動(dòng)層，這將影響正確的顯示組織，因而必須通過拋光加以消除。拋光的基本方法有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、和電解拋光。

以下為制樣過程剪輯：六、基本結(jié)構(gòu)

普通金相顯微鏡的構(gòu)造主要分為三部分：機(jī)械部分、照明部分和光學(xué)部分。XJP—3A型金相顯微鏡的構(gòu)造1載物臺(tái)2物鏡3目鏡4視場(chǎng)光欄5孔徑光欄6底座7物鏡轉(zhuǎn)換器8縱動(dòng)手輪9橫動(dòng)手輪10粗調(diào)焦手輪11細(xì)調(diào)焦手輪12燈泡13變壓器XJP—3A型金相顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)工作原理目鏡組物鏡組輔助物鏡片（1）半透反光鏡聚光鏡組（2）濾色片聚光鏡組（1）燈泡雙目棱鏡組棱鏡消雜光欄輔助物鏡片（2）視場(chǎng)光欄孔徑光欄反光鏡

金相顯微鏡是一種精密光學(xué)儀器，在使用時(shí)要求細(xì)心和謹(jǐn)慎，嚴(yán)格按照使用規(guī)程進(jìn)行操作。①將顯微鏡的光源插頭接在低壓（6V～8V）變壓器上，接通電源。②根據(jù)放大倍數(shù)，選用所需的物鏡和目鏡，分別安裝在物鏡座上和目鏡筒內(nèi)，旋動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器，使物鏡進(jìn)入光路并定位（可感覺到定位器定位）。③將試樣放在樣品臺(tái)上中心，使觀察面朝下并用彈簧片壓住。④轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪先使鏡筒上升，同時(shí)用眼觀察，使物鏡盡可能接近試樣表面（但不得與之相碰），然后反向轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，使鏡筒漸漸下降以調(diào)節(jié)焦距，當(dāng)視場(chǎng)亮度增強(qiáng)時(shí)，再改用微調(diào)手輪調(diào)節(jié)，直到物象最清晰為止。⑤適當(dāng)調(diào)節(jié)孔徑光欄和視場(chǎng)光欄，以獲得最佳質(zhì)量的物象。⑥如果使用油浸系物鏡，可在物鏡的前透鏡上滴一些松柏油，也可以將松柏油直接滴在試樣上，油鏡頭用后，應(yīng)立即用棉花沾取二甲苯溶液擦凈，再用擦鏡紙擦干。金相顯微鏡的操作步驟

XJP-6A光學(xué)顯微鏡→光學(xué)適配鏡→CCD圖像采集→圖像數(shù)字化處理→USB口傳輸→計(jì)算機(jī)處理→顯示器→打印XJP-6A數(shù)碼顯微鏡二向色性晶體對(duì)相互垂直的兩個(gè)光振動(dòng)分量具有選擇吸收的性能，稱為二向色性。將二向色性的晶體涂敷于透明薄片上，就成為偏振片。偏振片是常用的起偏器和檢偏器，每個(gè)偏振片上都標(biāo)有偏振化方向。自然光I0線偏振光I偏振化方向線偏振光I'起偏器檢偏器

七、特殊顯微技術(shù)

物質(zhì)發(fā)出的光波具有一切可能的振動(dòng)方向，且各方向振動(dòng)矢量的大小相等，稱為自然光。當(dāng)矢量固定在一個(gè)固定的平面內(nèi)只沿一個(gè)固定方向作振動(dòng)時(shí)，這種光稱為偏振光。偏振光的光矢量振動(dòng)方向和傳播方向所構(gòu)成的面稱為振動(dòng)面。

自然光通過偏振棱鏡或人造偏振片可獲得偏振光。利用偏光原理，可對(duì)某些物質(zhì)具有的偏光性進(jìn)行觀察的顯微鏡，就稱為偏