光學(xué)顯微分析

第一章顯微鏡基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識顯微鏡成像原理顯微鏡的放大率透鏡的像差用途：生產(chǎn)廠家：目前全世界最主要的顯微鏡廠家主要有：奧林巴斯、蔡司、徠卡、尼康。國內(nèi)廠家主要有：江南、麥克奧迪等。

顯微鏡的發(fā)展歷史早在公元前一世紀，人們就已發(fā)現(xiàn)通過球形透明物體去觀察微小物體時，可以使其放大成像。后來逐漸對球形玻璃表面能使物體放大成像的規(guī)律有了認識。1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者已經(jīng)造出類似顯微鏡的放大儀器。1610年前后，意大利的伽利略和德國的開普勒在研究望遠鏡的同時，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)，當(dāng)時的光學(xué)工匠遂紛紛從事顯微鏡的制造、推廣和改進。17世紀中葉，英國的胡克和荷蘭的列文胡克，都對顯微鏡的發(fā)展作出了卓越的貢獻。1665年前后，胡克在顯微鏡中加入粗動和微動調(diào)焦機構(gòu)、照明系統(tǒng)和承載標(biāo)本片的工作臺。這些部件經(jīng)過不斷改進，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，其中九臺保存至今。胡克和列文胡克利用自制的顯微鏡，在動、植物機體微觀結(jié)構(gòu)的研究方面取得了杰出成就。19世紀，高質(zhì)量消色差浸液物鏡的出現(xiàn)，使顯微鏡觀察微細結(jié)構(gòu)的能力大為提高。1827年阿米奇第一個采用了浸液物鏡。19世紀70年代，德國人阿貝奠定了顯微鏡成像的古典理論基礎(chǔ)。這些都促進了顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展，并為19世紀后半葉包括科赫、巴斯德等在內(nèi)的生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家發(fā)現(xiàn)細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)家澤爾尼克創(chuàng)造了相襯顯微術(shù)，他為此在1953年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

1926年漢斯·布什研制了第一個磁力電子透鏡。1931年恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾研制了第一臺透視電子顯微鏡。1986年魯斯卡為此獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1938年魯斯卡在西門子公司研制了第一臺商業(yè)電子顯微鏡。1934年鋨酸被提議用來加強圖像的對比度。1937年第一臺掃描透射電子顯微鏡推出。一開始研制電子顯微鏡最主要的目的是顯示在光學(xué)顯微鏡中無法分辨的病原體如病毒等。1960年透射電子顯微鏡的加速電壓越來越高來透視越來越厚的物質(zhì)。這個時期電子顯微鏡達到了可以分辨原子的能力。1980年代人們能夠使用掃描電子顯微鏡觀察濕樣本。1990年代中電腦越來越多地用來分析電子顯微鏡的圖像，同時使用電腦也可以控制越來越復(fù)雜的透鏡系統(tǒng)，同時電子顯微鏡的操作越來越簡單。1基礎(chǔ)知識：

發(fā)光點、波面、光線、光束、光的直線傳播定律、光的獨立傳播定律、反射定律和折射定律、全反射及臨界角發(fā)光點----本身發(fā)光或被照明的物點。既無大小又無體積但能輻射能量的幾何點。對于光學(xué)系統(tǒng)來說，把一個物體看成由許多物點組成，把這些物點都看成幾何點(發(fā)光點)。把不論多大的物體均看作許多幾何點組成。研究每一個幾何點的成像。進而得到物體的成像規(guī)律。

波面---發(fā)光點在某一時刻發(fā)出的光形成波面如果周圍是各向同性均勻介質(zhì)，將形成以發(fā)光點為中心的球面波或平面波

光線----波面的法線即幾何光學(xué)中所指的光線光束---波面法線族。發(fā)光點發(fā)出的在各向同性的均勻介質(zhì)的光束為同心光束光的直線傳播定律

光在各向同性的均勻介質(zhì)中沿直線傳播。

(忽略衍射現(xiàn)象)光的獨立傳播定律。以不同的途徑傳播的光同時在空間某點通過時，彼此互不影響，各路光好像其他光線不存在似地獨立傳播。而在各路光相遇處，其光強度是簡單地相加，總是增強的。(忽略干涉現(xiàn)象)光的干涉：光的反射定律與光的折射定律

當(dāng)光傳至二介質(zhì)的光滑分界面時遵循反射與折射定律光的反射定律：①入射光線、法線和反射光線在同一平面內(nèi)；②入射光線與反射光線在法線的兩側(cè)，且有：

光的折射定律：

①折射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi)；②折射角與入射角的正弦之比與入射角的大小無關(guān)，僅由兩介質(zhì)的性質(zhì)決定，當(dāng)溫度、壓力和光線的波長一定時，其比值為一常數(shù)，等于前一介質(zhì)與后一介質(zhì)的折射率之比，即反射定律是折射定律當(dāng)n'=-n時的特殊情況光線傳播的可逆性·令CO為入射光線，則OA為反射光線（反射定律）·令BO為入射光線，則OA為折射光線（折射定律）由此說明光的傳播是可逆的，即光路的可逆性。結(jié)論：以上定律解決了光在各向同性均勻介質(zhì)中的傳播和在兩介質(zhì)分界面且改變方向的問題。因此可解決光經(jīng)任何界面后繼續(xù)傳播的方向，是光線經(jīng)整個光學(xué)系統(tǒng)傳播的基礎(chǔ)。

全反射

當(dāng)光入射到光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)的分界面時，不會發(fā)生全反射。

當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，逐漸增大入射角到某一值時，折射角達90度，使折射光線沿界面掠射而出。若入射角繼續(xù)增大，將會發(fā)生全反射。對應(yīng)于折射角為90度的入射角稱臨界角：全反射的應(yīng)用：一些基本概念：光軸、頂點、共軸光學(xué)系統(tǒng)、非共軸光學(xué)系、實物（像）點、虛物（像）點、物像空間。①光軸

——對于一個球面，光軸是通過球心的直線

對于一個透鏡，光軸為兩個球心的連線

②頂點

——光軸與球面的交點

③共軸光學(xué)系統(tǒng)

——所有的球心都在一條直線上

④非共軸光學(xué)系統(tǒng)

——所有的球心不全在一條直線上

一個球面有無數(shù)光軸一個透鏡有一個光軸共軸球面系統(tǒng)非共軸球面系統(tǒng)⑤實物(像)點——實際光線的交點(屏上可接收到)

虛物(像)點

——光線的延長線的交點(屏上接收不到,人眼可感受)

⑥物(像)空間

——物(像)所在的空間，可從-∞到+∞

實物(像)空間——實物(像)可能存在的空間

虛物(像)空間

——虛物(像)可能存在的空間

2顯微鏡成像原理（1）放大原理放大原理圖（2）物像相似規(guī)律P2德國阿貝用光的衍射和干涉理論解釋了顯微鏡的成像過程。注：衍射光干涉圖樣上的某個亮點是由不同物點的同級衍射光相干加強形成的；同一物點上的光由于衍射分解，對衍射圖樣上的許多光點有貢獻。同一物點上滿足相干加強的各級衍射光，在產(chǎn)生相應(yīng)的衍射亮點后繼續(xù)傳播，在像平面上又相互干涉形成圖像，這個圖像就是物象。規(guī)律：結(jié)論：

物象是由直射光和衍射光互相干涉形成的，不讓衍射光通過就不能成像；參與成像的初級干涉花樣中亮點數(shù)越多，相對于中心亮點面對稱性越好，也就是允許參與成像的衍射光的次數(shù)越高，則物象的相似性就越好。推論——提高成像質(zhì)量的措施：（1）光波波長越短越好（2）在物體和物鏡間填充高折射率的透明介質(zhì)（3）增加物鏡的數(shù)值孔徑3顯微鏡的放大率理論上應(yīng)該等于A”B”和A’”B’”長度的比值。為方便起見，表達為：物鏡放大率M1與目鏡放大率M2的乘積。D為人眼睛的明視距離；f2為目鏡的焦距。L為顯微鏡的光學(xué)鏡簡長度所以有：光學(xué)鏡筒長度在實際應(yīng)用中很不方便，通常均使用機械鏡筒長度，即物鏡的支承面與目鏡支承面之間的距離。顯微鏡的機械鏡筒長度分為有限和任意兩種。有限機械鏡筒長度各國標(biāo)準不同，一般在160—190mm之間，我國規(guī)定為160mm。物鏡外殼上通常標(biāo)有160／0或160／-等，斜線前數(shù)字表示機械鏡簡長度，斜線后的“0”或“-”表示金相顯微鏡不用蓋玻璃片；對于透射顯微鏡，此處的數(shù)字表示蓋玻璃片的厚度。任意機械鏡筒長度用∞／0或∞／-表示，這種物鏡可以在任何鏡筒長度下使用，而不會影響成像質(zhì)量。4透鏡的像差

實際光學(xué)系統(tǒng)的成像是不完善的，光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各表面?zhèn)鬏敃纬啥喾N像差，使成像產(chǎn)生模糊、變形等缺陷。像差就是光學(xué)系統(tǒng)成像不完善程度的描述。光學(xué)系統(tǒng)的像差可以用幾何像差來描述，包括：球差

如圖：軸上點A發(fā)出的某孔徑帶的光線與近軸光線交于不同點，形成球差。分類：軸向球差、垂軸球差存在球差時，在像面上會產(chǎn)生圓形彌散斑規(guī)律：（1）會聚面產(chǎn)生負球差，發(fā)散面產(chǎn)生正球差；正透鏡恒產(chǎn)生負球差，負透鏡恒產(chǎn)生正球差，當(dāng)入、出射光線關(guān)于透鏡對稱時，球差取得極值（絕對值最?。?，此時的透鏡形狀為最小球差形狀。（2）單個薄透鏡不可能消球差矯正辦法：1.雙膠合透鏡，能否校正球差要看玻璃對挑選是否合適。

2.微小間隔的雙分離透鏡，除校正球差外還可校正另一種像差。色差：對白光成像的光學(xué)系統(tǒng)，由于材料對不同波長的色光折射率不同，使各色光線具有不同的成像位置和倍率。分類：位置色差：由于同種材料對不同波長具有不同的折射率；倍率色差：波長變化引起材料的折射率變化，繼而引起光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率變化，像的大小隨之變化。球差與色差的比較：彗差

當(dāng)系統(tǒng)不滿足等暈條件時，軸外點存在彗差。畸變

畸變僅是像的變形，不影響像的清晰度。有些光學(xué)系統(tǒng)只對清晰度要求高，對變形的要求可以降低。實際像高比理想像高大，稱正畸變，反之稱負畸變。根據(jù)畸變的正負，等距的同心圓將會變成不同形狀的不等距的同心圓，正方網(wǎng)格也會變成枕形或桶形?；兲卣鳎?.全對稱系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)對稱，物像對稱），不產(chǎn)生畸變；

2.孔闌與之重合的接觸薄系統(tǒng)，不產(chǎn)生畸變（主光線通過系統(tǒng)中心，沿理想方向射出）；

3.對于單薄透鏡，光闌前移——負畸變，光闌后移——正畸變。因此，畸變與光闌位置有關(guān)?；兊漠a(chǎn)生：像域彎曲：垂直于光軸的直立的物體經(jīng)過透鏡后會形成一彎曲的驚面，這稱為像域彎曲。像域彎曲是幾種保差綜合作用的結(jié)果，以致難以在垂直放著的平膠片上得到全部清晰的成像。矯正辦法：像域彎曲可以用特制的物鏡校正。平面消色差物鏡或平面復(fù)消色差物鏡都可以用來校正驚域彎曲，使成像平坦清晰。5顯微鏡的物鏡內(nèi)容：指標(biāo)（數(shù)值孔徑、分辨率、放大率、焦深、工作距離、視場范圍），類型（1）數(shù)值孔徑

物鏡的數(shù)值孔徑表示物鏡收集光線的能力。物鏡對試樣上各點的反射光收集得越多，成像質(zhì)量就越好。數(shù)值孔徑常以N.A.來表示，并用下列公式進行計算：n—物鏡與試樣之間介質(zhì)的折射率Φ—物鏡孔徑角的一半數(shù)值孔徑的意義：決定了物鏡對樣品細節(jié)的分辨率，進而影響該物鏡適宜的放大倍數(shù)。注：干系物鏡的數(shù)值孔徑不可能超過1，油浸物鏡可以，最大可以達到1.4左右。油浸物鏡在鏡體上有黑圈標(biāo)志。（2）分辨率顯微鏡的分辨率用它能清晰地分辨試樣上兩點間的最小距離d表示。分辨率決定了顯微鏡分辨試樣上細節(jié)的程度。注：目鏡只能放大物鏡已經(jīng)分辨開的細節(jié)，物鏡不能分辨的細節(jié)不可能通過目鏡的放大而變的可分辨。物鏡分辨率表達式：所以，對于一定波長的入射光，物鏡的分辨率完全取決于物鏡的數(shù)值孔徑；數(shù)值孔徑越大，分辨率就越高。（3）物鏡適宜的放大率為了充分利用物鏡的分辨率，使操作者看清已被物鏡分辨出的組織細節(jié)，顯微鏡必須有適當(dāng)?shù)姆糯舐?。人眼睛能看清的組織細節(jié)對眼睛的視角應(yīng)大于眼睛的極限分辨角。當(dāng)照明條件良好時，這一極限分辨角約為1’。為了使眼睛能夠不太費力地分辨，視角應(yīng)位于2’~4’之間。如果取2’為分辨角的下限，4’為分辨角的上限，則人眼在明視距離處能分辨的線距離d’＝半徑×弧度，即，即人眼在明視距離處的分辨距離應(yīng)不小于0.15~0.30mm。由于顯微鏡的放大率M為d’與d之比，所以，假設(shè)用人眼睛最敏感的黃綠光0.55μm計算，M的范圍在：該范圍稱為有效放大率。（4）焦深焦深是物鏡對高低不平的物體能夠清晰成像的能力。當(dāng)顯微鏡準確聚焦于某一物面時，如果位于其前面及后面的物面仍然能被觀察者看清楚，則該最遠兩平面之間的距離就是焦深。物鏡的焦深主要取決于物鏡的數(shù)值孔徑。在照相時，物鏡的焦深與數(shù)值孔徑之間的關(guān)系如下：規(guī)律：物鏡的數(shù)值孔徑越大，焦深越小。所以，高倍觀察的樣品應(yīng)該作淺腐蝕處理。用眼睛觀察時的焦深：（5）工作距離與視場范圍工作距離——顯微鏡準確聚焦后，試樣表面和物鏡前端之間的距離。規(guī)律：物鏡的放大率越高，工作距離越短。視場范圍——顯微鏡準確聚焦后，所能觀察到的試樣表面區(qū)域的大小。規(guī)律：視場范圍與物鏡的放大率成反比。（6）物鏡的類型10×0.25物鏡20×0.4物鏡40×0.65復(fù)消色差物鏡60×0.8物鏡50×0.6折反射UV物鏡100×1.3浸水物鏡規(guī)律：隨著放大倍數(shù)由低到高，其結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。低倍物鏡可以用雙膠合，中倍物鏡用雙雙膠合，高倍物鏡用雙膠合＋前片，數(shù)值孔徑更大的阿貝物鏡則需要浸油?；绢愋停喊凑諏Ω鞣N像差校正程度的不同，一般將物鏡分為消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡和平視場物鏡三大類。消色差物鏡對球差的校正限于黃綠光范圍內(nèi)，對色差只校正紅、綠光。因此消色差物鏡仍有殘余的色差，保域彎曲仍然存在。使用消色差物鏡時采用黃綠光照明或加黃綠色濾色片可以減少像差。復(fù)消色差物鏡對色差可校正紅、綠、紫三個波區(qū)(實際等于整個可見光范圍)；球差校正可達綠紫光范圍，但對像域彎曲沒有根本的改善，這種物鏡對光源沒有任何限制，一般數(shù)值孔徑較大，成像質(zhì)量較高，適于高倍觀察。平視場物鏡是以視場平面校正的廣度為標(biāo)準的。平視場物鏡可使像域彎曲得到很好的校正。平視場物鏡又可分為平場消色差物鏡和平場復(fù)消色差物鏡，對球差和色差的校正分別與消色差物鏡和復(fù)消色差物鏡相同。這種物鏡的特點是顯著地擴大了像域的平整范圍，使整個視場都比較清晰，適于觀察，更有利于照相。標(biāo)志：PL6顯微鏡的目鏡作用：將物鏡放大的實像再放大，觀察時在明視距離處成一放大的虛像，照相時底片上得到一實像。有的目鏡還可以校正物鏡未能完全校正的像差。類型：（1）惠更斯目鏡

荷蘭科學(xué)家惠更斯于1703年設(shè)計，有兩片平凸透鏡組成，前面為場鏡，后面為接目鏡，他們的凸面都朝向物鏡一端，場鏡的焦距一般是接目鏡的2-3倍，鏡片間距是它們焦距之和的一半?；莞鼓跨R視場約為25-40度?；莞鼓跨R既可用于觀察，又可用于照相。屬于負型目鏡，不校正像差，適合低倍觀察。（2）冉斯登目鏡

于1783年設(shè)計成功，也是兩片兩組結(jié)構(gòu)，由凸面相對，焦距相同的兩個平凸透鏡組成。間距為兩者焦距和的2/3-3/4，其色差略大，場曲顯著減小，視場約為30-45度，目前已很少采用。對像域彎曲和畸變有較好的校正。在同樣倍率下，視場比負型目鏡小。

（3）凱爾納目鏡

是在冉斯登目鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，出現(xiàn)于1849年，主要改進是將單片的接目鏡改為雙膠合消色差透鏡，大大改善了對色差和邊緣像質(zhì)的改善，視場達到40-50度，低倍時有著舒適的出瞳距離，但是在高倍時表現(xiàn)欠佳。另外，凱爾納目鏡的場鏡靠近焦平面，這樣場鏡上的灰塵便容易成像，影響觀測，所以要特別注意清潔。美國一家公司在凱爾納目鏡的基礎(chǔ)上進一步改進，研制出了RKE目鏡，其邊緣像質(zhì)要好于經(jīng)典結(jié)構(gòu)。（4）阿貝無畸變目鏡(簡稱OR目鏡)

1880年由德國蔡司公司創(chuàng)始人之一的阿貝設(shè)計，為四片兩組結(jié)構(gòu)，其中場鏡為三膠合透鏡，接目鏡為平凸透鏡，該目鏡成功的控制了色差和球差，并把鬼像和場曲降低到難以察覺的程度，它還具有40-50度的平坦視場和足夠的出瞳距離，在各倍率都有良好表現(xiàn)，一直被廣泛采用。（5）愛勒弗廣角目鏡

1917年研制成功，是其后所有廣角目鏡的鼻祖，結(jié)構(gòu)為5片三組，視場高達60-75度。由于邊緣存在像散，所以不太適合高倍設(shè)計，其在低倍時的表現(xiàn)是非常出色的。（6）普羅素目鏡

又稱為對稱目鏡。由完全相同的兩組雙膠合消色差透鏡組成，其參數(shù)表現(xiàn)與OR目鏡相當(dāng)，但具有更大的出瞳距離和視場，造價更低，而且適用于所有的放大倍率，是目前應(yīng)用最為廣泛的目鏡，曾派生出多種改進型。（7）Nagler目鏡

一種于1979年由美國人設(shè)計的高檔目鏡，有著82度的驚人視場，優(yōu)質(zhì)的邊緣像質(zhì)和舒適的出瞳距離，以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高昂的價格，和超過一公斤的重量。7金相顯微鏡的照明系統(tǒng)（1）光源：鎢絲白熾燈、鹵素?zé)簟⑻蓟?、氙燈特點：鎢絲白熾燈6~8V，15~100W，適合金相組織觀察；鹵素?zé)羰擎u絲白熾燈的升級版，更耐用，不容易變黑。碳弧燈亮度高，但電弧閃爍厲害，不適合照相。氙燈光強度高，穩(wěn)定，壽命長，光譜連續(xù)。但易爆炸，使用維護麻煩。（2）照明方式：臨界照明、科勒照明臨界照明的特點是光源的像通過聚光透鏡首先聚焦在視場光欄上，然后與視場光欄的像一起聚焦在試樣表面。采用臨界照明可以得到最高的亮度，但要求光源具有非常均勻的輻射表面，否則在視場中將會看到光源的放大影像，這對于觀察顯微組織細爺和顯微照相都是很不利的?？评照彰鳌?893年，科勒(Kohler)提出了一種新的照明方法，它的特點是光源的像通過聚光透鏡首先聚使在孔徑光欄上，然后與孔徑光欄的像一起聚焦在物鏡的后焦面。采用科勒照明可以使物鏡的后焦面得到充分的照明，因而可以最充分地發(fā)揮物鏡的分辨率；它還可以使視場得到非常均勻的照明，對光源均勻性的要求也不像在臨界照明時那樣嚴格。（3）明場照明和暗場照明明場照明是金相顯微鏡主要的照明方式。在鑒別非金屬夾雜物等待殊用途中，往往要采用暗場照明。金相試樣的制備簡介取樣鑲樣磨光拋光腐蝕2.1簡介顯微分析是研究金屬內(nèi)部組織的最重要的方法。在金相學(xué)一百多年的發(fā)展歷史中，絕大部分研究工作是借助于光學(xué)顯微鏡完成的。近年來，電子顯微鏡的重要性日益增加，但是光學(xué)顯微金相技術(shù)在教學(xué)、科學(xué)和生產(chǎn)中仍將占據(jù)一定的位置。試樣制備工作包括許多技巧，需要有長期的實踐經(jīng)驗才能較好地掌握；同時它也比較費時和單調(diào)，往往使人感到厭煩。金相顯微鏡的使用之所以比生物顯微鏡晚二百年，其原因就是由于長期沒有解決好試樣制備問題。由于研究材料各異，金相顯微制樣的方法是多種多樣，其程序通?？煞譃槿印㈣倶?、磨光、機械拋光(或電解概拋光、化學(xué)拋光)、腐蝕等幾個主要工序，無論哪一個工序操作不當(dāng)，都會影響最終效果。因此，不應(yīng)忽視任何一個環(huán)節(jié)。不適當(dāng)?shù)牟僮骺赡苄纬伞皞谓M織”導(dǎo)致錯誤的分析。為能清楚的顯示出組織細節(jié)，在制樣過程中不使試樣表層發(fā)生任何組織變化，曳尾、劃痕、麻點等，有時尚需保護好試樣的邊緣。2.2取樣選擇合適的、有代表性的試樣是進行金相顯微分析的極其重要的一步，包括選擇取樣部位、檢驗面及確定截取方法、試樣尺寸等。一、取樣部位及檢驗面的選擇取樣部位及檢驗面的選擇取決于被分析材料或零件的特點、加工工藝過程及熱處理過程，應(yīng)選擇有代表性的部位。生產(chǎn)中常規(guī)檢驗所用試樣的取樣部位、形狀、尺寸都有明確的規(guī)定(詳見有關(guān)行業(yè)和國家頒布標(biāo)準)。零件失效分析的試樣，應(yīng)該根據(jù)失效的原因，分別在材料失效部位和完好部位取樣，以便于對比分析。對鑄件，必須從表面到心部，從上部到下部觀察其組織差異，以了解偏析情況，以及縮孔疏松及冷卻速度對組織的影響。因此，取樣時要兼顧考慮，對鍛軋及冷變形加工的工件，應(yīng)采用縱向檢查面，以觀察組織和夾雜物的變形情況，而熱處理后的顯微組織則應(yīng)采用橫向截面。二、試樣的截取取樣時，應(yīng)保證不使被觀察的截面由于截取而產(chǎn)生組織變化，因此對不同的材料要采用不同的截取方法：對于軟材料，可以用鋸、車、刨等加工方法；對于硬材料，可以用砂輪切片機切割或電火花切割等方法。對于硬而脆的材料，可以用錘擊方法。在大工件上取樣，可用氧氣切割等方法。在用砂輪切割或電火花切割時，應(yīng)采取冷卻措施，以免試樣因受熱而引起組織變化。三、試樣尺寸金相試樣的大小以便于握持、易于磨制為準。通常顯微試樣為直徑15mm、高15~20mm的圓柱體或邊長為15~25mm的立方體。2.3鑲樣一般情況下，如果試樣大小合適，則不需要鑲樣，但試樣尺寸過小或形狀極不規(guī)則者，如帶、絲、片、管，制備試樣十分困難，就必須把試樣鑲嵌起來。鑲嵌分冷鑲嵌和熱鑲嵌二種。金相試樣鑲樣機

目前一般多采用塑料鑲嵌。鑲嵌材料有熱凝性塑料(如膠木粉)、熱塑性塑料(如聚氯乙烯)、冷凝性塑料(環(huán)氧樹脂加固化劑)及醫(yī)用牙托粉加牙托水等。這些材料都各有其特點。膠木粉不透明，有各種顏色，而且比較硬，試樣不易倒角，但抗強酸強堿的耐腐蝕性能比較差。聚氯乙烯為半透明或透明的，抗酸堿的耐腐蝕性能好，但較軟。用這兩種材料鑲樣均需用專門的鑲樣機加壓加熱才能成型。金相試樣鑲樣機主要包括加壓設(shè)備、加熱設(shè)備及壓模三部分。對溫度及壓力極敏感的材料(如淬火馬氏體與易發(fā)生塑性變形的軟金屬)，以及微裂紋的試樣，應(yīng)采用冷鑲、洗滌后可在室溫下固化，將不會引起試樣組織的變化。機械鑲嵌用夾具

低熔點合金和牙托粉加牙托水鑲嵌法

低熔點合金鑲嵌法，利用融溶的低溶點合金溶液澆鑄鑲嵌成合適的金相試樣。將欲鑲嵌的細小試樣放置在一塊平整的鐵板上，用合適的金屬圈或塑料圈套在試樣外面，將低熔點合金注入圈內(nèi)待冷卻后即可。牙托粉加牙托水鑲嵌法，這種方法操作方便。室溫下將牙托粉加適量的牙托水調(diào)成糊狀(不能太稀)，將欲鑲嵌的細小試樣放置在一塊平整的玻璃上，用合適的金屬圈或塑料圈套在試樣外面，室溫下將牙托粉加適量的牙托水調(diào)成糊狀(不能太稀)，并迅速注入金屬圈或塑料圈內(nèi)待30分鐘后即固化，目前這樣方法完全可取代低熔點合金鑲嵌法。2.4磨光磨光分為粗磨與精磨(1)粗磨的目的是為整平試樣，并磨成合適的形狀。金相試樣的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是應(yīng)盡可能減少表層損傷。每一道磨光工序必須除去前一道工序造成的變形層(至少應(yīng)使前一道工序產(chǎn)生的變形層減少到本道工序產(chǎn)生的變形層深度)，而不是僅僅把前一道工序的磨痕除去；同時，該道工序本身應(yīng)做到盡可能減少損傷，以便于進行下一道工序。最后一道磨光工序產(chǎn)生的變形層深度應(yīng)非常淺，保證能在下一道拋光工序中除去。圖2-3為試樣經(jīng)過切割加工及四道磨光工序后，表面變形層厚度變化示意圖。圖中A、B、C均為變形層，越往里，變形量越小，D為未受損傷的組織。此過程要注意防止金屬過分發(fā)熱。試樣經(jīng)過切削磨光后變形層厚度變化示意圖

(2)精磨精磨的目的是消除粗磨時留下的較深的磨痕，為下一步拋光打好基礎(chǔ)。精磨通常是在砂紙上進行，砂紙分水砂紙和金相砂紙。通常水砂紙為SiC磨料不溶于水，金相砂紙的磨料有人造剛玉、碳化硅、氧化鐵等，性均極硬，呈多邊棱角，具有良好的切削性能，精磨時可用水作潤滑劑進行手工濕磨或機械濕磨，通常使用粒度為240、320、400、600四種水砂紙進行磨光后即可進行拋光，對于較軟金屬，應(yīng)用更細的金相砂紙磨光后再拋光。對于有一定數(shù)量的試樣，精磨可用手工濕磨機(圖2-4)進行。圖2-4手工操作砂紙濕磨設(shè)備外形圖 除此以外還可以采用機械磨制(圖2-5)將不同粒度的碳化硅砂紙分別置于邊緣略有突起放了一些水的電動轉(zhuǎn)盤上，則隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，砂紙下面的水被甩出，砂紙被吸附在轉(zhuǎn)盤上，即可進行機械濕磨，磨光效率能進一步提高。圖2-6示出轉(zhuǎn)盤式金相預(yù)磨機，使用時用水作潤滑劑和冷卻劑。配有微型計算機的自動磨光機，可以對磨光過程進行程序控制，整個磨光過程可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成。

圖2-6自動磨樣機 2.5拋光拋光的目的是要盡快把磨光留下的細微磨痕成為光亮無痕的鏡面，金相試樣的拋光基本分為機械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光三類。一、機械拋光拋光的目的就是要盡快反磨光工序留下的變形層除去，并使拋光產(chǎn)生的變形層不影響顯微組織的觀察。拋光操作的關(guān)鍵是要設(shè)法得到最大的拋光速率，以便盡快除去磨光時產(chǎn)生的損傷層，同時要使拋光產(chǎn)生的變形層不致影響最終觀察到的組織，即不會產(chǎn)生假象。這兩個要求是有矛盾的，前者要求使用較粗的磨料，但會使拋光變形層較深；后者要求使用最細的磨料，但拋光速率較低。解決這個矛盾的最好辦法是把拋光分為兩個階段來進行。首先是粗拋，目的是除去磨光的變形層，這一階段應(yīng)具有最大的拋光速率，粗拋本身形成的變形層是次要的考慮，不過也應(yīng)盡可能小。其次是精拋(又稱終拋)，其目的是除去粗拋產(chǎn)生的變形層，使拋光損傷減到最小。二、電解拋光機械拋光時，試樣表面要產(chǎn)生變形層，影響金相組織顯示的真實性。電解拋光可以避免上述問題，因為電解拋光純系電化學(xué)的溶解過程，沒有機械力的作用，不引起金屬的表面變形。對于硬度低的單相合金以及一般機械拋光難于做到的鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、不銹鋼等宜采用此法。此外，電解拋光對試樣磨光程度要求低(一般用800號水砂紙磨平即可)，速度快，效率高。但是電解拋光對于材料化學(xué)成分的不均勻性，顯微偏析特別敏感，非金屬夾雜物處會被劇烈地腐蝕，因此電解拋光不適用于偏析嚴重的金屬材料及作夾雜物檢驗的金相試樣。圖2-8電解拋光裝置與電解光原理

(a)電解拋光裝置（b）電解拋光原理圖2-9自動電解拋光儀三、化學(xué)拋光化學(xué)拋光是靠化學(xué)溶解作用得到光滑的拋光表面。這種方法操作簡單，成本低廉，不需要特別的儀器設(shè)備，對原來試樣表面的光潔度要求不高，這些優(yōu)點都給金相工作者帶來很大方便?；瘜W(xué)拋光的原理與電解拋光類似，是化學(xué)藥劑對試樣表面不均勻溶解的結(jié)果。在溶解的過程中表層也產(chǎn)生一層氧化膜，但化學(xué)拋光對試樣原來凸起部分的溶解速度比電解拋光慢，因此經(jīng)化學(xué)拋光后的磨面較光滑但不十分平整，有波浪起伏。這種起伏一般在物鏡的垂直鑒別能力之內(nèi)，適于用顯微鏡作低倍和中倍觀察?；瘜W(xué)拋光是將試樣浸在化學(xué)拋光液中，進行適當(dāng)?shù)臄噭踊蛴妹藁ń?jīng)常擦試，經(jīng)過一定時間后，就可以得到光亮的表面?；瘜W(xué)拋光兼有化學(xué)腐蝕的作用，能顯示金相組織，拋光后可直接在顯微鏡下觀察?；瘜W(xué)拋光液的成分隨拋光材料的不同而不同。一般為混合酸溶液，常用的酸類有：正磷酸、鉻酸、硫酸、醋酸、硝酸及氫酸；為了增加金屬表面的活性以利于化學(xué)拋光的進行，還加入一定量的過氧化氫?；瘜W(xué)拋光液經(jīng)使用后，溶液內(nèi)金屬離子增多，拋光作用減弱，需經(jīng)常更換新溶液。2.6金相試樣的腐蝕試樣機械拋光后，在顯微鏡下，只能看到光亮的磨面及夾雜物等。要對試樣的組織進行顯微分析，還必須讓試樣經(jīng)過腐蝕。常用的腐蝕方法有化學(xué)腐蝕法和電解腐蝕法(觀察非金屬夾雜的金相試樣，直接采用光學(xué)法，不需要作任何腐蝕)。一、化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕是將拋光好的樣品磨光面在化學(xué)腐蝕劑中腐蝕一定時間，從而顯示出其試樣的組織形貌。純金屬及單相合金的腐蝕是一個化學(xué)溶解的過程。由于晶界上原子排列不規(guī)則，具有較高自由能，所以晶界易受腐蝕而呈凹溝，使組織顯示出來，在顯微鏡下可以看到多邊形的晶粒。若腐蝕較深，則由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同，腐蝕后的顯微平面與原磨面的角度不同，在垂直光線照射下，反射進入物鏡的光線不同，可看到明暗不同的晶粒(如圖2-10所示)。圖2-10純金屬及單相合金化學(xué)腐蝕情況示意圖 兩相合金的腐蝕主要是一個電化學(xué)腐蝕過程。兩個組成相具有不同的電極電位，在腐蝕劑中，形成極多微小的局部電池。具有較高負電位的一相成為陽極，被溶入電解液中而逐漸凹下去；具有較高正電位的另一相為陰極，保持原來的平面高度。因而在顯微鏡下可清楚地顯示出合金的兩相。圖2-11為鎂-鋅合金與珠光體組織兩相腐蝕后的情況。多相合金的腐蝕，主要也是一個電化學(xué)的溶解過程。在腐蝕過程中腐蝕劑對各個相有不同程度的溶解。必須適用合適的腐蝕劑，如果一種腐蝕劑不能將全部組織顯示出來，就應(yīng)采取兩種或更多的腐蝕劑依次腐蝕，使之逐漸顯示出各相組織，這種方法也叫選擇腐蝕法。另一種方法是薄膜染色法。此法是利用腐蝕劑與磨面上各相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層厚薄不均的膜(或反應(yīng)沉淀物)，在白光的照射下，由于光的干涉使各相呈現(xiàn)不同的色彩，從而達到辨認各相的目的。二、電解腐蝕電解腐蝕所用的設(shè)備與電解拋光相同，只是工作電壓和工作電流比電解拋光時小。這時在試樣磨面上一般不形成一層薄膜，由于各相之間和晶粒與晶界之間電位不同，在微弱電流的作用下各相腐蝕程度不同，因而顯示出組織。此法適于抗腐蝕性能強、難于用化學(xué)腐蝕法腐蝕的材料。若試樣制備好后需要長期保存，則需要在腐蝕過的試樣觀察面上涂上一層極薄的保護膜，常用的有火棉膠或指甲油等。

相襯顯微鏡又叫相差顯微鏡（phasecontrastmicroscope）能把標(biāo)本中細節(jié)與背景之間的光程差(透過的光波產(chǎn)生的相位差)轉(zhuǎn)變?yōu)楣獠ǖ恼穹顝?/p>