实验一 普通光学金相显微镜的构造及使用.doc

实验一 普通光学金相显微镜的构造及使用实验二 金相样品制备的一般方法一、 实验目的：1、了解普通光学显微镜的构造，各主要部件及元件的效用。2、掌握正确的使用操作规程及维护方法。 3、掌握金相样品制备的一般方法（机械抛光和化学浸蚀）。4、了解金相样品制备的其他方法。 二、 实验原理正常人眼看物体时，最适宜的距离大约在250mm左右，这个距离称为“明视距离”，此时能分辨的最小距离约为0.150.30mm。显微镜通过物镜及目镜两次放大而得到倍数较高的放大像，下图为它的放大原理图。显微镜的基本构造：光学系统、照明系统、机械系统。显微镜二级放大原理 ：放大倍数为显微组织的显示（浸蚀）-原理：1）单相合金的浸蚀单相合金（包括纯金属）的组织是由不同晶粒组成的。各个晶粒的位向不同，存在着晶粒间界。一般晶界处的电极电位和晶粒内的不同，而且具有较大的化学不稳定性。因此在和化学试剂作用时，溶解得比较快，不同位向的晶粒，溶解程度也不同。在晶界处凹下去，光线被反射向斜方向而不进入目镜，呈现黑色。晶粒内也因表面倾斜程度不同有深浅不同。2）二相合金的浸蚀二相合金的浸蚀是由于化学成分不同、结构不同、因而电化学性质不同、电极电位也不同的相组成了微电池，具有较高负电位的相成为阳极，溶解得快，逐渐凹下去；具有较高正电位的相则成为阴极，一般不易溶解，基本上保持原有平面（凸出，光亮色）。作为阳极的相如果表面（凹下去）本身又不平滑，则在显微镜下呈现暗黑色。三、 实验内容、步骤及设备内容：1、认真观察和识别实验用金像显微镜的外形结构；各类元件和部件的效用和外貌特征和标志。2、练习显微镜的操作规程。正确选用物镜和目镜的匹配。光阑的调节、放大倍数的计算、目镜测微尺的使用、调焦的操作、维护的要点。垂直照明器的选用、滤色片的选用、暗场的使用等。3、参观其他类型的显微镜。4、观察和识别实验用显微镜的外形结构；各类元件和部件的效用和外貌特征和标志。5、练习显微镜的操作规程。正确选用物镜和目镜的匹配、光阑的调节、放大倍数的计算、调焦操作、维护要点。 6、参观其它类型的金相显微镜。 7、用机械抛光和化学浸蚀法制备金相样品一块。 8、观察试样的显微组织并绘制组织图 （F50毫米圆形，图下标注材料名称、热处理规程、总放大倍数、浸蚀剂、样品组织等项）。 步骤：1 样品的磨光：每人领取已截取并磨平的碳钢式样一块，本实验采取湿磨法在金相样品预磨机上磨平。2 样品的抛光：磨光后的样品表面仍留有细的砂纸磨痕，还不能有效的观察侵蚀后的组织，因此必须将砂纸磨痕完全抛去，是表面达到光亮如镜的光洁度，才能满足显微镜观察的要求。抛光后的表面再200倍显微镜的观察下应基本上没有磨痕和磨坑。本实验采取机械磨法，在专用的金相样品抛光机上进行。3 显微组织的显示：采用化学侵蚀法，用竹夹子夹脱脂棉蘸侵蚀液在样品表面由上向下擦拭，当光亮镜面成灰白色，立即用水清洗，并用酒精擦洗后经吸水纸吸干。操作过程要迅速利落，以防带水样品表面在空气中氧化。严禁用手摸擦表面，以免皮肤受到伤害。4 显微组织的观察与记录：制备好的样品用显微镜在100400倍不同放大倍数下观察组织，体会放大倍数不同对组织观察和景深的影响，绘制组织特征图，规格为直径为50mm的圆形（图下标注材料名称、热处理规程、总放大倍数、浸蚀剂、样品组织等项）。设备及药品：金相显微镜一台、碳钢式样一块、金相样品预磨机、金相样品抛光机、侵蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等。四、 实验结果及分析分析：45号钢的组成晶相是铁素体和珠光体。珠光体是由低温铁素体和渗碳体组成的两相混合物。铁素体又分低温铁素体和高温铁素体。样品经退火热处理过程，磨光，抛光，显微组织显示后，在400的显微镜下能观察到黑白图像。单相合金的组织是由不同晶粒组成的。各个晶粒的位相不同，存在着晶粒间界。一般间界处的电极电位和晶粒内的不同，而且具有较大的化学不稳定性。因此在和化学剂作用时，溶解的比较快，不同位向的晶粒，溶解程度也不同。在晶界出凹下去，光线被反射向斜方向而不进入目镜，呈现黑色。晶粒内也因表面倾斜程度不同有深浅不同。在制备样品的过程中，由于抛光不彻底导致样品表面有划痕，浸蚀过轻或过重，样品不干净，都会对实验结果造成影响，在实验过程中应该注意这些问题。五、 总结思考题：1 几何光学的主要定律是什么？ 光的直线传播定律：光在各向同性的均匀介质中沿直线传播。 光的独立传播定律：以不同的途径传播的光同时在空间某点通过时，彼此互不影响，而在各路光相遇处，其光强度是简单地相加，总是增强的。 光的反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内；入射光线与反射光线在法线的两侧。光的折射定律：折射光线与入射光线和法线在同一平面内；折射角与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两介质的性质决定，当温度、压力和光线的波长一定时，其比值为一常数，等于前一介质与后一介质的折射率之比2 光学金相显微镜在研究显微组织的主要优缺点？ 金相显微镜并不适合生物研究，生物研究可以使用生物显微镜。金相显微镜的暗场、偏光、微分干涉等可能对生物研究没什么作用，而且经济费用偏高。 另外，金相显微镜并没有对生物盖玻片约0.7mm的厚度进行像差校正（有些检测用的金相物镜对TFT液晶面板厚度进行了校正，但厚度不一定适合盖玻片），低倍率还好，在高倍率时不能获得较好的观察效果。并且金像显微镜的高倍率很高（标配到100倍，非标到150，200倍），生物一般配到60倍。不要看倍率高，50倍以上的金相物镜一般工作距离在1mm，生物观察很不方便。国内的金相物镜在100倍时是浸油镜头，进口的金相多为干镜。3 什么是实像和虚像？成像的条件？显微镜和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小物体成一放大的像，以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。 图2是物体被显微镜成像的原理图。图中为方便计，把物镜L1和目镜L2均以单块透镜表示。物体AB位于物镜前方，离开物镜的距离大于物镜的焦距，但小于两倍物镜焦距。所以，它经物镜以后，必然形成一个倒立的放大的实像AB。 AB位于目镜的物方焦点F2上，或者在很靠近F2的位置上。再经目镜放大为虚像AB后供眼睛观察。虚像AB的位置取决于F2和AB之间的距离，可以在无限远处（当AB位于F2上时），也可以在观察者的明视距离处（当AB在图中焦点F2之右边时）。目镜的作用与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的已经放大了一次的像。4 什么是显微镜的有效放大倍数？取决哪些因素？ 用显微镜能否看清组织细节，不但与物镜的分辨率有关，且与人眼的实际分辨率有关。若物镜分辨率很高，形成清晰地实像，而配用的目镜倍数过低，也使观察者难于看清，称放大不足。但若选用的目镜倍数过高，即总放大倍数越大，看得并非越清晰。实践表明，超出一定的范围，放得越大越模糊，称虚伪放大。显微镜的有效放大倍数取决于物镜的数值孔径。有效放大倍数是指物镜清晰地d距离，同样也被人眼分辨清晰所必须的放大倍数，用Mg表示：Mg=d d1 NA/ 其中d1-人眼的分辨率 d-物镜分辨率=2 在明视距离250mm处正常人眼的分辨率为0.150.30mm若取绿光=550010（-7）mm Mg（min）=20.15NA/550010（-7）550NAMg（max）=20.30NA/550010（-7）1000NA这说明在550NA1000NA范围内的放大倍数均称为有效放大倍数。但随着光学零件的实际完善与照明方式的不断改进，以上范围并非严格限制。有效放大倍数的范围，对目镜和物镜的正确选择十分重要。例如物镜的放大倍数是25，数值孔径为NA=0.4,即有效放大倍数应为200400倍范围内，应选用8或16倍的目镜才合适。5 透镜成像会产生哪几类主要缺陷？怎样校正？ 与宽光束有关的象差是球差、慧差以及位置色差；与视场有关的象差是象散、场曲、畸变以及倍率包差。(1) 色差：色差是透镜成像的一个严重缺陷，发生在多色光为光源的情况下，单色光不产生色差。白光由红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 七种组成，各种光的波长不同 ，所以在通过透镜时的折射率也不同，这样物方一个点，在象方则可能形成一个色斑。 色差一般有位置色差，放大率色差。位置色差使像在任何位置观察，都带有色斑或晕环，使像模糊不清。而放大率色差使像带有彩色边缘(2) 球差：球差是轴上点的单色相差，是由于透镜的球形表面造成的。球差造成的结果是，一个点成像后，不在是个亮点，而是一个中间亮 边缘逐渐模糊的亮斑。从而影响成像质量。球差的矫正常利用透镜组合来消除，由于凸、凹透镜的球差是相反的，可选配不同材料的凸凹透镜胶合起来给予消除。旧型号显微镜，物镜的球差没有完全矫正，应与相应的补偿目镜配合，才能达到纠正效果。一般新型显微镜的球差完全由物镜消除。(3) 慧差：慧差属轴外点的单色相差。轴外物点以大孔径光束成象时，发出的光束通过透镜后，不再相交一点，则一光点的象便会得到一逗点壮，型如慧星，故称“慧差”。(4) 象散：象散也是影响清晰度的轴外点单色相差。当视场很大时，边缘上的物点离光轴远，光束倾斜大，经透镜后则引起象散。象散使原来的物点在成象后变成两个分离并且相互垂直的短线，在理想象平面上综合后，形成一个椭圆形的斑点。象散是通过复杂的透镜组合来消除。（5）场曲：场曲又称“象场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想象点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的象点，但整个象平面则是一个曲面。这样在镜检时不能同时看清整个相面，给观察和照相造成困难。因此研究用显微镜的物镜一般都是平场物镜，这种物镜已经矫正了场曲；。（6） 畸变：前面所说各种相差除场曲外，都影响象的清晰度。畸变是另一种性质的相差，光束的同心性不受到破坏。因此，不影响象的清晰度，但使象与原物体比，在形状上造成失真。校正方法：以新月式镜头为例，要成实像必须得用正透镜；要减小场曲，弯月型透镜较合适；根据同心性原则，两个曲面都弯向光阑可减小垂轴像差；用配曲法可减小球差。适当的光阑位置有利于减小色差与像散。6 为什么晶界侵蚀之后是黑色的？显微镜下观察到的黑白图像一般反映什么情况？在暗视场下晶界和晶粒内各为黑色？ 单相合金（包括纯金属）的组织是由不同的晶粒组成的。各个晶粒的位向不同，存在着晶粒间界。一般晶界处的电极电位和晶粒内的不同，而且具有较大的滑雪不稳定性。因此在化学试剂作用时，溶解的比较快，不同位向德晶粒，溶解程度也不同。侵蚀结果为：在晶界处凹下去，光线被反射向斜向而不能进入目镜，呈现黑色。晶粒内也因表面倾斜程度不同有深浅不同。（如下图）在显微镜下观察金属组织时，光线在晶界处被散射，不能全部进入物镜，因而显示出黑色晶界。在晶粒平面处的光线则以直接反射光反射进入物镜，呈现白亮色从而显示出晶粒的大小和形状。7 在二相组织中有一相侵蚀后观察后观察是黑色，另一相为白色，黑色和白色各表示什么情况？这两相在电化学性质上有何差别？二相合金的侵蚀是由于化学成分不同、结构不同、因而电化学性质不同、电极电位也不同的相组成了微电池，具有较高负电位的相成为阳极，溶解得快，逐渐凹下去；具有较高正电位的相则成为阴极，一般不易溶解，基本上保持原有平面（凸出，光亮色）。作为阳极表面的相如果表面（凹下去）本身又不平滑，则在显微镜下呈现暗黑色。（如上图）在显微镜下观察金属组织时，光线在晶界处被散射，不能全部进入物镜，因而显示出黑色晶界。在晶粒平面处的光线则以直接反射光反射进入物镜，呈现白亮色从而显示出晶粒的大小和形状。8 在采用真空加热单相合金时，晶界能否显示出来？为什么？在采用真空加热单相合金时，晶界能显示出来。金相组织可以通过物理方法显示出来，但是由于物理和化学反应往往难以单独存在，所以存在一些不是单纯物理变化的显示方法。通常所指的物理显示方法有磁性金相显示法、真空喷涂膜法、阴极真空显示法、真空热蚀法、一般热染法等。9 在空气中把抛光样品加热到不同温度会出现不同颜色，如黄、红等。这是什么原因？按同一规程加热后，多相组织中的不同相往往在白色光源下会呈现不同颜色，这是什么原因？被抛光的表面受热均匀,在不同温度下,原子排列方式相同,存在不同的反应