《材料分析技术》PPT课件

第二章金相显微镜,第1节显微镜的成像原理第2节显微镜的放大率第3节透镜的像差第4节物镜第5节目镜第6节照明系统,几何光学原理适用条件：物体的几何尺寸远大于光波波长阿贝成像原理（光的衍射相干原理）适用条件：物体的几何尺寸接近或小于光波波长,2.1显微镜的成像原理,一几何光学原理,二、阿贝成像学说,2.2透镜的像差,一、球面像差,二、色差,四、像域（场）弯曲,2.3显微镜的物镜,一数值孔径(NumericalAperture)1定义：物镜收集光线的能力。物镜对试样上各点的反射光收集得越多，成相质量越好。,2表示法：数值孔径常用N.A.表示N.A.=nsinn-物镜与试样之间介质的折射率；-物镜孔径角的一半。,3影响因素（1）孔径角的大小。孔径角越大，物镜前透镜收集光线的能力就越大。孔径角的大小取决于前透镜的尺寸和物镜的工作距离。（2）物镜与试样之间介质的折射率。折射率越大，数值孔径越大。干系物镜(介质为空气)：n1，N.A.=nsin1，一般为0.9左右。油浸物镜（介质为折射率较大的物质）：由于物镜与试样之间介质的折射率增大，因而进入物镜的光线增加，增加了数值孔径。,孔径角为2的油浸物镜收集光线的能力相当于孔径角为21的干系物镜。当介质为n1.515的松柏油时，数值孔径值最大可达1.4左右。,二分辨率和有效放大率,1.分辨率（1）定义：指显微镜能清晰地分辨试样上两点间最小距离的能力，用最小距离d表示。（2）影响因素：主要取决于物镜的分辨率，目镜只能放大物镜已分辨的细节。物镜分辨率：d=/(2N.A.)注意：对于一定波长的入射光，物镜的分辨率完全取决于物镜的数值孔径；数值孔径越大，分辨率就越高,2有效放大率（1）定义：为了充分利用物镜的分辨率，使操作者看清已被物镜分辨出的组织细节，显微镜必须有适当的放大率，引入有效放大率的概念。（2）表示方法：人眼的分辨率与物镜的分辨率之比值，即M=d/dd-人眼在明视距离处能分辨的最小尺寸d-物镜能分辨的最小尺寸,（3）有效放大率范围人眼在明视距离处的分辨距离为0.150.30mm。d=0.150.30mmd=/(2N.A.)M=d/d=2N.A.d/=(0.30.6)N.A./设=0.55m(黄绿光)则近似为:500N.A.M1000N.A,有效放大率范围:500N.A.1400)的钨丝上又会分解出金属钨，沉淀到灯丝上。如此循环可以避免灯泡发黑，延长灯泡的使用寿命,3.碳弧灯（1）原理：利用两支暴露在空气中而相互靠近的碳棒，通电后产生强烈的电弧发出亮度很高的光。（2）电源：一般采用交流电源供电；（3）优点：点光源，具有均匀的辐射表面，适合于临界照明；（3）缺点：电弧闪烁跳动，光源不稳定，特别不利于照相。,4.氙灯（1）原理：在石英玻璃管内装上钨电极充上高压氙气，利用放电发光。（2）特点：光强高、输出稳定、寿命较长；具有类似白光性质的连续光谱，可用于彩色照相；是金相显微观察的最新光源之一；容易爆炸，使用时要特别注意安全（安装或更换时要戴防护眼镜或面罩以及防护手套）。,二.照明方法：临界照明与科勒照明1.临界照明：1885年由英国爱德华.纳尔逊发明（1）特点：光源的像通过聚光透镜首先聚焦在视场光栏上，然后与孔径光栏的像一起聚焦在试样表面；相当于在物平面上放置光源；（2）优点：可以得到最高的亮度；（3）缺点：要求光源具有非常均匀的辐射表面（点光源）。（否则在视场中将会看到光源的放大影像，这对观察显微组织细节和显微照相都是很不利的。）,2.科勒照明1893年，科勒(Khler)提出（1）特点：光源的像通过聚光透镜首先聚焦在孔径光栏上，然后与孔径光栏的像一起聚焦在物镜的后焦面。,克服临界照明中物面光照度不均匀的缺点,（2）优点1）可以使物镜的后焦面得到充分的照明，因而可以最充分地发挥物镜的分辨率；2）可以使视场得到非常均匀的照明，对光源均匀性的要求也不象在临界照明时那样严格。,明场照明和暗场照明1明场照明金相显微镜主要的照明方式。（1）照明过程:,光源光线通过垂直照明器转90角进人物镜，垂直地(或接近垂直地)射向样品表面。由样品反射回来的光线再经过物镜到目镜。,三照明方式：,在明场照明中，试样的表面通常对着显微镜的光轴，将光反射回物镜中。光线通过物镜到达试样表面，虚的光线将反射回物镜并通过目镜到达眼睛，最后呈现明亮的反射光。如果光线照射到不能将光线以一定角度反射回光轴的地方，例如晶界、相界或其它的地方，那么光线就不能被物镜收集，这些区域在图像里就会呈现暗黑色。,明场照明示意图,（2）特点：如果试样是一个抛光的镜面，反射光几乎全部进入物镜成像，在目镜中可看到明亮的一片。如果试样抛光后再经过腐蚀，试样表面高低不平，则反射光将发生漫射，很少进入物镜成像，在目镜中看到的是暗黑色的像，其结果是显微组织呈黑色影象映衬在明亮的视野内。,2.垂直照明器作用：使来自光源的光线偏转90。分类：两种，平面玻璃和棱镜。光路不同，效果也不一样。,1）用平面玻璃做垂直照明器,优点：a由于投射在样品上的光线是垂直入射，因而成像平坦、清晰；b平面玻璃反射可使光线充满物镜的后透镜，有利于充分发挥物镜的鉴别能力，适用于中倍和高倍观察。缺点：平面玻璃反射光线损失大（光线透过玻璃而损失），即使采用最好的平面玻璃，最后到达目镜的光线也差不多只有四分之一，故成像的亮度小，衬度也差。,2）用棱镜做的垂直照明器：很少使用,优点：a可造成一定的立体感，有利于观察表面浮凸；b能使光线全部反射到物镜后透镜上，光线损失极少，成像亮度大，有较好的衬度。缺点：棱镜占了镜筒的一半，由试样返射回来的光线，一半通过物镜后被棱镜阻挡而损失，也就是说物镜实际使用的孔径角减小了一半，即数值孔径减小，从而大大降低了物镜的分辨率，因此只适用于低倍观察，一般不超过100倍,3暗场照明：用于鉴别非金属夹杂物等特殊用途（1）照明过程,平行光束通过暗场环形光栏，中心部分被挡住，形成管状光束；管状光束经过垂直照明器反射，再经过暗场曲面反射镜的反射，以很大的倾角投射在样品上。,暗场照明示意图,将明场照明下的对比反差完全颠倒过来-明场中亮的部分变暗，明场中暗的部分变亮，看起来就像自身在发光一样。这些被高亮显示的地方(凹坑、裂纹或腐蚀的晶界)比明场照明下更容易被鉴别。由于图像的高反差和高亮显示，所以经常用来观察明场下不能看到的一些细节。,（2）特点管状光束从物镜四周通过的，物镜未通过光线从而未起聚光作用。如样品表面平滑均匀，则投射光线以很大的倾角反射出去，光线不进入物镜，在目镜中看到的是一片暗黑色。如样品表面高低不平，则反射光线就有部分进入物镜而形成明亮的像,其结果是显微组织以明亮的影象映衬在漆黑的视野内。这与明场照明下观察的结果正好相反。,为什么在暗场照明下能鉴别非金属夹杂物的透明度呢？因为在明场照明时，金属基体的反射光很强，使夹杂物的透明度显不出来。而暗场照明时，金属基体的反射光大部分不能进入物镜，光线投射在夹杂物与金属交界面时产生反射，透明的夹杂物成明亮色，不透明的夹杂物便成暗色。,四.光栏（光阑）：孔径光栏和视场光栏1.孔径光栏（1）定义：安装在聚光透镜后面，用来控制入射光束的粗细，其大小可改变入射光到物镜的光束的孔径角，从而改变了物镜的数值孔径，故称之为孔径光栏。,（2）对成像质量的影响：当孔径光栏缩小时，球面像差降低，物镜的孔径角缩小，分辨率降低。当孔径光栏扩大时，物镜的孔径角增大，分辨率提高；但是由于球面像差的增加以及镜筒内部反射与炫光的增加，使成像质量将降低。（3）调节：以光束充满物镜后透镜为准，并根据成像的清晰程度来判断。,2.视场光栏（1）定义：视场光栏在孔径光栏之后，用来改变显微镜视场的大小，因此称之为视场光栏。（2）对成像质量的影响：不影响物镜的分辨率，缩小视场光栏，可以减少镜筒内的反射及炫光，提高成像的衬度和质量。但视场光栏缩得太小，会使观察范围太窄。（3）调节：一般应调节到与目镜视场大小相同。,五.滤色片：显微镜的辅助部件主要作用：1.配合消色差物镜使用黄绿色滤色片，可以使像差得到最大限度的校正；2.利用滤色片使用波长较短的光波，可以提高物镜的分辨率；3.控制光源的强度。,58,第三章偏振光显微镜,第1节偏振光的基础知识第2节偏振光的反射原理第3节偏振光装置及调整第4节偏振光显微镜的应用,3.1偏振光的基础知识,1自然光光是一种电磁波，属于横波(振动方向与传播方向垂直)。一切实际的光源，如太阳光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光，其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。,一、自然光和偏振光,a自然光b偏振光,2偏振光自然光在穿过某些物质，经过反射、折射、吸收后，电磁波的振动可以被限制在一个方向上，其它方向的振动被削弱或消除。在某个确定方向上振动的光称为偏振光。偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面。,二、光的双折射现象和晶体的光轴,1光的双折射现象当一束光线射入各向异性的晶体中时，要分裂为两束沿不同方向传播的光线，这种现象叫双折射现象。发生双折射的两束光线都是偏振光。,在各向异性晶体中，存在有某些特殊方向，在这些方向上不发生双折射，这些方向称为晶体的光轴。有一个光轴的晶体叫一轴晶，如方解石、石英；有两个光轴的晶体叫二轴晶，如云母、蓝宝石等。,注意：光轴是在晶体内的，光轴是一个方向,2晶体的光轴,3寻常光线：在晶体内的传播遵守光的折射定律，改变入射方向时传播速度（折射率）不发生变化，用o表示。4非常光线：在晶体内的传播不遵守折射定律，当入射光线方向变化时，它的传播速度（折射率）也随之变化，用e来表示。,三、起偏振镜在偏光显微镜中能产生偏振光的偏振片称起偏振镜，即用来产生偏振光的装置。如：尼科尔棱镜、人造偏振片,1.尼科耳棱镜由方解石晶体做成，利用方解石的双折射现象获得偏振光。（1）结构取长度约三倍于厚度的方解石晶体，将两端的天然面研磨成68角，然后将晶体剖开，成两块直角棱镜。用加拿大树胶将剖面粘合成一长方柱形棱镜。加拿大树胶为光性均质体（非双折射物质），对于黄绿光:Ne1.5159n1.540S；（4）一束光经起偏振镜后得到振幅为F的沿PP方向振动的偏振光，入射到光性非均质体表面上。,2讨论,（3）反射光合成：,即反射后的直线偏振光不再是PP的振动方向，而是转过一个角度：,（2）偏振光反射：,（1）偏振光分解：,（4）结果：合成后的偏振光由于其方向不再是PP的振动方向，因此有一分量（I+）可以通过与之正交的检偏振镜。,通过检偏镜的光强大小与入射光和晶轴之间的夹角有关，夹角不同，得到的光强不一样。,（1）对于光性均质体，(R-S)=0，I+=0，转动载物台一周（即改变的大小），在目镜看到黑暗的全消光现象。（2）对光性非均质体，(R-S)01）当转过的角为0，90，180，270时，sin2=0，产生消光现象；2）当转过的角为45，135，225，315时，sin21，此时光线最强；3）当转过的角为其他角度时，显微组织的亮度在上两种情况之间。故:在转动光性非均质体晶体一周（360）的过程中，将观察到四次明亮和四次消光，即出现四明四暗现象。,3结论,一、偏振光装置,3.3偏振光装置及调整,二、偏振光装置的调整包括起偏振镜位置的调整、检偏振镜位置的调整以及载物台中心位置的调整。1、起偏振镜位置的调整（1）调整目的：为了使从起偏振镜出来的偏振光振动面水平，以保证经垂直照明器平面玻璃反射进入物镜的偏振光强度最大，且仍为直线偏振光。,（2）调整方法1）将经过抛光而未经腐蚀的不锈钢试样（光性均质体）放在载物台上；2）除去检偏振镜，只装起偏振镜；3）从目境内观察聚焦后试样磨面上反射光的强度，转动起偏镜，反射光强度发生明暗变化，当反射光最强时，就是起偏振镜振动轴的正确位置。,2、检偏振镜位置的调整（1）起偏振镜位置调整好后，装入检偏振镜，调节检偏振镜的位置，当在目镜中观察到最暗的消光现象时，就是检偏振镜与起偏振镜正交的位置。（2）在实际观察中，常将检偏振镜作一个小角度的偏转，以增加显微组织的衬度。其偏转的角度由刻度盘上的刻度指示出来。,3、载物台中心位置的调整（1）调整目的：利用偏振光鉴别物相时，经常需要将载物台作360旋转，为使观察目标在载物台旋转时不离开视域，在使用前必须调节载物台的位置，使载物台的机械中心与显微镜的光学系统主轴重合。（2）调整方法：通过载物台上的对中螺钉进行调整。,一、材料显微组织的显示1、各向异性材料组织的显示（1）应用：利用偏振光照明，对各向异性的金属磨面经抛光后不腐蚀就可以看到明暗不同的晶粒，对于难腐蚀出清晰组织的材料来说是十分有利的分析途径。,3.4偏振光显微镜的应用,（2）原理根据偏振光的金相原理，显微镜中视野的亮度决定于入射光与试样光轴之间的夹角，当入射光一定时，光轴的位相就决定了视野的亮度，在各向异性的多晶体试样上，各个晶粒的光轴位相不同，在偏振光照明下，入射光与各个晶粒光轴的夹角也就不同，在正交的偏振光下通过检偏镜的光强不同，因此晶粒显示出不同的亮度。根据晶粒的明暗程度还可以判断晶粒的取向，具有相同亮度的晶粒取向一致。,（3）举例：球墨铸铁的石墨观察,2、各向同性材料组织的显示（1）应用：对各向同性的材料进行深腐蚀，露出一定的原子排列面，这些晶面位向不同，用偏振光斜射到试样表面，能看到不同亮度的晶粒。（2）原理：当偏振光斜射到式样表面时，会有部分光通过正交检偏镜，又由于式样深腐蚀后露出了一定的原子排列面，这些晶面位向不同，故入射的偏振光与各晶粒的夹角不同，因此通过检偏镜的光强也不一样，所以能看到不同亮度的晶粒。,1、各向同性与各向异性的鉴别（1）应用：夹杂物按光学性质可分为各向同性和各向异性两大类，这两类夹杂物可在偏振光下鉴别。（2）原理：1）各向同性的夹杂物在正交偏振光下，看到黑暗的消光现象，在转动载物台一周时，其亮度不发生变化。2）各向异性的夹杂物在正交偏振光下不发生消光现象，在转动载物台一周时会看到四次黑暗和四次最亮的现象。3）对某些弱各向异性的夹杂物，可使检偏振镜转动一个小的角度，在偏振镜不完全正交下观察。在转动载物台时，弱各向异性的夹杂物出现两次消光和两次最亮的现象。,二、非金属夹杂物的鉴定,2、夹杂物的透明度及固有色彩的显示（1）一般显微镜观察情况：在非金属夹杂物中，不少是透明并带有色彩的，但一般显微镜明场照明时，光线会透过夹杂物并在与金属基体的交界面处反射出来，夹杂