工程材料学实验指导书Word文档格式.docx
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在物镜和目镜的镜简上，均标注有放大倍数。
放大倍数常用符号“×
”表示，如100×
，200×
等。
（2）鉴别率金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力。
d值越小，鉴别率越高。
根据光学衍射原理，试样上的某一点通过物镜成象后，我们看到的并不是一个真正的点象，而是具有一定尺寸的白色团斑，四周围绕着许多衍射环。
当试样上两个相邻点的距离极近时，成象后由于部分重迭而不能分清为两个点。
只有当试样上两点距离达到某一d值时，才能将两点分辩清楚。
显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长（λ）和物镜的数值孔径（A），而d与目镜无关，其d
值可由下式计算：
在一般显微镜中，光源的波长可通过加滤色片来改变。
例如，蓝光的波长（λ＝o．44μ）比黄绿光（λ＝o．55μ）短，所以鉴别率较黄绿光高25％。
当光源的波长一定时，可通过改变韧镜的数值孔径A来调节显微镜的鉴别率。
（3）物镜的数值孔径物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力，如图1—2所示。
数值孔径大的物镜聚光能力强，能吸收更多的光线，使物象更清晰。
数值孔径A可由下式计算：
A＝n·
sinφ
图1—2物镜孔径角
式中M—物镜与试样之间介质的折射率;
φ—广物镜孔径角的一半，即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成夹角。
n越大或φ越大，则A越大，物镜的鉴别率就越高。
由于φ总是小于90°
的，所以在空气介质（n＝1）中使用时，A一定小于1，这类物镜称干系物镜。
若在物镜与试样之间充满松柏油介质（n=1.52），则A值最高可达1．4，这就是显做镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头）。
每个物镜都有一个额定A值，与放大倍数一起标到在物镜镜头上。
（4）放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜组合起来实现，但存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。
这是因为：
人眼在250mm处的鉴别率为0．15—0．30mm，要使物镜可分辨的最近两点的距离众能为人眼所分辨，则必须将d放大到0．15—0．30mm，即：
d×
M=0．15—0．30mm
则
在常用光线的波长范围内，上式可进一步简化为：
M≈500A-1000A
所以，显微镜的放大倍数M与物镜的数值孔径之间存在一定关系，其范围称有效放大倍数范围。
在选用物镜时，必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500倍至1000倍之间。
若M＜500A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。
若M＞1000A，则由于物津鉴别率不足而形成“虚伪放大”，细微部分仍分辨不清。
（5）透镜成象的质量单片透镜在成象过程小，由于几何条件的限制及其它因素的影响，常使影象变得模糊不清或发生变形现象，这种缺陷称为象差。
由于物镜起主要放大作用，所以显微镜成象的质量主要取决于物镜，应首先对物镜象差进行校正。
普通透镜成象的主要缺陷有球面象差、色象差和象域弯曲三种。
1球面象差。
如图I—3所示，当来自A点的单色光（即某一特定波长的光线）通过透镜后由于透镜表面呈球曲形，折射光线不能交于一点，从而使放大后的影象变得模糊不清。
图1-3球面象差示意图图1-4色象差示意图
为降低球面象差，常采用由多片透镜组成的透镜组，即：
将凸透镜和凹透镜组合在一起（称为复合透镜）。
由于这两种透镜的球面象差性质相反，因此可以相互抵消。
除此之外，在使用显微镜时，也可采取调节孔径光栏的方法，适当控制入射光束粗细，让极细一束光通过透镜中心部位，这样可将球面象差降至最低限度。
②色象差。
如图1—4所示，当来自4点的白色光通过透镜后,由于组成白色光的七种单色光的波长不同，其折射率也不同，使折射光线不能交于一点。
紫光折射最强，红光折射最弱，结果使成象模糊不清。
为消除色象差，一方面可用消色差物镜和复消色差物镜进行校正。
消色差物镜常与普通目镜配合，用于低倍和中倍观察；
复消色差物镜与补偿目镜配合，用于高倍观察。
另一方面可通过加滤色片得到单色光。
常用的滤色片有蓝色、绿色和黄色等。
象域弯曲垂直于光轴的平面，通过透镜所形成的象，不是平面而是凹形的弯曲象面，这种现象叫象域弯曲，如图1-5所示.。
象域弯曲是由于各种象差综合作用的结果。
一般物镜或多或少地存在着象域弯曲，只有校正极佳的物镜才能达到趋近平坦的象域。
3．金相显微镜的构造和使用
（1）金相显微镜的构造
金相显微镜的种类和型式很多，但最常见的型式有台式、立式和卧式三大类。
其构造通常均由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带照像装置和暗场照明系统等。
现以国产XJB—1型金相显微镜为例进行说明。
XJB—1型金相显微镜的光学系统如图l—5所示。
由灯泡1发生一束光线，经聚光透镜组2的会聚和反光镜8的反射，聚集在孔径光栏9上，然后经过聚光镜3，再度将光线聚集在物镜的后焦面上，最后光线通过物镜，使试样表面得到充分均匀的照明。
从试祥反射回来的光线复经物镜组6、辅助透镜5、半反射镜4、辅助透镜11以及棱镜12和棱镜13，形成一个倒立放大实象。
该物象再经场透镜14和目镜15的放大，即得到所观察试样表面的放大图像。
图1—5,XJB—1型金相显微镜的光学系统
1-灯泡；
2一聚光镜组，3一聚光镜组，4一半反射镜，5一辅助透镜，6一物镜组，7一试祥，8一反光镜；
9一孔径光栏；
10一视场光栏，11一输助透镜，12一棱镜，13一棱镜，14一场镜115一接目镜
XJB—l型金相显微镜的外形结构如图1—5所示。
各部件的功能及使用简要介绍如下：
图1—6XJB—1型金相显微镜外形结构图
1一载物台，2一物镜，3一转换器，4一传动箱，s一微动调焦手轮，6一粗动调焦手轮，7一电源。
8一偏心圆，9一样品，10一目镜；
11一目镜管，12一固定螺钉，13—调节螺钉，14一视场光拦，15一孔径光拦
照明系统在底座内装有一个低压（6v一8v，15w）灯泡作为光源，灯泡前安装有荣光镜、反光镜和孔径光栏15。
视场光栏14和另一聚光镜则安在支架上。
通过以上一系列透镜及物镜本身的作用，试样表面获得了充分均匀的照明。
显微演调焦装置在显微境体的两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。
转动粗调手轮6，可以通过内部齿轮带动支承载物台的弯臂作上下运动。
在粗调手轮的一例有制动6置，用以固定调焦正确后载物台的位置。
微调手轮5传动内部齿轮，使其沿着滑轨缓慢移动。
在右侧手轮上刻有分度格，每小格表示钩镜座上下微动0.002mm。
与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有两条白线，用以指示微动升降的极限位置，微调时不可超出这一范围，否则会损坏机件。
载物台（样品台）用于放置金相试样。
载物台和下面托盘之间有导架．移动结构采用粘性油膜联结。
用手推动，可引导裁构台在水平面上作一定范围的移动，以改变试样的观察部位。
孔径光栏和视场光栏孔径光栏装在照明反射镜座上面，刻有0--5分刻线，它们表示孔径大小的毫米数。
调整孔径光栏能控制入射光束的粗细，以降低球面象差。
视场光栏装在物镜支架下面，可以旋转滚花套田来调节视场范围，使目镜中所见视场照亮而无阴影。
在套圈上文有两个调节螺钉，用来调整光栏中心。
物镜转换器转换器呈球面形，上面有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜。
旋动转换器可使物镜镜头进入光路，并定位在光轴上。
目镜筒目镜筒呈45倾斜安装在附有棱镜的半球形座上。
目镜可转向90呈水平状态以配合照相装置进行金相显做摄影。
图1—7所示为4XA型双目金相显微镇的结构图。
其基本结构与XJB—1型金相显微镜相似，但配有双简目镜管，可同时安装两个目镜．用双目观察，从而减轻了眼睛疲乏。
图1-8为4XCE型三目金相显微镇的结构图，可以在计算机显示器上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分分析，评级等对图片进行输出、打印。
对电脑型金相显微镜（4XCE）配置为:
1、金相显微镜2、适配镜3、摄像
器（CCD）4、A/D（图像采集）5、计算机。
而数码相机型金相显微镜（4XCZ）:
1、金相显微镜2、适配镜3、数码相机（NIKON）另外，其载物台的水平移动是靠纵动手轮和横向手轮来实现的，定位更加准确。
图1-74XA型金相显微镜图1-84XCE金相显微镜
（2）金相显微镜的使用方法及注意事项
金相显微镜是一种精密光学仪器，在使用时要求细心和谨慎，严格按照使用规程进行操作。
1金相显微镜的使用规程
（a）将显微镜的光源插头接在低压（6—8V）变压器上，接通电源。
（b）根据放大倍数，选用所需的物镜和目镑，分别安装在物镜座上和目镜简内。
旋动物镜转换器，使物镜进入光路井定位（可感觉到定位器定位）。
（c）将试样放在样品台中心，使观察面朗下并用弹簧片压住。
（d）转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试祥表面（但不得与之相碰），然后反向转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距。
当视场亮度增强时，再改用微调手
轮调节，直到物象最清晰为止。
（e）适当调节孔径光栏和视场光栏心获得最佳质量的物象。
（f）如果使用油浸系物镜，可在物镜的前透镜上滴一些松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上；
油镜头用后，应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净．再用擦镜纸擦干。
②注意事项
（a）操作应细心，不能有粗暴和剧烈动作。
严禁自行拆卸显微镜部件。
（b）显微镜的镜头和试样表面不能用手直接触摸。
若镜头中落入灰尘，可用镜头纸或软毛刷轻轻擦试。
（c）显微镜的照明灯泡必须接在6—8V变压器上，切勿直接插入220V电源，以免烧毁灯泡。
（d）旋转粗调和微调手轮时，动作要慢，碰到故障应立即报告，不能强行用力转动，以免损坏机件。
测微目镜的校正
在进行脱碳层深度检验、晶粒度评级及夹杂物定量分析等工作时，需
要用测微目镜对组成物的尺寸进行测量。
测微目镜是在普通目镜光栏上（即初象焦面上）装一个按0．1mm或0．5mm等分度的测微玻璃片。
使用前，应用物镜测微尺对其进行校正。
物镜测微尺是刻有按0．01mm分度的玻璃尺，尺的刻度全长1mm，具体校正方法如下：
将物镜测微尺作为被观察物体置于样品台上，刻度面翱物镜。
用测微目镜观察，并调节其旋钮，使物镜测微尺的若干刻度n与测微目镜上若干刻度m对齐，如图1—8所示。
由于已知物镜测微尺每小洛为0.0lmm，所以测吸目镜中每小格所量度的实际长度为：
在图1—9中，物镜测微尺上的10格（相当于0．0lmm×
10＝0．1mm）与测微目镜的50格对齐，所以测微目镜内每小格所量度的实际长度为:
若用测微目镜测量的组织组成物长度为N格，则它的实际长度为N×
a（mm）。
应注意，校正后进行实际测量时，必须仍用校正时的物镜，若改用别的物镜，又需重新校正。
图1—9测微目镜刻度校正
四、金相试样的制备方法
金相显微试样的制备过程包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。
现简要叙述如下：
1，取样
显微试样的选取应根据研究目的，取其具有代表性的部位。
例如：
在研究零件的失效原因时，应在失效的部位取样，并在完好部位取样，以便比较和分析；
在研究铸件组织时，由于存在偏析现象，应从表面层到中心等典型区域分别取样，以利于全面观察；
对轧制和锻造材料，应同时截取横向（垂直于轧向）和纵向（平行于轧向）试样，以分析比较表层缺陷及非金属夹杂物的分布情况；
在研究一般热处理零件时，由于其金相组织均匀，可在任一截面取样，但对于表面热处理零件，则应注意观察其横截面组织情况。
试样截取方法视材料的性质不同而异，但均应保证不使被观察面的组织发生变化。
对软金属，可用手锯或锯床切割；
对硬而脆的材料（如白口铸铁），可用锤击方法；
对极硬材料（如淬火钢），则可采用砂轮切片机或电火花线切割机；
在大工件上取样，可用氧气切割，等等。
截取的试样大小以便于握持、易于磨制为准，一般为直径ф（12—15）mm、高度（或边长）12～15mm的圆柱体或正方体，如图1-10所示。
图1-10金相试样的尺寸
2．镶嵌
如果试样大小合适，便于用手握持磨制，则无需镶嵌。
对于尺寸过于细小的金属丝、片、管或不规则形状物，以及有特殊要求（例如需观察表层组织）的试样，必须先将其镶嵌起来再磨制。
镶样方法很多，如低熔点合金镶嵌、电木粉或塑料镶嵌相机械夹持等，如图1—11所示。
目前多用电木粉镶嵌。
使用该方法时，应注意镶样机的温度和压力对试样组织的影响，例如：
可能引起马氏体回火或软金属塑性变形，这时可改用夹持法代之。
XQ-2B镶样机如图1-12，主要性能参数：
1）.试样压制规格Ø
22×
15mm;
Ø
30×
2）加热器规格
650W
220V；
3）.温度调节范围100-180℃，数显温控；
4）.控制电源电压波动不大于±
15%,220V,50Hz
图1-11金相试样的镶嵌方法
ab机械镶嵌c低熔点合金镶嵌d塑料镶嵌
图1-12XQ-2B型金相试样镶嵌机
3，磨制
磨制是为了得到平整的磨面，为抛光作准备。
一般磨制过程分为粗磨和细磨。
（1）粗磨粗磨一般在砂轮机上进行。
对很软的材料，可用锉刀锉平。
砂轮粗磨应利用砂轮的侧面，并使试样沿砂轮径向作往复缓慢移动，施加压力要适度、均匀。
在磨制过程中要不断用水冷却试样，以防由于温度升高造成试样内部组织变化。
最后，将试样倒角，以免细磨及抛光时划破砂纸或抛光布。
但对需要观察表层组织的试祥，不能倒角。
（2）细磨粗磨后的试样表面仍有较深的磨痕（如图1-13所示），需进行细磨。
细磨有手工磨光，机械磨光两种方法。
手工磨光是用手握持试样，在金相砂纸上单方向推移磨制，拉回时提起试样，使之脱离砂纸。
我国金相砂纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号等几种。
其规格可见表1，细磨时，依次从01号磨至05号；
每换细一级砂纸时，应先将试样清洗干净，以免把粗砂粒带到下一级砂纸上去，再将试样的磨制方向调转90°
，即磨制方向与上一道磨痕方向垂直．以便观察上一道磨痕是否全部消除。
1金相砂纸的规格
金相砂纸编号
01
02
03
04
05
06
07
粒度序号
M40
M28
M20
M14
M10
M7
M5
M3.5
砂粒尺寸/μm
40-28
28-20
20-14
14-10
10-7
7-5
5-3.5
3.5-3.0
为加快磨制速度，减轻劳动强度，可采用在转盘上贴有水砂纸的预磨机进行机械磨光。
水砂纸按粗细有200号、300号、400号……900号等。
磨制时由200号逐次磨到900号砂纸，同时不断加水冷却。
每换一道砂纸，须将试样用水冲洗干净，并将磨制方向调换90°
。
表2常用水砂纸的规格
水砂纸序号
240
300
400
500
600
800
1000
1200
粒度
160
200
280
320
图1-13试样表面磨痕变化示意图
4．抛光
抛光的目的是去除细磨后留下的细微磨痕，使磨面呈光亮镜面。
抛光常用方法有：
机械抛光、电解抛光和化学抛光等。
（1）机械抛光机械抛光在抛光机上进行，可分为粗抛和精抛两个步骤。
由电动机带动的水平抛光盘转速一般为300～500转／分。
粗抛时，转速高一些，精抛或抛软材料时，转速要低些。
抛光盘上铺以不同材料的抛光布。
粗抛时常用帆布或粗呢，精抛时常用绒布、细呢或丝绸等。
抛光时需向抛光盘上不断滴注抛光液，以产生磨削和润滑作用。
抛光液通常采用Al2O3；
，MgO或Cr2O3等细抛光粉（粒度约为0.3～1μm）在水中的悬浮液（每升水中加A12O35～l0g）。
白色A12O3又称刚玉，可用于粗抛和精抛；
白色MgO硬度较低，适用于铝、镁及其合金等软材料的最后精抛；
Cr2O3为绿色，具有很高硬度，适用于淬火合金钢。
对硬质合金等极硬材料或需保留夹杂物的材料，可在抛光盘上涂以由极细钻石粉制成的膏状抛光剂。
抛光试样的磨面应均匀、平正地压在旋转的抛光盘上，并沿盘的半径方向从中心到边缘作往复移动。
压力不宜过大，抛光时间也不宜过长，一般约3～5分钟。
当磨痕全部消除而呈现镜面时，停止抛光。
将试祥用水冲洗干净，然后进行浸蚀。
若只需观察夹杂物或石墨形态，则可将试样吹干或擦干，直接放到显微镜下观察。
（2）电解抛光电解抛光可避免机械抛光时表面层金属的变形或流动，从而能真实地显示金相组织。
该法尤其适用于有色金属及其它硬度低、塑性大的金属，但不适于偏析严重的金属、铸件及作夹杂物检验的金相试样。
电解抛光的简单装置如图1—14所示。
图1-14电解抛光装置示意图
电解抛光时，把磨光的试样浸入电解液中．接通试样（阳极）与阴极之间的电源（直流电源）。
阴极可采用不锈钢板或铅板，并与试样抛光面保持一定距离（约300mm）。
当电流密度足够大时，试样磨面即产生选择性溶解，靠近阳极的电解液在试样表面形成一层厚度不均的薄膜。
由于薄膜本身具有较大电阻，并与其厚度成正比，如果试样表面高低不平，则突出部分的薄膜要比凹陷部分的薄膜薄些，因此突出部分电流密度较大，溶解较快，试样最后形成平整光滑表面。
钢铁材料常用的电解液成分为：
过氯酸（70％）50m1，含3％乙醚酒精800ml，水150m1。
其它电解液成分可在有关手册上查阅
电解抛光时的参考技术参数为：
电流密度3—60A／cm2，电压30一50V，使用温度20～30℃，抛光时间30～60S。
（3）化学抛光化学抛光是靠化学溶剂对不均匀表面产生选择性溶解来获得光亮的抛光面。
该法不需要专用抛光设备，操作简便，缺点是夹杂物易被蚀掉，且抛光面平整度较差，只能用于低倍常规检验。
抛光时将试样浸在抛光液中，或用棉花沾取抛光液，来回擦洗试样磨面。
由于化学抛光兼有化学浸蚀作用，能显示金相组织，所以抛光后可直接在显微镜下观察。
普通钢铁材料可采用下面的抛光液配方：
草酸6g，蒸馏水100m1，过氧化氢100ml，氢氟酸2ml。
5，浸蚀
除观察试祥中某些非金属夹杂物或铸铁中的石墨等情况外，经抛光后（化学抛光除外）的试样磨面，必须用浸蚀剂进行“浸蚀”，以清楚地显示其显微组织。
最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法，其作用机理如图1—15所示。
纯金属或单相金属的浸蚀是一个化学溶解过程。
晶界处由于原子排列混乱，且能量较高，所以易受浸蚀而呈现凹沟。
各个晶粒由于原子排列位向不同，受浸蚀程度也不同。
因此，在垂直光线照射下，各部位反射进入物镜的光线不同，从而显示出晶界及明暗不同的晶粒。
两相或两相以上合金的浸蚀则是一个电化学腐蚀过程。
由于各组成相的成分不同，其电极电位亦不同，当表面覆盖一层具有电解液作用的浸蚀剂时，两相之间就形成了许多“微电池”，具有负电位的一相成为阳极，被迅速溶解而凹下；
具有正电位的另一相为阴极，保持原来的光滑平面。
试样表面的这种微观凹凸不平对光线的反射程度不同，在显微镜下就能观察别各种不同的组织及组成相。
图1-15单相和双相组织显示图
浸蚀时可将试样磨面浸入浸蚀剂中，也可用棉花沾取浸蚀剂接试表面。
侵蚀的深浅可根据组织持点和观察时的放大倍数来确定，一般浸蚀到试样磨面稍发暗时即可。
如果浸蚀过重，应重新抛光，再行浸蚀。
浸蚀后立即用清水冲洗，必要时再用酒精清洗。
最后用吸水纸吸干，或用吹风机吹干。
对不同的材料，需选用不同的浸蚀剂。
各种金属材料的常用浸蚀剂可参考表2。
五、实验内容
1、按粗磨→细磨→机械抛光→侵蚀的步骤制备金相试样；
2、观察显微镜的构造与光路；
3、操作显微镜，熟练地掌握聚焦方法，了解孔径光阑和滤波片的作用；
4、合理选配物镜和目镜，分别在明场和暗场照明下观察组织特征
5、观察金相样品，测量晶粒大小，并画下显微组织示意图（注明放大倍数
六、实验所用设备及材料
（1）金相显微镜18台；
（2）砂轮机，（3）预磨机，（4）抛光机；
（5）吹风机；
（6）工业纯铁试样；
（7）不同型号的水砂纸；
（8）抛光液；
（9）酒精；
（10）4％硝酸酒精浸蚀剂；
（11）棉花；
（12）竹夹子。
七、实验步骤
（1）首先弄懂显微镜最基本的光学原理。
（2）明确显微镜的构造和使用方法，学习利用机械系统来调整焦距，利用照明系统来调节和控制光线等。
（3）每人实际操作金相显微镜，观察金相样品，测量晶粒大小，并画下显微组织示意图（注明放大倍数）。
（4）每位同学领取一块试样，按照上述制样过程操作，注意掌握每—步骤的要点。
（5）用砂轮打磨，获得平整磨面。
（6）用预磨机从粗到细磨光。
（7）用抛光机抛光，获得光亮镜面。
（8）用浸蚀剂浸蚀试样磨面，而后用显微镜观察组织
八、实验报告要求
（1）实验目的。
（2）简述金相显微镜的基本原理和主要结构。
（3）扼要记述金相显微镜的使用方法和注意事项。
（4）简述金相组织分析原理及金相显微试样的制备过程
（5）绘制浸蚀后试样显微组织。
（6）分析实际制样过程中存在的问题，就“如何才能制备出高质量试样”谈谈个人体会。
表2：
常用金相试样浸蚀剂
Fe-Fe3C平衡组织分析及照像
一，实验目的
（1）识别和研究铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织；
（2）分析含碳量对铁碳合金显
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