材料工程基础实验指导书汇编

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实验一 金相试样制备与组织观察综合实验

实验学时：6h 实验性质：综合性

一、实验目的

1 了解金相显微镜的结构及主要零部件的作用；学会正确使用显微镜，提高物像的质量；了解显微镜的维护方法。

2 学习金相试样的制备方法；了解金相试样质量对金相分析的影响。

3 掌握二元铸态合金的固溶体，共晶(包括亚共晶和过共晶)和包晶组织的特征，能识别这些组织；掌握Fe —C 合金平衡和非平衡组织的特征。

二、 实验内容

本次实验为综合实验，要求综合运用金相显微镜和各种金相制样设备学会各种不同试样的金相制样要点，并能分析合金尤其是铁碳合金的典型组织。

实验分三阶段进行，首先熟悉金相显微镜的结构、操作方法和维护要求，再进行具体试样的金相试样制备，第三步观察分析常见二元合金和铁碳合金的组织。实验中各阶段每位同学独立完成。通过预习了解显微镜结构、维护要求以及金相制样方法和不同合金的组织特征，写出实验步骤，然后到实验室通过自己的操作体会各个过程。

三、 实验仪器、设备及材料

3.1实验仪器、设备

砂轮机、预磨机、抛光机、电吹风、金相显微镜

3.2 实验材料

试样：铁碳合金试样及有色金属合金试样（用于组织观察）；制备试样材料选用碳钢。

制样材料：砂纸、抛光剂、抛光布、3-4%硝酸酒精、滤纸

四 实验原理

4.1 金相显微镜结构与使用

4.1.1成像原理

简单地说，成像原理就是将物像两级放大。如图1—1所示。物AB 经物镜放大成一倒立的实像A ′B ′，再经目镜放大成虚像A ″B ″。

1） 显微镜的放大倍数

显微镜的放大倍数等于物镜与目镜放大倍数的乘积：

目

物目物f f M M M 2501=•= f 物，f 目——物镜和目镜的焦距；l ——显微镜的光镜筒长度

放大倍数的选择决定于组织的粗细和观察的目的。放大倍数大，则组织清晰，但视域小，不能观察全貌，代表性受局限，放大倍数低，则效果完全相反，如图1-2所示。在金相分析时，根据需要，往往高、低倍变换使用。

图1—1 光学成像原理示意图 (a) 低倍 (b)高倍 图1—2 不同放大倍数下的带状组织

2） 显微镜的像差

像差就是物点经透镜后不能聚焦于一点，而使像模糊不清的现象。像差越小，则物越清晰。像差的大小，不仅与显微镜的设计制造有关，而且与使用是否正确有关。主要的像差有色差、球差和像域弯曲。

球差：透镜是球面，通过透镜边缘与中心的光线不聚焦于一点，使像模糊不清的现象叫球差(图1—3)。使用显微镜时缩小孔径光栏，可减轻球差，提高像的清晰度。

色差：不同波长的色光经透镜后，不能聚焦于一点，使像不清晰的现象叫色差（图1—4）。使用显微镜时减轻色差的方法有二：一是采用单色光，二是根据物镜的类型选用相应的滤色片。

像域弯曲：由于各种像差共同作用的结果，使垂直于光轴的物平面的像不是一平面，这种现象叫像域弯曲(图1—5)。像域弯曲对显微摄影不利，所以摄影时，应选择经过像域弯曲校正的平面消色差物镜或平面复消色差物镜。

图1—3 球差示图 图1—4 色差示图 3） 显微镜的分辨率

显微镜能区分开的两点间的最小距离叫分辨率，所以分辨率又可表示为

A N d ⋅=2λ

或ϕηλ

sin 2=d

λ ——光源波长

ϕ——物镜的孔径角的1/2，如图1—6所示；ϕηsin 叫物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力，显微镜的分辨率。英语缩写N.A 表示显微镜的分辨能力或鉴别率。

由上式可知提高分辨率的方法是：(1)用波长短的光源；(2)增大孔径光栏以增加有效的孔径角；(3)用折射率大的光介η——物镜与试样间的介质对光的折射率。

图1—5 像域弯曲示图 图1—6 孔径角

4.1.2 照明方式

1）明场照明

明场照明是最常用的一种照明方式，其光程如图1—7所示。这种照明方式，光线基本上是垂直地射入试样表面。因此，只要试样表面平滑，其像就是明亮的，故叫明场照明。试面上的划痕，孔洞则是暗黑的。

2）暗场照明

由明场变为暗场的方法是：用环形光栏代替孔径光栏，再在物镜外套一弧形反射聚光器。暗场的照明效果同明场相反。平滑磨面的像是暗黑的，而划痕、凹坑则是明亮的。

与明场相比，暗场的衬度好，分辨率高，能判断非金属类杂物的透明度和颜色。所以暗场是鉴别非金属夹杂物的一种不可缺少的照明方式。

图1—7 显微镜光学系统图图1—8 显微镜结构

4.1.3 金相显微镜的结构及主要零部件

金相显微镜由光学系统、照明系统和机械系统三部分组成（图1-8），主要部件作用如下：

1）物镜

物镜是决定物像质量的主要部件。因为像的校正情况不同，有不同类型的物镜。各类物镜的用途不同，并要与不同的目镜和滤色片配合，才能得到较好的物像质量。为了提高分辨率，在物镜与试样之间加松柏油等作介质，这种物镜叫油浸物镜。油镜一般是高倍物镜。

物镜上标有放大倍数，数值孔径和物镜类型，油镜上还标有“oil”字样。

2）目镜

目镜的作用是将物镜成的像再次放大成虚像或实像。

3）光栏

孔径光栏：其位置在光源聚光器之后。其作用是提高物像质量。增大孔径光栏，可提高分辨率，但球差也增大，像的清晰度下降、衬度下降，所以不能过大，也不能过小。可根据像的清晰度、衬度和分辨率适当调节。

视场光栏：其位置在孔径光栏之后。视场光栏不影响像的清晰度和分辨率，只能改变视场大小，提高衬度。

4）滤色片

滤色片作用主要有三：(1)减少色差，提高像的清晰度；(2)提高分辨率；(3)制成彩色金相试样，而采用黑白底片摄影时，选用适当的滤色片，可提高照片的衬度。