【2017年整理】材料科学与工程基本技能实验指导书一金属方向.doc

《材料科学与工程基本技能实验》 实验指导书 彭竹琴 穆云超 赵慧君 编 中原工学院 二〇〇年十月 实验一 金相显微镜的构造、使用和维护 实验二 金相试样的制备与观察 实验三 金属材料的硬度实验 实验四 金属热处理实验 实验五 金属的磨损实验 实验六 金属的冲击实验 实验一 金相显微镜的构造、使用和维护 一、实验目的 1、了解金相显微镜的结构原理，熟悉各种零件的性能和功用。 2、掌握分辨率的概念及其影响因素。 3、学会正确操作普通金相显微镜。 二、金相显微镜的基本原理、构造及使用 （一）金相显微镜的基本原理 显微镜的基本原理如图1—1所示的光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。物镜和目镜分别由两组透镜组成。对着物体AB的一组透镜组成物镜01，对着眼睛的一组透镜组成目镜02。物镜、目镜都各由复杂的透镜系统组成。 图1 显微镜光学原理图 物镜使物体AB形成放大的倒立实像AB′，目镜再把A′B′放大成仍然倒立的虚像A″B″,其位置正好在人眼的明视距离处，即距人眼250mm处。我们在显微镜中看到的就是这个虚像A″B″。 显微镜的主要性能有： ①显微镜的放大倍数：显微镜的放大倍数可由下式决定： M= M物×M目=-L/f物×D/f目 M——显微镜的放大倍数 M目——目镜的放大倍数 M物——物镜的放大倍数 D——明视距离250mm f目——目镜的焦距 f物——物镜的焦距 L——显微镜的光学镜筒长度 f目、f物越短L越长，则显微镜的放大倍数越高。在使用时，显微镜的放大倍数就是物镜和目镜的放大倍数的乘积，有的小型显微镜的放大倍数需要乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短。 ②显微镜的鉴别率：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。在普通光线下，人眼分辨两点间的最小距离为0.15—0.30mm，d为0.15—0.30mm，d 为0.21×10-3mm，d值越小，鉴别率越高。鉴别率可由下式计标出来： d= λ/2A λ——入射光线的波长 A——物镜的数值孔径 显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜没有关系。光源的波长可通过滤色片来选择。兰光的波长（λ=0.44μ）比黄绿光（λ=0.55μ）短。所以鉴别率较黄绿光大25%。当光源的波长一定时，则可通过变化A来调节显微镜的鉴别率。 ③景深：即垂直鉴别率，反映显微镜对于高低不同的物体能清晰成像的能力。 景深= 1/(7Msinθ)+ λ/(2nsinθ) M ——放大倍数 θ——孔径角 λ——波长 n——折射率 放大倍数或数值孔径越大，景深越小。在进行断口分析时，若景深太小，则对断口上凹凸不平的浮雕难以同时有清晰的图像。 ④物镜的数值孔径：数值孔径表示物镜的集光能力。 A=nsinφ A——物镜的数值孔径 n——物镜与试样之间介质的折射率 φ——物镜孔径角的一半（如图2） n越大或物镜孔径角越大，则数值孔径越大。由于φ总是小于90o，所以在空气介质（n=1）中使用时，数值孔径A一定小于1，这类物镜称干系物镜。当物镜与试样之间充满松柏油介质（n=1.52） 图2 物镜聚光示意图 时，A值最高可达1.4,这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头）,每个物镜都有一个设计额定的A值，刻在物镜体上。 ⑤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来组合。如45倍的物镜乘10倍的目镜或者15倍的物镜乘30倍的目镜都是450倍。对于同一放大倍数，如何合理选用物镜和目镜呢？首先确定物镜，根据计标，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倍到1000倍之间；即：M=500A～100A。 这个范围称有效放大倍数范围。若M＜500A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若M＞1000A，则形成“虚伪放大”，细微部分将分辨不清。待物镜选定后，再根据所需放大倍数选用目镜。 ⑥透镜形成缺陷： A 球面象差：如图3所示，当来自A点的单色光（即一定波长的光线）通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点，则使放大后的像糊糊不清。此现象称为球面象差。 图3 球面象差示意图 降低球面象差的办法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要校正外，在使用显微镜时也可采取调节孔径光栏，适当控制入射光束粗细，减少透镜表面面积的办法把球面象差降低到最低程度。 B 色象差：白色光是由七种单色光组成的。当一束来自A点的白色光通过透镜后，由于各单色光的波长不同，折射率不同，使光线折射后也不能交于一点。紫光折射最强，红光折射最弱，结果也使成像模糊不清。此现象称为色象差（图4）。 图4 色象差示意图 消除色象差的办法，一是制造物镜时进行校正，根据校正程