实验3 金相显微镜的使用及铁碳合金的平衡组织观察

一、实验目的

1．了解金相显微镜的基本构造及成像原理，并学会其使用方法。

2．了解铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

二、实验内容

了解金相显微镜的构造及成像原理，学会其使用。用金相显微镜观察表3-1中的金相试样的显微组织，画出对应的组织示意图，标明材料名称、热处理状态、放大倍数、浸蚀剂等实验条件。

三、实验原理

1．金相显微镜的成像原理、构造及使用

用来观察和研究金属材料显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜是利用反射光来观察不透明的金属物体。金相显微镜的种类很多，通常可分为台式、立式和卧式三大类。下面以4X系列台式金相显微镜为例来了解其成像原理、构造及使用方法。

(1) 金相显微镜的成像原理

金相显微镜属于光学显微镜的范畴，它的成像完全遵循光学成像的基本原理。它是由两级特定的透镜及一些辅助光学零件所组成，靠近被观察物体的透镜叫做物镜而靠近眼睛的透镜叫做 目镜。借助于物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很高的倍数（大约1600～2000倍），其成像原理如图3-1所示。

图3-1  金相显微镜成像原理图

物体AB放在物镜的焦点附近（在焦点以外），由物体反射的光线穿过物镜经折射后得到一个放大的倒立实像A’B’,目镜再将实像A’B’放大成正立虚像A”B”。 虚像A”B”就是我们在金相显微镜下所观察到的经过二次放大的物像。

在设计显微镜时，让物镜放大后形成的实像A’B’位于目镜的焦距 f 之内，并使最后的虚像A”B”在距眼睛 250mm 处，这时观察者看得最清晰。

(2) 金相显微镜的构造

金相显微镜主要由照明系统、光学系统和机械系统三部分组成。4X型金相显微镜的外形结构如图3-2所示。

图3-2  4X型金相显微镜外形图 图3-3  4X型金相显微镜光学系统

1-载物台  2-物镜  3-物镜转换器         1-灯泡  2-聚光镜组（1）  3-聚光镜组（2）

4-传动箱  5-微调手轮  6-粗调手轮       4-半反射镜  5-补助透镜（1）  6-物镜组

7-光源  8-偏心圈  9-试样  10-目镜      7-反光镜  8-孔径光栏  9-视场光栏

11-目镜筒  12-固定螺钉  13-调节螺钉     10-补助透镜（2）  11-棱镜  12-棱镜

14-视场光栏  15-孔径光栏                13-场镜  14-接目镜

① 光学系统

如图3-3所示，由灯泡1发出一束光线，经过聚光镜组2及反光镜7被会聚在孔径光栏8上，随后经过聚光镜3，再度将光线会聚在物镜6的后焦面，最后光线通过物镜，用平行光照明试样，使其表面得到充分均匀的照明。从物体反射回来的光线复经物镜6、补助透镜5、半反射镜4、补助透镜10、以及棱镜11与棱镜12形成一个放大的倒立实像，该像被场镜13和接目镜14所组成的目镜放大，最后进入观察者的眼睛。

光学系统的核心部件是目镜和物镜。其任务是完成金相组织的放大，获得清晰的图像。

目镜：目镜是用来观察由物镜所成物像的放大镜。

物镜：物镜起着放大和清晰成像的作用。物镜质量的好坏直接影响显微镜的成像质量。物镜的主要性能指标包括放大倍数、数值孔径、鉴别率和景深等。

物镜的放大倍数是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力。物镜上刻有如40X／O．65等符号，其中40X表示物镜的放大倍数，0.65表示物镜的数值孔径。

显微镜的放大倍数：目镜放大倍数X物镜放大倍数。

物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，它是影响物镜鉴别率的重要因素之一，通常以“N.A”表示。

物镜的鉴别率是指物镜具有将试样上两个物点清晰分辨的最大能力，以能清晰分辨两个物点的最小距离d来表示，d愈小，表示物镜的鉴别率愈高，如图3-4所示。景深是反映物镜对于高低不平的物体能清晰成像的能力，又称垂直鉴别率。

图3-4  物镜清晰成像作用

② 照明系统

照明系统主要由位于显微镜底部的光源、聚光镜组、反光镜、孔径光栏及视场光栏组成。通过以上一系列的透镜及物镜本身的作用，使试样表面获得充分均匀的照明。

孔径光栏：孔径光栏的作用是控制入射光束的粗细。孔径光栏对成像质量有重要影响，缩小孔径光栏可以减小像差，加大景深，成像清晰，但使物镜鉴别率降低；反之，扩大孔径光栏可以提高鉴别率，但成像质量降低。因此，孔径光栏的调整要适当，以观察成像最清晰时为宜。

视场光栏：视场光栏的作用是调节所观察视场的大小，它不影响物镜的鉴别率。视场光栏调节愈小，像的衬度愈佳。故为了增加衬度可将视场光栏尽量缩小，如观察金相组织时调至与目镜视场同样大小；在金相摄影时，调节至画面尺寸为佳。

③ 机械系统

机械系统(如图3-2所示)包括载物台、粗、微动调焦装置、物镜转换器、底座等。

载物台：试样9磨面向下放置在载物台1上，可用手轻推载物台在水平面任意方向微微移动，以便选择观察试样的适当部位。

粗、微动调焦装置：用来调节物镜2与试样9的相对位置，以得到最清晰的图像。旋转粗动手轮6能使载物台迅速上升或下降，旋转微动手轮5能使载物台缓慢升降，进行精确调焦。

物镜转换器：物镜转换器3可安装三个不同放大倍数的物镜，与目镜配合可获得不同的放大倍数。

底座：支撑整个镜体。

(3) 金相显微镜的使用

金相显微镜属于精密光学仪器，必须精心操作、使用。

使用前要预习实验指导书，了解显微镜的构造，操作要细心。遇有故障时不得擅自处理，应立即报告指导老师。

② 制备好的试样要保持清洁、干燥，无残留浸蚀液，以免浸蚀镜头。

③切勿用手触摸镜头、镜片，如发现镜头上有污垢时，应用棉球或毛刷轻轻擦去。

④ 观察完毕后应及时关闭电源。

2.铁碳合金的平衡组织

铁碳合金的平衡组织是指其在极为缓慢的冷却条件下（如退火）所得到的组织。其基本组织有铁素体(F)、渗碳体(Fe3C)、珠光体(P)和莱氏体(Ld')。

(1) 铁碳合金的基本组织特征

① 铁素体(F)

铁素体是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体。它的溶碳量随着温度的改变而变化，其最大的溶碳量为0.0218％。经4％硝酸酒精溶液浸蚀后，在金相显微镜下观察呈白色多边形晶粒，黑色网格是晶粒边界(即晶界)。浸蚀后的晶粒呈现明暗不同的颜色，这是由于各晶粒的位向不同，显示出晶粒具有不同的耐腐蚀性。亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体含量增加而铁素体量减小，当铁素体量多时，它呈块状分布，当含碳量接近共析成分时，铁素体在珠光体边界上呈网状分布。

铁素体硬度较低，一般为80～120 HB，强度也较低，但塑性和韧性好。

② 渗碳体(Fe3C)

渗碳体是一种铁碳化合物，含碳量为6．69％，在铁碳合金中，当碳含量超过其溶解度时，多余的碳就以Fe3C的形式出现。渗碳体的抗腐蚀能力较强，经4％的硝酸酒精溶液浸蚀后仍呈白亮色。白口铁中的一次渗碳体是直接从液体中析出，呈粗大条状分布在莱氏体基体中；二次渗碳体由奥氏体中析出，由于量少而沿着奥氏体晶界分布，随后奥氏体变成珠光体，因此室温下二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上。

渗碳体硬度很高，可达800 HB，它是一种硬脆相，所以强度、塑性都很差。故单纯的渗碳体或以它为基体的合金没有使用价值，只有在铁素体基体上分布适量的渗碳体才具有使用价值（很重要）。

③ 珠光体(P)

珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物。是由高温奥氏体(A)冷却到727℃ 时发生共析反应所得到的铁素体和渗碳体交替形成的层片状组织。经4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，在低倍数下观察，铁素体和渗碳体无法分辨，呈现黑色块状，在中高倍数下观察，片层状珠光体中铁素体呈黑色条纹状，而渗碳体呈白亮色。这是因为低倍观察时显微镜分辨率低，高倍时显微镜分辨率高的缘故。

片状珠光体的硬度为190～230HB，随着片层间距的变小而硬度升高。

④ 莱氏体(Ld')

莱氏体是一种两相共晶组织。莱氏体(Ld')在727℃以上是奥氏体和渗碳体共晶的机械混合物（称为高温莱氏体Ld）；在723℃时，奥氏体发生共析反应形成珠光体。所以室温下观察到的莱氏体组织是珠光体和渗碳体的机械混合物。经4％的硝酸酒精浸蚀后，莱氏体(Ld')的组织特征是白亮色的渗碳体基体上分布着黑色点状或条状珠光体。

Ld'的硬度很高，可达700HB，性脆。它一般存在于含碳量大于2.11%的白口铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也会出现。

(2) 铁碳合金在室温下的显微组织

铁碳合金包括工业纯铁、钢和铁三大类。其中钢根据组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三类；铁根据组织可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁和过共晶白口铁三大类。铁碳合金在室温下的显微组织如表3-1所示。金相显微组织如图3-5～图3-12所示。

表3-1  铁碳合金在室温下的平衡组织

名 称

含碳量（%）

热处理状态

显微镜组织

浸蚀剂

工业纯铁

＜0.02

退火

F

4%硝酸酒精溶液

亚共析钢

0.02~0.77

退火

F+P

4%硝酸酒精溶液

共析钢

0.77

退火

P

4%硝酸酒精溶液

过共析钢

0.77~2.11

退火

P+二次Fe3C

4%硝酸酒精溶液

亚共晶白口铁

2.11~4.3

铸态

P+ Ld'+二次Fe3C

4%硝酸酒精溶液

共晶白口铁

4.3

铸态

Ld'

4%硝酸酒精溶液

过共晶白口铁

4.3~6.69

铸态

Ld'+一次Fe3C

4%硝酸酒精溶液

图3-5  工业纯铁（200×）

图3-6  20钢 （200×）

图3-7  45钢（200×）

图3-8  T8钢（400×）

图3-9  T12钢（100×）

图3-10  亚共晶白口铸铁（200×）

图3-9  T12钢（100×）

图3-12  过共晶白口铸铁（160×）

四、实验材料及设备

1．4X型金相显微镜。

2．标准金相试样若干。

五、实验方法和步骤

金相显微镜的操作步骤如下：

1．根据放大倍数选择物镜和目镜。

2．将试样放在载物台1上，磨面对准物镜。

3．打开电源。

4．旋转粗动调焦手轮6进行调焦，当呈现出模糊的影像时，再转动微动调焦手轮5，直至所观察的物像清晰为止。

5．按需要调节孔径光栏和视场光栏的大小。

6．观察显微组织时，可移动(不能转动)载物台1，对试样的各部位进行观察。

7．观察完毕后，应关毕电源，取下试样。

   六、实验报告要求

1．明确实验目的

2．简述金相试样制备的原理及意义

3．图示说明金相显微镜的成像原理

4．分析铁碳合金中含碳量与组织间的关系

5．根据表3-1，画出对应的组织示意图，标明材料名称、热处理状态、放大倍数、浸蚀剂等实验条件。

   七、思考题

1．金相显微镜主要由几部分构成?其成像原理如何？

2．铁碳合金中含碳量如何对其组织与性能产生影响？