光学金相显微镜的优化措施

3.2.8.1　金相试样的制备

金相试样制备是金相研究非常重要的一部分，它包括试样的截取、试样的镶嵌、试样的磨光、试样的抛光、金相显微组织的显示。

取样是金相试样制备的第一道工序，若取样不当，则达不到检验目的，因此，所取试样的大小、部位、磨面方向等应严格按照相应的标准规定执行。金相试样取样的原则：选择有代表性的金相试样是金相研究的第一步，不重视取样的重要性常常会影响试验结果的成败。

（1）截取试样的部位，必须能表征材料或部件的特点及检验的目的。①对机件破裂的原因进行金相分析时，试样应在部件破裂部位截取。为了得到更多的资料，还需要在离开破裂源较远的部位截取参考试样，进行对照研究。②对于工艺过程或热处理不同的材料或部件，试样的截取部位也要相应地改变。③研究分析铸件的金相组织，必须从铸件的表层到中心同时观察。根据各部位组织的差异，从而了解铸件的偏析程度。小机件可直接截取垂直于模壁的横断面，大机件应在垂直于模壁的横断面上，从表层到中心截取几个试样。④轧制型材或锻件取样应考虑表层有无脱碳、折叠等缺陷，以及非金属夹杂物的鉴定，所以要在横向和纵向上截取试样。横向试样主要研究表层缺陷及非金属夹杂物的分布，对于很长的型材应在两端分别截取试样，以便比较夹杂物的偏析情况；纵向试样主要研究夹杂物的形状，鉴别夹杂物的类型，观察晶粒粒长的程度，估计逆性形变过程中冷变形的程度。⑤经过各种热处理的零件，显微组织是比较均匀的，因而只在任一截面上截取试样即可，同时要考虑到表层情况，如脱碳、渗碳、表面镀膜、氧化等。

（2）确定试样的金相磨面：研究结果或试验报告上的金相照片应说明取样的部位和磨面的方向。①横截面主要研究内容：a.试样外层边缘到中心部位金相显微组织的变化。b.表层缺陷的检验，如氧化、脱碳、过烧、折叠等。c.表面处理结果观察，如表面镀膜、表面淬火、化学热处理等。d.非金属夹杂物在截面上的分布情况。e.晶粒度的测定。②纵截面主要研究内容：a.非金属夹杂物的数量、形状、大小，夹杂物的情况与取样部位关系非常大，因而必须注意取样部位能代表整块材料。b.测定晶粒拉长的程度，了解材料冷变形的程度。c.鉴定钢的带状组织以及热处理消除带状组织的效果。

（3）金相试样截取截面方法：试样的截取必须采用合适的方法，避免因切割加工不当而引起显微组织的变化。引起组织变化的可能性有两方面必须注意：①逆性变形使金相组织发生变化。如低碳钢、有色金属中晶粒受力压缩拉长或扭曲，多晶锌晶粒内部形变挛晶的出现，奥氏体类钢晶粒内部滑移线的增加等都是容易发生的毛病。尤其某些低熔点金属（锡、锌等），由于它们的再结晶温度低于室温，如果试样发生逆性变化，将同时伴随有再结晶过程，使原来的组织、晶粒大小发生根本改变。②材料因受热引起的金相组织变化。如淬火马氏体组织，往往因磨削热影响，使马氏体回火。产生回火马氏体。③根据材料的硬度不同，采用不同方法截取试样。a.对软性的材料可用手锯或锯床等截取。b.极硬的合金材料，如淬火钢及硬质合金等，可用砂轮片，金相试样切割机截取。c.硬脆合金一般用锤击，挑选合适的碎块，然后镶嵌成规整的试样。d.斜面截取法对表层金相组织的分析研究是一种有效的方法，在很多情况下表层厚度极薄，在一般试样截面上是一条极细的线条，无法观察到清晰的组织，但采用斜面截切法可扩大观察范围，如表面镀层、拜尔培层的研究。

3.2.8.2　金相显微镜

金相显微镜是利用反射光观察不透明金属与合金组织结构的显微镜。由于光线不能透过物体，所以用一套复杂的照明系统使光线从正面或侧面把物体表面照亮，然后依靠物体的表面反射能力，使部分光线反射入光学系统，经放大成像，供人眼观察。分辨能力为几个微米到十分之几微米。

金相显微镜种类很多，根据金相研究的目的、对象、方法不同，有偏光金相显微镜、相衬金相显微镜、紫外光金相显微镜等。

金相显微镜主要应用于研究金相组织。化学组成相同的金属材料，经不同热处理工艺加工后，其金相组织不同。所以，对工具痕迹、工具上金属附着物、枪弹、罪犯破坏障碍物或侵害金属客体所留下的物证检材，都可以用金相显微镜进行分析，作金属的定性或超微结构检验。

普通光学金相显微镜主要由光学系统、照明系统和机械系统构成。

（1）光学系统

光学系统的主要构件是物镜和目镜，其任务是完成金相组织的放大，并获得清晰的图像。

①物镜

a.物镜的数值孔径。物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，是物镜的重要性能之一。增强物镜的聚光能力，可提高物镜的鉴别率。

b.物镜的鉴别率。物镜的鉴别率，是指物镜具有将两个物点清晰分游的最大能力，以两个物点能清晰分辨的最小距离d的倒数表示。d越小，表示物镜的鉴别率越高。物镜的数值孔径越大，入射光的波长越短，则物镜的分辨能力越高。在可见光中，观察时常用黄绿光（x＝550 nm），显微照相时改用蓝色光（x＝440 nm），则可使分辨能力提高25%左右。对于光学金相显微镜，若用蓝色光，采用油浸物镜，那么物镜的最大分辨能力约为160 nm。

c.物镜的放大率。由显微镜的放大原理可知：物镜的放大率Mw＝a／f。这表明，在确定了物镜的焦距以后，放大率随显微镜的光学镜筒长而变化。只有确定了光学镜筒长以后，物镜的放大率才有意义。因此，物镜的放大率是按设定的光学镜筒长来标定的，必须在指定的镜筒长度上使用，否则，其放大倍数将改变。

d.镜简长度。物镜的像差是依据一定位置的影像来校正的。因此，物镜一定要在规定的机械镜筒长度上使用，以保证物镜在最佳校正范围内工作，显微镜的机械镜筒长度，是指物镜座面到目镜筒顶面的距离，对指定的一套光学仪器是固定不变的，一般显微镜的机械镜筒长度多数为160 mm、170 mm和190mm。

②目镜

目镜是用来观察物镜所成图像的放大镜，其作用是：在显微观察时，在明视距离处形成一个清晰放大的虚像；在显微照相时，通过投射目镜影屏上得到了一个大的实像，此外，某些目镜（如补偿目镜）除具有放大作用之能将物镜造成的残余像差予以校正。

（2）照明系统

金相显微镜必须依照附加光源进行工作。这一点与生物显微镜不同，该系统的主要部件是光源与垂直照明器。

①光源

a.白炽灯。一般中、小型金相显微镜都配有这种照明装置。白炽灯的工作电压为6～12 V，圈绕钨丝灯的功率为15～30W；钨带灯的功率较高，常在100W以上。使用低压钨丝灯必须具备降压变压器，将220 V降至8～12 V。低压钨丝灯适用于各种台式、立式显微镜观察及短投射距离的金相照明。此外，大型金相显微镜亦备有钨丝灯作金相观察之用。

b.氤灯，超高压部灯是球形强电流的弧光放电灯，辐射出从紫外线到接近红外线的连续光谱，可见区光色近于日光，具有亮度大、发光效率高及发光面积小等优点。氤灯在管内充有一定压力的气体，一般的电源电压不能使它起弧点燃，它是靠“触发器”使瞬间加在灯管两端的电压达40 kV的脉冲高压，引起灯管弧光放电而点燃。灯管经发光点燃，触发器就停止工作，保证氤灯正常工作的电压为18 V、额定电流为8 A。国产氤灯功率一般采用150W。由于氩灯亮度大，适宜于作偏光、暗场、相衬观察及显微照相时的光源，一般大型金相显微镜同时备有两种照明光源，以备普通明视场观察及特殊情况的组织观察、显微照相之用。

②垂直照明器(www.xing528.com)

金相显微镜的光源一般位于镜体的侧面，与主光轴成正交。因此，需要一个“垂直照明器”起光路垂直换向作用。垂直照明器的种类有平面玻璃、全反射棱镜、暗场环形反射镜等。

③光路系统其他主要附件及作用

a.光阑。在金相显微镜的光路系统中，一般装有两个光阑，以进一步改善影像质量。靠近光源的一个叫孔径光侧，后一个叫视场光阔，某些小型台式显微镜仅有一个孔径光侧，这两个光圈的调节，对最后的影像质量关系极大。

孔径光阑的作用是控制入射光束的大小，对某些像差的大小有重要影响。

缩小孔径光阑可减小球差和轴外像差，加大景深和衬度，使影像清晰，但却会使物镜的分辨能力降低。理论上，合适的孔径光阑大小应以光束刚刚充满物镜后透镜为准。实际观察时，无法检查后透镜光线充满的情形，按经验可取下目镜直接观察，镜筒内灯丝影像面积占整个筒面积的1／2～3／4时，为适宜的孔径光阑。

视场光阑在光程中所处的位置为经光学系统成像于金相磨面上，因此，调节光阑大小可改变视场的大小，但并不影响物镜的鉴别率。视场光阑越小，影像衬度越佳，为了增加衬度，可将视场光阈缩小到最低限度，即在观察时调至与目镜内视场同样大小；在照相时调节至画面尺寸。

b.滤色片。滤色片的作用是吸收光源发出的白色光中波长不合需要的部分，只让一定波长的光线通过，从而得到一定波长的光线。因而，滤色片是金相显微镜照相（黑白）时的一个有力的辅助工具，可以得到优良的金相照片。

（3）机械系统

金相是微混的机器，系统主要包括底座、载物台、镜筒。调节螺钮及照相部件等。

3.2.8.3　金相试样的观察

金相分析中，往往需要根据不同的试样、不同的观察目的，选用不同的观察方式，以获得清晰影像，并对显微组织做出准确的鉴别。

（1）明视场观察

明视场观察是金相分析中的主要观察方法，它是在明视场照明的条件下实现的。

明视场照明是金相显微镜的基本采光方式，其光路行程如图3.10所示。来自显微镜光源的光线经垂直照明器转向，使光线垂直地或以一个较小的角度照射在金相试样表面上，利用试样表面的反射光线进入物镜、目镜成像。如果试样表面为一光滑镜面（未经侵蚀的抛光面），则从试样表面反射的光线将全部进入物镜、目镜成像，从而视场是没有任何细节的一片亮区；若试样上存在高低不平的组织，或组织间对光线的反射能力不同，那么从晶界上漫反射的光线或因某些组织对光线的干涉作用，使得部分光线不能进入物镜、目镜成像。这样，试样的显微组织就以不同的黑白衬变或颜色衬度显现在明亮的视场内，因此称之为明视场照明。

图3.10　明场照明光路行程图

（2）暗场观察

暗场观察是在暗视场照明条件下实现的。暗视场与明视场的区别在于：明视场中经垂直照明器转向后的入射光束通过物镜直射到金相试样表面上，而暗视场则是使入射光束绕过物镜斜射于试样表面上。这样的光束是靠环形光阑及环形反射镜获得的。图3.11是暗视场的光路行程简图。

光源经聚光镜获得的平行光束，在环形光阑处受阻，仅使部分光线沿筒形管道通过，并由暗场环形反射镜转向后，沿着以光轴为中心的环形管道前进。此时，光线不通过物镜首先投射到物镜外的曲面反射镜上，通过反射使光束斜照在试样表面上。因此，表面光滑的试样反射出来的光线不能进入物镜成像，在目镜筒内看到的是漆黑一片，而试样表面上有凹凸不平的组织时，则能使光线产生漫反射，因漫反射的产生将有部分光线进入物镜成像。这样，试样上的组织将以明亮的影像映衬在漆黑的视域内，因而称为暗视场照明。暗视场照明方式所获得的影像，其黑色、白色区域正好与明视场照明时相反。

图3.11　暗场照明光路行程

3.2.8.4　显微组织的定量分析

显微组织的定量分析也称定量金相，是金相分析技术的重要方面。这是因为通过显微镜的观察，尽管可以鉴别各种组织、观察其特征，但对于组织的量只能是估计值。这显然不能满足火灾物证技术鉴定的要求。因为火灾物证技术鉴定中往往涉及晶粒的大小、某种组织量的多少，这些都需要定量金相的有关知识。

其基本特点是把二维平面上测得的数据应用统计学的基本关系式，经过体视学的处理，获得在三维空间中的显微组织特征。例如：测定的金相磨面上某相所占的面积百分数或任意线段上该相所占的长度百分数或在平面网格中该相所占的结点百分数都可代表该相的体积百分数。

由于采用统计分析，故测量的部位应有代表性，且测量的数量足够多时，才能有较高的准确度。

先进的定量金相装置把金相显微镜与图像分析仪结合起来，用计算机把显微图像中的不同灰度等级转换成不同的颜色，然后按需要把某种颜色所代表的相的特征参数采集出来，通过数据处理，得到各种定量分析数据，这种方法快速、方便、准确，但设备比较昂贵。