在现代科学技术领域中，研究金属材料微观组织的方法很多，如金相，X光，电镜以及其它物理方法等。其中金相分析方法，是延用已久的测试方法。由于所用设备简单，操作方便，直观等优点，特别是随着科学技术的发展，各种新型、多用途显微镜的出现，扩大了显微分析的应用范围。时至今日金相分析仍是科学研究和工业生产中的重要测试方法之一。对于从事金属学和热处理的工作人员，必须熟悉掌握这一技能。

二、MR5000金相显微镜成像原理

    金相显微镜是研究金属和合金显微组织的基本工具之一，其工作原理如图所示。显微镜是由两组透镜组成。对着物体AB的一组透镜O1，叫做物镜。对着眼睛的一组透镜O2，叫做目镜。物镜O1的焦距f1很短，目镜O2的焦距f2较长。根据透镜的成像原理，物体AB在物镜焦点F1以外少许，使所成的放大的倒立实像A1B1在目镜的焦点F2之内，因而用眼睛观察时，则可得到A1B1再度放大的虚像A2B2。显然，A2B2是由目镜一端看到的原物体AB经物镜，目镜两次放大后的倒立虚像，位于250mm明视距离D处。所以，观察到的像是经物镜和目镜两次放大。显微镜的放大倍率M应为物镜的放大倍率M物与目镜的放大倍率M目的乘积。即

式中f1为物镜的焦距，f2为目镜的焦距，L为显微镜的光学镜筒长。

金相显微镜原理图

三、金相显微镜光学系统的主要部件及功能

    金相显微镜分为台式、立式、卧式等，尽管显微镜的类型很多，但其构造却大同小异，它们都是由光学系统、照明系统及机械系统三部分组成。

（一）光学系统

    光学系统主要有物镜、目镜、平面镜、棱镜、透镜等。

1、 物镜

    物镜是显微镜的主要部件，物镜的质量直接影响显微镜放大成像质量。物镜的质量可用以下几个方面的性质衡量。即放大倍率、数值孔径，鉴别率、垂直鉴别率（景深）等。有关放大倍率前面已经介绍，这里不在重复。

    数值孔径

    数值孔径表征物镜的聚光能力，数值孔径大的物镜，聚光能力强，从试样上反射进入物镜的光线多，因而可提高物镜的鉴别能力。数值孔径的大小以数字表示，其数值为进入物镜的光线所张角的正弦与物镜和试样之间介绍的折射率的乘积。

                        （1）

  式中是介质的折射率，空气的折射率为1，为光线所张角的半角。

     由式（1）可知，可以提高及数值的两条途径，来提高物镜的数值孔径。提高值的方法是设计短焦距镜头，但是效果有限。改变物镜与试样之间的介质，则可有效提高数值孔径的数值。后一种方式在金相显微镜中的具体作法是应用油镜头，即在物镜和试样之间的介质是油，常用的是松柏油。

    鉴别率

    鉴别率是指物镜对试样上的微细组织的分辨能力。物镜的鉴别率与物镜的数值孔径和光源波长。物镜的鉴别率与物镜的数值孔径和光源波长有关。

     （2）

   式中，d－鉴别率；－入射光的波长；－物镜的数值孔径。

    由上式可知，光的波长愈短，或数值孔径愈大，d愈小，则物镜的鉴别率愈高。

    物镜又以干式镜头与油镜头之分，油镜头标记为Oil或油字样。

    物镜放大倍率均刻在外壳上，如5X、10X等。有的物镜还刻有焦距，如F＝8.16，F=2.7等，焦距越短，放大倍率愈大。

    2、目镜

    目镜是显微镜中的第二个透镜组，它的作用是将物镜放大的实像再放大一次。显微分析时，在目镜明视距离处形成一个清晰的虚像；当显微摄影时，在毛玻璃上所看到的象是实像。另外，补赏目镜除起放大作用外，还能将物镜造像过程中的残余像差给予校正。

    观察用目镜，一般在目镜筒外壳刻有放大倍率。目镜的放大倍率有4×、7×、10×、15×、20×等。

    显微镜常用的目镜有：福根目镜（负型）、补偿目镜、雷斯登目镜（正型）、测微目镜、放大型目镜等。

   测微目镜的构造与一般目镜相同，仅是正目镜的光栏处加入了一个带有刻度的玻璃片。根据测量目的可将刻度设计为直线，十字交叉线，方形网格，同心圆或其它图形。

    在进行定量分析时，必须首先确定在所使用的放大倍率下，目镜测微尺上每一刻度的实际长度。其方法是把物镜测微尺（亦称显微尺）放在载物台上，显微尺是将1毫米长度等分为100格，故每一小格为0.01毫米。当显微尺聚焦后与目镜测微尺某一段刻度相重合并进行比较。目镜测微尺的每一刻度值可按照下式求出。

   例如，显微尺的15个格与目镜测微尺的10个刻度相重合，则目镜测微尺每一刻度的实际长度

（二）显微镜的照明系统

    金相显微镜必须依靠光源照明方可进行工作。显微镜常用的光源有低压钨丝灯泡，碳弧灯、卤素灯及氙灯等。

    低压钨丝灯泡

     低压钨丝灯泡是金相显微镜应用zui多的一种光源。适于用台式、立式小型显微镜。工作电压为6~8V,功率15~30W。 色温为2800℃。

   碳弧灯

    碳弧灯常用做大型金相显微镜的光源。亮度*，适用于摄影，偏振光研究及暗场金相组织观察等。碳弧灯是两根通电的碳棒产生电弧的一种强光源。碳弧灯色温为4000℃～5000℃。

   卤素灯

   卤素灯是钨丝灯的改进，它是在装有钨丝的石英玻璃内充入一定量的溴化物或碘化物，因而提高了灯泡的效率及寿命。工作电压为12V，功率为50～100W，其灯丝发光部分近似点状，色温为3000℃。

   氙灯

   氙灯是一种充有高压纯度氙气的弧光放电灯，其特点是光强高，体积小，经很短时间加热后，光的输出很稳定，辐射出从紫外线到红外线的连续光谱，可见区光近于日光，色温6000℃，使用寿命一般为300～1000小时，此光源适用于偏振光、暗场、相衬及显微摄影照明用。

   滤光片

   滤光片是由不同颜色光学玻璃所制成的透明薄片，有黄色、绿色、蓝色、红色及灰色等。它的作用是把金相显微镜光源所发出的白光中适合需要的颜色（或波长）的光线通过，以满足显微镜工作时照明的要求，而且还可提高鉴别率，增加相的衬度。若用消色差物镜配合绿色滤光片还可消除残余色差。

   光栏的作用

   光栏的作用在于提高影像的质量。金相显微镜的光程中有两个光栏，即孔径光栏及视域光栏。它们的结构相同，都是可变的，即能张开或缩小。

   孔径光栏（亦称光圈）

    孔径光栏是调节光源进入物镜光束粗细用的，通过可变光栏使其张大或缩小。缩小光栏时，进入物镜的光束变细，从而可提高映像的质量，但孔径光栏不能过小，以免使物镜的鉴别率降低以及产生光的干涉而致使物体形成浮雕或变形双影。

   视域光栏

   视域光栏又称视野光栏，调节光栏可改变观察视域大小；提高映像的衬度。

（三）机械系统

   显微镜的种类很多，类型不同，其机械结构也有区别。机械系统的主要作用是，将显微镜的光学系统、照明系统联接成一体，发挥照明系统、光学系统的应有作用。

   显微镜的机械结构由镜座、镜架、镜筒、载物台以及调节装置（粗调、微调）等组成。

（四）照相装置

   金相显微镜都有的照相装置，它是由暗箱、投影、暗盒和快门组成。

四、MR5000金相显微镜的使用

（1）首先将显微镜的光源插在变压器上，通过低压（6～8V）变压器接通电源。

（2）根据使用的放大倍率，选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座及目镜筒内，在装卸物镜时，必须将载物台升起，以免碰撞透镜。

（3）调节载物台使之对准物镜中心。然后把试样放在载物台上，并用弹簧片压紧。

（4）聚焦时，首先转动粗调机构，使物镜尽量接近试样，然后边从目镜中观察，边缓慢旋转粗调螺钉，在视域中逐渐观察到物象的轮廓后，便可改用微调手轮调焦，直至映像*清晰为止。

调焦时，载物台的移动应小于进行，谨防前透射与试样表面可能发生的碰撞。

（5）适当地调节孔径光栏和视野光栏，以获得*映像。

（6）使用油浸系物镜，要用洁净的木签蘸一滴松柏油滴入物镜的前透镜上，此时，要避免木签碰压透镜及不宜用过多的油，否则会弄伤或弄脏透镜。另外，也可将松柏油直接滴在试样上。油镜头用后，应立即用脱脂棉或镜头纸蘸取二甲擦拭干净。待干燥后方可将物镜放进盒内。

（7）仪器使用完毕，应将物镜、目镜取下放入附件箱内，并将物镜筒用防尘盖盖好。

（8）切断电源，将仪器用罩子罩好。

五、实验目的

1. 了解金相显微镜的光学原理和构造。

2. 初步掌握金相显微镜的使用方法。

六、试验内容与步骤

1、了解显微镜构造、光路及使用方法。

2、按显微镜操作规程进行XJB－1型金相显微镜的调整和使用。

七、试验报告要求

1、简述金相显微镜的基本光学原理和主要结构

2、金相显微镜的使用方法及注意事项。