金相顯微鏡與金相試樣制備技術(shù)

金相顯微鏡與金相試樣制備技術(shù)

現(xiàn)代金相顯微鏡已普遍采用無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，并廣泛使用平場消色差物鏡、廣視場目鏡、高倍干物鏡；一般均裝備有明視場、暗視場、偏振光、DIC等常用的照明方式。顯微照相也走進(jìn)了數(shù)字化時代，部分取代了傳統(tǒng)的暗室操作。對金相試樣制備的要求，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)獲得無磨痕的光亮表面，而現(xiàn)代觀點(diǎn)則強(qiáng)調(diào)試樣表面變形損傷層的有效去除。多種新型制備表面和多晶金剛石、立方氮化硼、非晶態(tài)膠體狀二氧化硅等新型磨料的使用，大大減少了試樣制備工序的數(shù)目，不僅提高了試樣制備的質(zhì)量和效率，而且還能降低試樣制備的成本。

*，熱處理是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，在熱處理過程中，零件的相組成或顯微組織會發(fā)生一定的變化。因此，零件原材料和熱處理后的顯微組織檢驗(yàn)是質(zhì)量控制的重要手段。以下簡要介紹金相顯微鏡和金相試樣制備技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)展。

 

1、金相顯微鏡

金相顯微鏡由于易于操作、視場較大、價格相對低廉，直到現(xiàn)在仍然是常規(guī)檢驗(yàn)和研究工作中zui常使用的儀器。近年來金相顯微鏡的改進(jìn)主要有以下幾點(diǎn)：

 

1.1普遍采用無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)

物鏡按照無限遠(yuǎn)象距進(jìn)行設(shè)計而不是象常規(guī)物鏡那樣按照有限象距進(jìn)行設(shè)計，這種光學(xué)系統(tǒng)稱為無限遠(yuǎn)色差和象差校正的光學(xué)系統(tǒng)或簡稱無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)。使用這種光學(xué)系統(tǒng)時，當(dāng)入射光從試樣表面反射再次進(jìn)入物鏡后，并不收斂而是保持為平行光束，直到通過鏡筒透鏡后才收斂并形成中間象，即一次放大實(shí)象，然后才供目鏡再次放大。無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是顯微鏡中的各種光學(xué)附件（如暗視場光束分離器、偏振光分離器、用于DIC（微差干涉襯度）的Wollaston棱鏡、檢偏振鏡，以及其它附加濾色鏡等）都可以放置在物鏡凸緣與鏡簡透鏡之間平行光束的空間，由于成象光束沒有受到上述光學(xué)附件的干擾，物象的質(zhì)量不會受到損害，從而簡化了物鏡設(shè)計中色差和象差的校正。此外，在無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)中，鏡筒長度系數(shù)保持為一，無論物鏡與目鏡之間的距離有多遠(yuǎn)，也不需要一個固定的中轉(zhuǎn)透鏡系統(tǒng)。目前，德國的CarlZeiss公司和Leica公司、日本的Nikon公司和Olympus公司生產(chǎn)的金相顯微鏡均已先后采用無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。

 

1.2同焦面性設(shè)計

 

在新型顯微鏡中，更換物鏡及目鏡后不須重新調(diào)焦，一般只需略微調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，就可以使物象準(zhǔn)確聚焦。為此，物鏡和目鏡的光學(xué)機(jī)械尺寸應(yīng)滿足同焦面性的要求，即：①所有物鏡的共軛距離（即從試樣表面到物鏡初次放大實(shí)象象面之間的距離）相等：②所有物鏡初次放大實(shí)象到目鏡鏡筒口的距離不變；③所有目鏡的焦面與物鏡初次放大實(shí)象的象面重合。同焦面性并不是物鏡或目鏡的一個固有特性，而是在新型顯微鏡的設(shè)計中為了便于使用者的操作而采取的一種措施。

 

1.3對顯微鏡有效放大倍數(shù)的再認(rèn)識

顯微鏡的有效放大倍數(shù)（M）與物鏡數(shù)值孔徑（NA）的關(guān)系可以表示為：550NA＜M＜1100NA，長期以來，顯微鏡使用者一直遵循這一關(guān)系式。但是，VanderVoort在其所著《金相學(xué)——原理與實(shí)踐》一書中指出，上式是在用理想的眼睛觀察具有理想反差物象的條件下推導(dǎo)出的，因此不要當(dāng)做教條來遵循。實(shí)際上，分辨率不僅與物鏡的分辨率有關(guān)，而且還與物象的反差有關(guān)。此外，照明條件、放大倍數(shù)、物鏡質(zhì)量，以及觀察條件都會影響物象的反差，因而也會影響分辨率。他指出，為了獲得zui高分辨率，zui低有效放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)是*條件下的4倍左右，即M≈2200NA；同時，使用4000×或更高放大倍數(shù)的顯微照片也是*合理的。

 

1.4平場消色差物鏡

 

現(xiàn)今新型顯微鏡已經(jīng)普遍使用平場消色差物鏡，甚至還可以配置更的平場復(fù)消色差物鏡。老式物鏡初次放大實(shí)象的直徑只有18mm～20mm，而平場消色差物鏡則規(guī)定高度校正的初次放大平面象的直徑為28mm，即象場面積增大了一倍，并使象場彎曲得到了很好的校正。

 

1.5高倍干物鏡

 

為了便于觀察高倍顯微組織，現(xiàn)今顯微鏡一般均備有高倍干物鏡。例如Nikon公司生產(chǎn)的EPIPHOT300型金相顯微鏡（圖1）配置有放大100×、150×、200×的CFPlanApoEPI型干物鏡，其NA值均為0.95。盡管干物鏡的分辨率明顯低于油浸物鏡（100×油浸物鏡的NA值一般可達(dá)1.40），但由于簡化了操作并使試樣免于被油污染，現(xiàn)今已獲得更為廣泛的使用。近年來，Olympus公司生產(chǎn)的GX系列顯微鏡甚至還配置有更高倍數(shù)（250×）的干物鏡，盡管其NA值只有0.90，但是用它來進(jìn)行觀察或拍照，已經(jīng)很容易使其放大倍數(shù)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)上使用的數(shù)值（1100NA），這進(jìn)一步證實(shí)了以上第1.3小節(jié)介紹的觀點(diǎn)是正確的。圖2為Olympus公司生產(chǎn)的GX71型金相顯微鏡。

 

1.6廣視場目鏡

 

廣視場目鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是場光闌顯著增大，一般為22mm～26.5mm（老式目鏡的場光闌直徑只有16mm），充分利用了平場物鏡擴(kuò)大了的象場面積。

 

此外，有的顯微鏡還配置有高眼點(diǎn)目鏡，使眼睛有缺陷（如散光）的人可以戴著眼鏡進(jìn)行觀察，物象的質(zhì)量可以免受眼睛缺陷的影響。由于平場消色差物鏡和廣視場目鏡的推廣使用，使顯微組織觀察的視域擴(kuò)大了許多，這也相應(yīng)提高了對顯微鏡載物臺加工精度和試樣制備質(zhì)量的要求。

 

1.7長工作距離物鏡

 

有些顯微鏡生產(chǎn)廠商還推出一些工作距離較長的物鏡，這是為了適應(yīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)或特殊需要（例如高溫臺）而設(shè)計的。通常情況下，物鏡的放大倍數(shù)越高，工作距離（即物象聚焦時，物鏡接物透鏡與試樣之間的距離）越短，為了避免物鏡因工作中不慎觸及試樣或受熱而損壞，于是就設(shè)計了這種特殊物鏡。例如NikonEPIPHOT300型金相顯微鏡的物鏡系列中就有50×和100×兩個工作距離分別為8.7mm和2.0mm的長工作距離物鏡，其NA值分別為0.55和0.8；又如OlympusGX系列顯微鏡也可配50×和100×工作距離分別為10.6mm和3.4mm的長工作距離物鏡，其NA值分別為0.55和0.8，而50×和100×普通物鏡的工作距離則分別只有0.54mm和0.3mm，但是其NA值則分別為0.8和0.95?？梢钥闯?，長工作距離物鏡的數(shù)值孔徑即分辨率有所下降，不過成像質(zhì)量仍然不錯。

 

1.8多功能緊湊設(shè)計

 

在人們的印象中，只有大型臥式顯微鏡才是功能齊全的設(shè)備。但是，現(xiàn)今生產(chǎn)的顯微鏡（包括研究型）基本上都采用緊湊的臺式設(shè)計并使用*的平場消色差物鏡或平場復(fù)消色差物鏡以及廣視場目鏡。有的顯微鏡還配有電動控制的物鏡回轉(zhuǎn)頭，只需按下按鈕，所需的物鏡就會自動旋入光程，孔徑光闌和視場光闌的大小也能隨著物鏡的更換自動進(jìn)行調(diào)整。照明方式則有明視場、暗視場、偏振光、微差干涉襯度（DIC）等四種zui常用的照明方式，而且照明方式的變換也極為簡便。此外，觀察到的物象也是正置而不是反置，使物象的移動方向與載物臺的移動方向一致，大大便利了操作。

 

1.9顯微照相和圖象分析走進(jìn)了數(shù)字化時代

顯微鏡的內(nèi)置照相裝置或外置照相附件既可以使用35mm膠卷，也可以使用大尺寸膠片或一次成象感光器材，不過35mm膠卷更為經(jīng)濟(jì)和便捷，從而獲得更加廣泛的使用。近年來，數(shù)字成象系統(tǒng)也逐漸用于顯微照相，它可以很容易地將數(shù)字化的圖象儲存在計算機(jī)內(nèi)，也可以隨時將其打印成照片或通過電子郵件傳遞，免除了暗室操作。

有了圖象分析軟件，還可以將數(shù)字化圖象經(jīng)過圖象處理后，按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量分析，如晶粒度測定、鍍層或涂層厚度測定、孔隙度測定等。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和軟件的完善，圖象分析也會越來越方便、迅速、。利用圖象處理軟件，還可以將多個相鄰視場的數(shù)字化圖象拼接成一整幅視場寬廣的清晰圖象，而且?guī)缀蹩床怀鼋涌p的痕跡，對于一個高水平的操作系統(tǒng)，這一操作可以在數(shù)秒鐘內(nèi)完成。

但是，隨著數(shù)字化圖象應(yīng)用的迅速普及，也帶來一個令人憂慮的問題，這就是顯微組織照片的“作假”問題。利用圖象處理軟件對金相組織進(jìn)行“修理”、甚至“移花接木”已經(jīng)不是一件難事，但是這樣做卻*違背了“金相組織應(yīng)當(dāng)能如實(shí)反映試樣真實(shí)組織”的重要原則，弄不好還可能造成嚴(yán)重的事故，這一憂慮應(yīng)當(dāng)不是“聳人聽聞”。

 

2 金相試樣制備技術(shù)

對金相試樣制備的要求，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)獲得無磨痕的光亮表面，而現(xiàn)代觀點(diǎn)則強(qiáng)調(diào)試樣表面變形損傷層的有效去除，只有這樣，才能在顯微鏡下觀察到試樣的真實(shí)組織。其次，還要注意提高試樣制備效率和降低成本。傳統(tǒng)的金相試樣制備步驟有切割、鑲嵌、磨成平面、磨光、拋光等項，前兩項屬于試樣制備的準(zhǔn)備步驟，后三項屬于試樣制備的主要步驟。