《元相图及其类型》PPT课件.ppt

第二节二元相图及其类型 一 相图基本知识 相图 在一定条件下 处于热力学平衡状态下 描述系统的状态 温度 压力及成分之间关系的一种图解 有温度 浓度图 T x 温度 压力 浓度图 T p x 温度 压力图 T p 又名 平衡图 组成图 状态图理解重点 热力学平衡状态 平衡相 组成相 相的多少 种类 相的组成 相的含量等关系意义 了解相图的分析和使用方法后 就可以了解合金的组织状态 进而预测合金的性能 另外 可以根据相图来制订合金的锻造和热处理工艺 组元 Component 组元 组成材料最基本的 独立的物质 决定各平衡相的成分 可以独立变化的组分 元素与化合物 描述体系中各相组成所需最少的 能独立存在的物质 讨论问题方便 组元 分 数 体系中组元的个数 简称组元 记为C 无化学反应体系 组元数 物种数 N 有化学反应 R 体系 组元数 物种数如H2 g O2 g H2O g 常温 常压下 C 3 2000 常压下 2H2 g O2 g 2H2O g 基本概念 相 是一个物系中 结构相同 成分和性能均一 并以界面相互分开的组成部分 系统中存在的相可以是稳定的 亚稳的或不稳定的 系统在某一热力学条件下 只有当能量具有最小值的相才是最稳定的 系统的热力学条件改变时 自由能会发生变化 相的结构也相应发生变化 注意点 平衡体系中 气相只有一个 液相和固相有多个 相的种类 大小 形态和分布构成显微组织 相与相之间存在有明显的界面 界面两端 物质性质有飞跃性的改变 一个体系中可以存在一个或多个相相变 相与相之间的转变称为相变 显微组织 相数 体系中所含相的数目 记为P 自然界中物质有三种存在形态 s l g 气态 一般能无限混合 单相液态 完全互溶 单相不完全互溶 多相固态 一般不能互溶 多相 同素异构体固溶体 单相 相律与相平衡 吉布斯相律 处于热力学平衡状态的系统中 自由度与组元和相数之间的关系 相平衡 相平衡 多相体系中 所有相的强度性质 温度 压强 每相的化学势等 均相等 体系的性质不会自发地随时间变化的状态热力学第二定律 孤立体系的自发过程总是朝熵增方向进行 因此 在封闭体系 恒温恒压过程总是朝吉布斯自由能降低方向进行 平衡状态自由能最低 如果一个多相体系 即P 1 宏观上没有任何物质从一相转移到另一相的现象 就称为相平衡体系 自由度 Degreeoffreedom f 在一定范围内任意改变而不引起任何相的产生与消失的最大变量数 独立变量数独立 在一定条件范围内 可以任意变化 强度性质 i i i i 外界条件 成分 温度和压强等 自由度 数 只能是正整数 相律 F与P C之间的关系 注意 相律推导已用过力平衡 热平衡和化学势平衡条件 相律是热力学推论 有普适性和局限性 适于所有的相平衡体系 定性 相律 F与P C之间的关系 封闭体系 独立组分数C 相数P 外界影响因素n 一共有P C 1 个独立变量 另外有温度 压强两个外界条件 系统总变量数 P C 1 2等温或等压时 F C P 1等温且等压时 F C P恒压 1元系 C 1 P 22元系 C 2 P 33元系 C 3 P 4 注意 相律只适合热力学平衡状态 温度 压力一定时的各相的化学位相同 相律只能表示体系中的组元和相数 不能表示类型和含量 相律不能预告反应的动力学 自由度不能小于0 例题 在标准压力下 能与碳酸钠溶液和冰共存的盐最多有几种 在30 时 能与水蒸气共存的盐最多有几种 碳酸钠和水在不同条件下可以形成以下不同形式的水合物 相图的基本知识 合金相图是应用图解的方法 表示合金的成分 平衡相状态及外界条件 温度 压力等 之间关系的图线 它是研究合金中的相变规律的基础 单元系相图 相图 温度 压力 相 单元系相律 组元为1的体系为单元系相图 单元系相图无成分变法 只有压力和温度的变化 根据相律有 F 1 2 P 3 PF为自由度 P为相数 水的相图 纯铁的相图 SiO2的相图 陶瓷的多晶型转变与温度与压力有关 会引起体积的突变 产生应力 从而在加热与冷却过程中开裂 硅酸盐多晶型转变示意图 单相平衡点的集合构成任意形状区域两相平衡点的集合构成曲线三相平衡点的集合为点 温度 压力曲线的定量关系 克拉帕农 克劳休斯方程 单元系P T相图上的规律 相律在相图中的应用 组元数 C 相数 P f C P 1 二元系 2 三元系 3 单相合金 成分和温度都可变 两相平衡 成分 相对量和温度等因素中只有一个独立变量 三相平衡 三相的成分 相对量及温度都确定 单相合金其中两个组元的含量及温度三个因素均可变 两相平衡 两相的成分 数量及温度中有两个独立变量 三相平衡 所有变量中只有一个是独立变量 四相平衡所有因素都确定不变 1 2 3 1 2 3 4 2 1 0 3 2 1 0 含义 2 二元相图的成分表示方法和相图建立 成分表示方法 质量百分数 wt 和原子百分数 at 相图的表示和测定方法 二元相图仅考虑体系在成分和温度两个变量下的热力学平衡状态横坐标表示成分 纵坐标表示温度 热分析法建立相图 实验和计算确定相图二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的 测定材料临界点有动态法和静态法两种方法如前者有热分析 膨胀法 电阻法等 后者有金相法 X射线结构分析等 相图的建立 二元相图 binaryphasediagram 相律 二元相图根据相律 F C P 1 3 P1 单相平衡点的集合构成两根任意形状的区域 2 两相平衡点的集合构成两根曲线 相律 一根曲线上的每一点 可由一平行的直线 结线 和另一根曲线的共轭点相连 结线通过的区域为两相区 结线端点所代表的成分就是两相平衡共存相的成分 3 三相平衡点 温度相等 成分固定的三点水平线为三相区 三相区的成分和温度都是固定不变的 三点与三个单相区相连三点两两相连的结线为三个两相区 杠杆定律 温度 总结 二元相图 根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类 各相的相对量 成分及温度变化时可能发生的变化 仅在热力学平衡条件下成立 不能确定结构 分布状态和具体形貌 二元相图中的几何规律 相邻相区的相数差1 点接触除外 相区接触法则 三相区的形状是一条水平线 其上三点是平衡相的成分点 若两个三相区中有2个相同的相 则两水平线之间必是由这两相组成的两相区 单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区 二元相图的分类 匀晶相图共晶相图包晶相图具有中间化合物的相图偏晶相图等 二 二元系相图 1 匀晶相图 从液相中直接析出 两组元在固液态完全互溶 tA A B X 1 2 tB L 0 L 1 2 冷却曲线 t B 形成 液态完全互溶 固态完全互溶 即形成匀晶相图 冷凝过程 液相线 合金凝固的开始转变线L 时液相的平衡成分线 固相线 合金凝固终了线L 时固相的平衡成分线 组成 图5 15 具有最低点和最高点的匀晶相图及溶解度间隙 二元匀晶相图 2固溶体合金的平衡结晶 1 平衡结晶 每个时刻都能达到平衡的结晶过程 2 平衡结晶过程分析 冷却曲线 温度 时间曲线 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 二元匀晶相图 2固溶体合金的平衡结晶 相 组织 与相变 各温区相的类型 相变反应式 杠杆定律应用 组织示意图 成分均匀化 每时刻结晶出的固溶体的成分不同 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 二元匀晶相图 2固溶体合金的平衡结晶 3 与纯金属结晶的比较 相同点 基本过程 形核 长大 热力学条件 T 0 能量条件 能量起伏 结构条件 结构起伏 不同点 合金在一个温度范围内结晶 可能性 相律分析 必要性 成分均匀化 合金结晶是选分结晶 需成分起伏 二元匀晶相图 3固溶体的不平衡结晶 1 原因 冷速快 假设液相成分均匀 固相成分不均匀 2 结晶过程特点 固相成分按平均成分线变化 但每一时刻符合相图 结晶的温度范围增大 组织多为树枝状 二元匀晶相图 2固溶体合金的平衡结晶 3 与纯金属结晶的比较 相同点 基本过程 形核 长大 热力学条件 T 0 能量条件 能量起伏 结构条件 结构起伏 不同点 合金在一个温度范围内结晶 可能性 相律分析 必要性 成分均匀化 合金结晶是选分结晶 需成分起伏 二元匀晶相图 3固溶体的不平衡结晶 3 成分偏析 晶内偏析 一个晶粒内部化学成分不均匀现象 枝晶偏析 树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象 消除 扩散退火 在低于固相线温度长时间保温 具有匀晶相图的陶瓷系统 与纯金属组元不同 两组元均为化合物 如相图 二元匀晶相图的组织演变 重点 在平衡状态下 杠杆定律计算两相组织的相对含量及其成分 能够画出冷却曲线 练习 固溶体合金的相图如图所示 试根据相图确定 a 成分为40 B的合金首先凝固出来的固体成分 b 若首先凝固出来的固体成分含60 B 合金的成分为多少 c 成分为70 B的合金最后凝固的液体成分 d 合金成分为50 B 凝固到某温度时液相含有40 B 固体含有80 B 此时液体和固体各占多少分数 2 共晶相图 形成 液相完全互溶 固相有限互溶 有共晶反应的相图 二元共晶相图 共晶转变 由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变 EutecticReaction L Xe X X 共晶相图 具有共晶转变特征的相图 液态无限互溶 固态有限互溶或完全不溶 且发生共晶反应 共晶组织 共晶转变产物 是两相混合物 1 相图分析 液相线 e be固相线 m bnmf为Sn在Pb中的固溶度曲线ng为Pb在Sn中的固溶度曲线三个单相区 L 三个两相区 L L 三个两相区的接触线men为共晶反应线 此线表示三相共存区 2 共晶转变 在三相共存水平线men上 两条液相线汇交于e点 e点以上是液相区 e点下方是 两相共存区 这说明 相当于e点成分的液相 当冷至三相共存线men时会同时结晶出成分为m的 相与成分为n的 相 te为共晶温度 三个单相区 三个两相区 共晶反应 3 共晶合金的平衡结晶及组织 1 Wsn 2 的合金凝固过程 冷却曲线 相变 组织示意图 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 2 2 Wsn 19 的合金 凝固过程 冷却曲线 相变 组织示意图 二次相 次生相 的生成 脱溶转变 二次析出或二次再结晶 室温组织 及其相对量计算 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 10 Sn平衡结晶过程 温度下降 相的固溶度逐渐减少 析出 II相 因为在固态下发生 扩散能力有限 因此 II相细小 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 二元共晶相图及合金凝固 2合金的平衡结晶及其组织 以Pb Sn相图为例 3 共晶合金 凝固过程 冷却曲线 相变 组织示意图 共晶线上两相的相对量计算 室温组织 及其相对量计算 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 共晶合金 共晶反应 二元共晶相图及合金凝固 2合金的平衡结晶及其组织 以Pb Sn相图为例 3 共晶合金 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 二元共晶相图及合金凝固 2合金的平衡结晶及其组织 以Pb Sn相图为例 4 亚共晶合金 凝固过程 冷却曲线 相变 组织示意图 共晶线上两相的相对量计算 室温组织 及其相对量计算 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 各相含量的计算 亚共晶合金的结晶过程 二元共晶相图及合金凝固 2合金的平衡结晶及其组织 以Pb Sn相图为例 4 亚共晶合金 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 4 过共晶合金 4 不平衡结晶及组织 伪共晶 在不平衡结晶的条件下 不在共晶点处的合金 也能全部转变成共晶组织 伪共晶区对分析合金的不平衡组织有帮助 不平衡共晶 m点以左 n点以右合金不平衡凝固时出现的共晶组织 离异共晶 当初相较多 当发生共晶反应时 与当初相相同的一相优先形核 将另一相推到最后处形成 失去了共晶形貌 即组织为离异组织 对合金的性能有不良影响 重点 共晶组织 亚共晶组织 亚共析组织 过共晶组织 伪共晶二元共晶反应式任何成分的平衡冷却曲线杠杆定律的应用与计算 练习 X1 X2 X3的冷却曲线 练习 Mg Ni系的一个共晶反应为507 L 23 5Wt Ni 纯镁 Mg2Ni 54 6Wt Ni 设C1为亚共晶合金 C2为过共晶合金 这两种合金中的先共晶相的重量分数相等 但C1合金中的 总量为C2合金中的 总量的2 5倍 试计算C1和C2的成分 C1 12 7wt NiC2 37 8wt Ni 3 二元包晶相图及合金凝固 包晶转变 由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变 PeritecticReaction 包晶相图 具有包晶转变特征的相图 1相图分析点 线 区 二元包晶相图及合金凝固 2平衡结晶过程及其组织 1 包晶合金的结晶结晶过程 包晶线以下 L 对 过饱和 界面生成 三相间存在浓度梯度 扩散 长大 全部转变为 室温组织 或 包晶反应处的L相和 相的相对量 二元包晶相图及合金凝固 2平衡结晶过程及其组织 1 包晶合金的结晶结晶过程 包晶线以下 L 对 过饱和 界面生成 三相间存在浓度梯度 扩散 长大 全部转变为 室温组织 或 二元包晶相图及合金凝固 2平衡结晶过程及其组织 2 成分在d p之间合金的结晶 图5 34b 结晶过程 剩余 量的计算 室温组织 3 p b成分范围的结晶过程 二元包晶相图及合金凝固 2平衡结晶过程及其组织 二元包晶相图及合金凝固 3不平衡结晶及其组织异常 相导致包晶偏析 包晶转变要经 扩散 包晶偏析 因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象 异常 相由不平衡包晶转变引起 成分在靠近固相 包晶线以外端点附近 SmithWF FoundationsofMaterialsScienceandEngineering McGRAW HILL 3 E 二元包晶相图及合金凝固 4包晶转变的应用 1 组织设计 如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织 2 晶粒细化 如在铝合金中添加少量的钛 TiAl3 其他类型的二元系相图 1 熔晶反应 一个固相在某一恒温下分解成一个固相与一个液相的反应 2 合晶反应 由两个不同成分的液相在某一恒温下生成一个一定成分的固相的反 应 3 偏晶反应 在某一恒温下 由一定成分的液相分解出另一成分的液相 并同时结晶出一定成分的固相的反应 4 共析反应 在某一恒温下 一定成分的固相同时分解成两个成分与结构不同的固相反应 5 包析反应 两个不同成分的固相 在某一恒温下相互作用生成另一固相的反应 两组元形成中间相的相图 把中间相作为组元来分析 二元相图的几何规律 1 两个单相区只能交于一点 而不能交成线段 2 两个单相区之间 必定是一个由这两个单相构成的两相区 3 三相共存 必定是一条水平线 该水平线必须与由这3个相组合而成的3个两相区相邻 4 如果两个恒温转变中有两个是相同的相 那么在这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区 二元系统相图的分析 分析方法 1 先看相固中是否存在稳定的化合物 如果有稳定化合物 则可将稳定化合物作为一个独立的组元把相图分为几个部分来分析研究 2 根据相区的接触法则 弄清各个相区 3 找出三相共存水平线及与其接触的3个单相区 由3个单相区与水平线的相互位置确定三相平衡转变的性质和反应式 4 分析典型合金随温度改变而发生的转变和变化规律 在单相区内 该相的成分与原合金相同 在两相区内 不同温度下两相的成分均沿其相界线变化 两相的相对含量可由杠杆定律求得 三相平衡时 3个相的成分是固定的 反应前或反应后各组成相的相对含量也可以由杠杆定律进行计算 分析 具有中间化合物的相图 中间化合物 相 相 相液相直接同成分转变而来 相包晶反应而来 L 两个共晶反应 同学回答 四 相图与性能的关系 1 根据相图判断材料的力学性能和物理性能图5 42所示 1 对于匀晶系 固溶体的强度和硬度均随溶质组元含量的增加而提高 2 固溶体的塑性 电导率随溶质含量的增加而降低 3 电阻随溶质量的增加而增加 对于共晶系和包晶系 1 当两相混合物中两相的大小及分布都较均匀时 材料的性能是两组成相的平均值 即呈线性关系 2 当共晶组织十分细密 且在不平衡结晶出现伪共晶时 其强度和硬度在共晶成分俯近偏离直线关系而出现峰值 图5 42中虚线所示 2 根据相图判断合金的工艺性能 合金的铸造性能主要表现为合金液体的流动性 缩空 热裂倾向及成分偏析等 1 温度间隔和成分间隔越大的合金其流动性越差 分散缩空也越多 凝固后的枝晶偏析也越严重 2 共晶成分合金流动性好 分散缩空少 图5 43 3 单相固溶体塑性好 变形均匀 附加二元相图的应用 铁碳合金相图 实验 一 铁碳合金的组元及基本相1 纯铁 pureiron 1 铁的同素异构转变 A3 A4 727 Fe由顺磁性转变为铁磁性 A2 2 铁素体和奥氏体铁素体 ferrite bcc奥氏体 austenite 翡翠城 3 纯铁的性能与应用强度低 硬度低 韧性 塑性好2 渗碳体 cementite 熔点高 硬而脆 塑性 韧性几乎为零3 石墨 graphite 二 Fe Fe3C相图分析 点 16个 线 两条磁性转变线 三条等温转变线 其余三条线 GS ES PQ 区 5个单相区 7个两相区 3个三相区 相图标注 相组成物标注的相图 组织组成物标注的相图 点 1 J为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495 时 点成分的L与H点成分的 发生包晶反应 生成J点成分的A 2 C点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148 时 C点成分的L发生共晶反应 生成E点成分的A和Fe3C 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物 称莱氏体 以符号Ld表示 在显微镜下莱氏体的形态是 块状或粒状A 室温时转变成珠光体 分布在渗碳体基体上 3 S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727 时 S点成分的A发生共析反应 生成P点成分的F和Fe3C 共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物 称珠光体 以符号P表示 在显微镜下珠光体的形态呈片状 在放大倍数很高时 可清楚看到相间分布的渗碳体片 窄条 与铁素体 宽条 珠光体的强度很高 塑性 韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间 其力学性能如下 抗拉强度 b 770伸长率 20 30 冲击韧度 k 3 105 4 105J m2硬度 HB 180 3 两条磁性转变线 MO 铁素体的磁性转变线过230 的虚线 渗碳体的磁性转变线 液相线ABCD 固相线AHJECF 4 三条水平线HJB 包晶转变线ECF 共晶转变线PSK 共析转变线 线 1 包晶转变线HJB 1495 LB H AJ即L0 53 0 09 A0 17 2 共晶转变线ECFL4 3 A2 11 Fe3C 共晶渗碳体 Le4 3高温莱氏体 AS FP Fe3C 共析渗碳体 A0 77 F0 0218 Fe3C P 珠光体 珠光体的强度较高 塑性 韧性和硬度介于Fe3C和F之间 3 共析转变线PSK A1线 1 五个基本相区 ABCD以上 液相区AHNA NJESGN A GPQG F DFKL Fe3C或Cm 2 七个两相区 ABJHA L JBCEJ L DCFD L Fe3CHJNH GSPG ECFKSE Fe3CQPSKL以下 Fe3C 区 三 铁碳合金及平衡结晶 1 铁碳合金 2 铁碳合金的平衡结晶 1 工业纯铁 C 0 0218 L L A A A F F F Fe3CIII相组成物 Fe3CC 6 69 FC 0 0008 相相对量 F Fe3C 组织组成物 F 等轴晶 和Fe3CIII 小片状 2 3 4 5 1 2 共析钢C 0 77 L L A A P相组成物 F和Fe3CF Fe3C 组织组成物 P 层片状 100 1 2 3 3 片间距S0 S0 F Fe3C 500 800 3 亚共析钢0 0218 C 0 77 L L A A A F A P F P F相组成物 F Fe3C相相对量 F Fe3C 组织组成物 F PP F 亚共析钢0 0218 C 0 77 45钢金相 F P 4 过共析钢 0 77 C 2 11 L L A A A Fe3CII P Fe3CII相组成物 F Fe3CF Fe3C 组织组成物 P Fe3CII组织相对量 Fe3CII P 1 1 3 4 4 2 过共析钢 T12钢金相 Fe3CII P 5 共晶白口铸铁 C 4 3 L L Le Le A Fe3C共晶 Le A Fe3C共晶 Fe3CII Le P Fe3C共晶 Fe3CII 相组成物 F Fe3CF Fe3C 组织组成物 Le 共晶白口铸铁 C 4 3 共晶白口铁金相 6 亚共晶白口铸铁 2 11 C 4 3 相组成物 F Fe3C相相对量 F Fe3C 组织组成物 P Le Fe3CII 亚共晶白口铸铁金相 亚共晶白口铸铁 2 11 C 4 3 7 过共晶白口铸铁 C 4 3 过共晶白口铁结晶过程示意图 过共晶白口铸铁金相 过共晶白口铸铁 相组成物 F Fe3C 组织组成物 Le Fe3CFe3C Le Lc 四 碳对铁碳合金的组织与性能的影响 1 碳对铁碳合金平衡组织的影响 组织 Fe3C Ld Fe3C 相 减少 Fe3C增多 Fe3C形态 Fe3C 薄网状 点状 共析Fe3C 层片状 Fe3C 网状 共晶Fe3C 基体 Fe3C 粗大片状 铁碳合金碳含量增加 组织按下列顺序变化 F F P P P Fe3C P Fe3C Ld Ld Ld Fe3C Fe3C 2 碳对力学性能的影响 强度 硬度升高 塑韧性下降 3 碳对工艺性能的影响 1 切削加工性 2 可锻性 C 2 11 适合锻造 可得到单相组织 C 0 25 适合冷塑变 变形阻力小 3 铸造性 C 4 3 适合铸造 流动性好 4 适合热处理 0 0218 C 2 11 有固态相变 实验金相显微镜的构造和使用 一 实验目的二 实验仪器三 实验原理四 操作步骤五 注意事项 1 熟悉金相显微镜的光学原理和构造 2 初步掌握金相显微的使用方法 一 实验目的 金相显微镜是进行金属显微分析的主要工具 将专门制备的金属试样放在金相显微镜下进行放大和观察 可以研究金属组织与其成分和性能之间的关系 确定各种金属经不同加工及热处理后的显微组织 鉴别金属材料质量的优劣 如各种非金属夹杂物在组织中的数量及分布情况 以及金属晶粒度大小等 因此 利用金相显微镜来观察金属的内部组织与缺陷是金属材料研究中的一种基本实验技术 简单地讲 金相显微镜是利用光线的反射将不透明物件放大后进行观察的 下面分别介绍金相显微镜的基本原理 构造和使用方法 二 实验仪器 单目与双目光学金相显微镜 3 1金相显微镜的光学放大原理 金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的 其基本原理如图2 1所示 光学系统主要包括物镜 目镜及一些辅助光学零件 对着被观察物体AB的一组透镜叫物镜O1 对着眼睛的一组透镜叫目镜O2 现代显微镜的物镜和目镜都是由复杂的透镜系统所组成 图2 1金相显微镜的光学放大原理示意图 光学显微镜的放大倍数可达到1600 2000倍 当被观察物体AB置于物镜前焦点略远处时 物体的反射光线穿过物镜经折射后 得到一个放大的倒立实像A1B1 称为中间象 若A1B1处于目镜焦距之内 则通过目镜观察到的物象是经目镜再次放大了的虚象A1 B1 由于正常人眼观察物体时最适宜的距离是250mm 称为明视距离 因此在显微镜设计上 应让虚象A1 B1 正好落在距人眼250mm处 以使观察到的物体影像最清晰 3金相显微镜的基本原理 3 2金相显微镜的主要性能指标 3 2 1放大倍数显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M物和目镜放大倍数子M目的乘积 即 式中 f物 物镜的焦距 f目 目镜的焦距 L 显微镜的光学镜筒长度 D 明视距离 250mm f物和f目越短或L越长 则显微镜的放大倍数越高 有的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数 因为它的镜筒长度比一般显微镜短些 显微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证 物镜的最高放大倍数可达100倍 目镜的放大倍数可达25倍 在物镜和目镜的镜筒上 均标注有放大倍数 放大倍数常用符号 表示 如100 200 等 金相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 d值越小 鉴别率越高 根据光学衍射原理 试样上的某一点通过物镜成象后 我们看到并不是一个真正的点象 而是具有一定尺寸的白色圆斑 四周围绕着许多衍射环 当试样上两个相邻点的距离极近时 成象后由于部分重迭而不能分清为两个点 只有当试样上两点距离达到某一d值时 才能将两点分辨清楚 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 A 而与目镜无关 其d值可由下式计算 3 2 2鉴别率 在一般显微镜中 光源的波长可通过加滤色片来改变 例如 蓝光的波长 比黄绿光 短 所以鉴别率较黄绿光高25 当光源的波长一定时 可通过改变物镜的数值孔径A来调节显微镜的鉴别率 式中 n 物镜与试样之间介质的折射率 物镜孔径角的一半 即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成夹角 n越大或越大 则A越大 物镜的鉴别率就越高 由于总是小于90度的 所以在空气介质 n 1 中使用时 A一定小于1 这类物镜称干系物镜 若在物镜与试样之间充满松柏油介质 n 1 52 则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 每个物镜都有一个额定A值 与放大倍数一起标刻在物镜头上 3 2 3物镜的数值孔径 图2 2物镜孔径角 物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力 如图2 2所示 数值孔径大的物镜聚光能力强 能吸收更多的光线 使物象更清晰 数值孔径A可由下式计算 所以 显微镜的放大倍数M与物镜的数值孔径之间存在一定关系 其范围称有效放大倍数范围 在选用物镜时 必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500倍至1000倍之间 若 则未能充分发挥物镜的鉴别率 若 则由于物镜鉴别率不足而形成 虚伪放大 细微部分仍分辨不清 3 2 4放大倍数 数值孔径 鉴别率之间的关系 单片透镜在成象过程中 由于几何条件的限制及其它因素的影响 常使影象变得模糊不清或发生变形现象 这种缺陷称为象差 由于物镜起主要放大作用 所以显微镜成象的质量主要取决于物镜 应首先对物镜象差进行校正 普通透镜成象的主要缺陷有球面象差和色象差两种 3 2 5透镜成象的质量 1 球面象差如图2 3所示 当来自A点的单色光 即某一特定波长的光线 通过透镜后 由于透镜表面呈球面形 折射光线不能交于一点 从而使放大后的影象变得模糊不清 为降低球面象差 常采用由多片透镜组成的透镜组 即将凸透镜和凹透镜组合在一起 称为复合透镜 由于这两种透镜的球面象差性质相反 因此可以相互抵消 除此之外 在使用显微镜时 也可采取调节孔径光栏的方法 适当控制入射光束粗细 让极细的一束光通过透镜中心部位 这样可将球面象差降至最低限度 图2 3球面象差示意图 2 色象差如图2 4所示 当来自A点的白色光通过透镜后 由于组成白色光的七种单色光的波长不同 其折射率也不同 使折射光线不能交于一点 紫光折射最强 红光折射最弱 结果使成象模糊不清 为消除色象差 一方面可用消色差物镜和复消色差物镜进行校正 消色差物镜常与普通目镜配合 用于低倍和中倍观察 复消色差物镜与补偿目镜配合 用于高倍观察 另一方面可通过加滤色片得到单色光 常用的滤色片有蓝色 绿色和黄色等 图2 4色象差示意图 3 3金相显微镜的构造 金相显微镜的种类和型式很多 但最常见的型式有台式 立式和卧式三大类 其构造通常均由光学系统 照明系统和机械系统三大部分组成 有的显微镜还附带照像装置和暗场照明系统等 现以国产XJB 1型金相显微镜为例进行说明 其主要结构如图2 5 2 6所示 金相显微镜是一种精密光学仪器 在使用时要求细心和谨慎 严格按照使用规程进行操作 将显微镜的光源插头接在低压 6V 8V 变压器上 接通电源 根据放大倍数 选用所需的物镜和目镜 分别安装在物镜座上和目镜筒内 旋动物镜转换器 使物镜进入光路并定位 可感觉到定位器定位 将试样放在样品台上中心 使观察面朝下并用弹簧片压住 转动粗调手轮先使镜筒上升 同时用眼观察 使物镜尽可能接近试样表面 但不得与之相碰 然后反向转动粗调手轮 使镜筒渐渐下降以调节焦距 当视场亮度增强时 再改用微调手轮调节 直到物象最清晰为止 适当调节孔径光栏和视场光栏 以获得最佳质量的物象 如果使用油浸系物镜 可在物镜的前透镜上滴一些松柏油 也可以将松柏油直接滴在试样上 油镜头用后 应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净 再用擦镜纸擦干 4 金相显微镜的操作步骤 五 注意事项 操作应细心 不能有粗暴和剧烈动作 严禁自行拆卸显微镜部件 显微镜的镜头和试样表面不能用手直接触摸 若镜头中落入灰尘 可用镜头纸或软毛刷轻轻擦试 显微镜的照明灯泡必须接在6 8V变压器上 切勿直接插入220V电源 以免烧毁灯泡 旋转粗调和微调手轮时 动作要慢 碰到故障应立即报告 不能强行用力转动 以免损坏机件