金相顯微鏡與金相試樣制備技術

金相顯微鏡與金相試樣制備技術

現代金相顯微鏡已普遍采用無限遠光學系統設計，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。顯微照相也走進了數字化時代，部分取代了傳統的暗室操作。對金相試樣制備的要求，傳統的觀點強調獲得無磨痕的光亮表面，而現代觀點則強調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目，不僅提高了試樣制備的質量和效率，而且還能降低試樣制備的成本。

眾所周知，熱處理是機械產品生產過程中的重要一環，在熱處理過程中，零件的相組成或顯微組織會發生一定的變化。因此，零件原材料和熱處理后的顯微組織檢驗是質量控制的重要手段。以下簡要介紹金相顯微鏡和金相試樣制備技術和設備的最新進展。

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，直到現在仍然是常規檢驗和研究工作中最常使用的儀器。近年來金相顯微鏡的改進主要有以下幾點：

1.1普遍采用無限遠光學系統

物鏡按照無限遠象距進行設計而不是象常規物鏡那樣按照有限象距進行設計，這種光學系統稱為無限遠色差和象差校正的光學系統或簡稱無限遠光學系統。使用這種光學系統時，當入射光從試樣表面反射再次進入物鏡后，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，即一次放大實象，然后才供目鏡再次放大。無限遠光學系統的優點是顯微鏡中的各種光學附件（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附件的干擾，物象的質量不會受到損害，從而簡化了物鏡設計中色差和象差的校正。此外，在無限遠光學系統中，鏡筒長度系數保持為一，無論物鏡與目鏡之間的距離有多遠，也不需要一個固定的中轉透鏡系統。目前，德國的CarlZeiss公司和Leica公司、日本的Nikon公司和Olympus公司生產的金相顯微鏡均已先后采用無限遠光學系統設計。

1.2同焦面性設計

在新型顯微鏡中，更換物鏡及目鏡后不須重新調焦，一般只需略微調節微調旋鈕，就可以使物象準確聚焦。為此，物鏡和目鏡的光學機械尺寸應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象象面之間的距離）相等：②所有物鏡初次放大實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的再認識

顯微鏡的有效放大倍數（M）與物鏡數值孔徑（NA）的關系可以表示為：550NA＜M＜1100NA，長期以來，顯微鏡使用者一直遵循這一關系式。但是，VanderVoort在其所著《金相學——原理與實踐》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出的，因此不要當做教條來遵循。實際上，分辨率不僅與物鏡的分辨率有關，而且還與物象的反差有關。此外，照明條件、放大倍數、物鏡質量，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，為了獲得最高分辨率，最低有效放大倍數應當是最佳條件下的4倍左右，即M≈2200NA；同時，使用4000×或更高放大倍數的顯微照片也是完全合理的。

1.4平場消色差物鏡

現今新型顯微鏡已經普遍使用平場消色差物鏡，甚至還可以配置更高級的平場復消色差物鏡。老式物鏡初次放大實象的直徑只有18mm～20mm，而平場消色差物鏡則規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，現今顯微鏡一般均備有高倍干物鏡。例如Nikon公司生產的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1.40），但由于簡化了操作并使試樣免于被油污染，現今已獲得更為廣泛的使用。近年來，Olympus公司生產的GX系列顯微鏡甚至還配置有更高倍數（250×）的干物鏡，盡管其NA值只有0.90，但是用它來進行觀察或拍照，已經很容易使其放大倍數遠超過傳統上使用的數值（1100NA），這進一步證實了以上第1.3小節介紹的觀點是正確的。圖2為Olympus公司生產的GX71型金相顯微鏡。

1.6廣視場目鏡

廣視場目鏡的結構特點是場光闌顯著增大，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大了的象場面積。

此外，有的顯微鏡還配置有高眼點目鏡，使眼睛有缺陷（如散光）的人可以戴著眼鏡進行觀察，物象的質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大了許多，這也相應提高了對顯微鏡載物臺加工精度和試樣制備質量的要求。

1.7長工作距離物鏡

有些顯微鏡生產廠商還推出一些工作距離較長的物鏡，這是為了適應生產檢驗或特殊需要（例如高溫臺）而設計的。通常情況下，物鏡的放大倍數越高，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。可以看出，長工作距離物鏡的數值孔徑即分辨率有所下降，不過成像質量仍然不錯。

1.8多功能緊湊設計

在人們的印象中，只有大型臥式顯微鏡才是功能齊全的高級設備。但是，現今生產的顯微鏡（包括高級研究型）基本上都采用緊湊的臺式設計并使用先進的平場消色差物鏡或平場復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行調整。照明方式則有明視場、暗視場、偏振光、微差干涉襯度（DIC）等四種最常用的照明方式，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了數字化時代

顯微鏡的內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膠卷更為經濟和便捷，從而獲得更加廣泛的使用。近年來，數字成象系統也逐漸用于顯微照相，它可以很容易地將數字化的圖象儲存在計算機內，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，還可以將數字化圖象經過圖象處理后，按照國家標準進行定量分析，如晶粒度測定、鍍層或涂層厚度測定、孔隙度測定等。隨著計算機技術的進步和軟件的完善，圖象分析也會越來越方便、迅速、精確。利用圖象處理軟件，還可以將多個相鄰視場的數字化圖象拼接成一整幅視場寬廣的清晰圖象，而且幾乎看不出接縫的痕跡，對于一個高水平的操作系統，這一操作可以在數秒鐘內完成。

但是，隨著數字化圖象應用的迅速普及，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行“修理”、甚至“移花接木”已經不是一件難事，但是這樣做卻完全違背了“金相組織應當能如實反映試樣真實組織”的重要原則，弄不好還可能造成嚴重的事故，這一憂慮應當不是“聳人聽聞”。

2 金相試樣制備技術

對金相試樣制備的要求，傳統的觀點強調獲得無磨痕的光亮表面，而現代觀點則強調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組織。其次，還要注意提高試樣制備效率和降低成本。傳統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備步驟，后三項屬于試樣制備的主要步驟。