光学显微分析（第二版）

　　本书为高等院校材料科学与工程专业“光学显微分析”课程教材。全书共分18章，可分为光学显微分析的基本方法（第1章至第12章）和金相及岩相的典型组织分析（第13章至第18章）两大部分。内容包括：金相显微镜的原理、构造及使用，金相显微试样的制备，显微摄影及暗室技术，宏观分析与火花鉴别，金相定量分析，相衬显微镜以及干涉显微镜的原理及其应用，反光偏振光显微镜以及透光偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用，油浸法测定透光材料的折射率，微分干涉衬度显微技术，各种硬度计的原理、构造及应用，金属的塑性变形与再结晶，二元合金的显微组织，铁碳合金的平衡组织，工业用铸铁的显微组织及碳钢中常见的显微组织缺陷，三元合金的显微组织，陶瓷材料的显微组织。本书除了介绍光学显微分析的基本原理和方法外，每章后附有实验要求及思考题。本书可作为金属学及热处理专业和无机非金属材料专业有关实验课的教材，也可供工厂、研究单位的材料科学工作者参考。光学显微分析是高等院校材料类的一门专业基础课。第1版我们把金属材料和非金属材料的分析方法编在一起，既拓宽了专业面，又减少了授课学时。随着光学显微技术的发展，其教材内容需要做进一步修改和更新。第2版的光学显微分析在第1版的基础上，增加了“微分干涉衬度显微技术”的新内容。微分干涉相衬显微技术是近年发展起来的分析方法，它使显微镜的垂直分辨率达到纳米级，可以观察到一般显微技术所观察不到的显微组织形貌。现代多功能显微镜都带有此项技术，这使显微镜的应用更加广泛，更能发挥显微镜快捷、方便的特点。微分干涉相衬显微技术使用的是偏振光照明，因为在分析观察结果时要用到偏振光的反射和透射原理，这部分内容应该放在偏光显微镜的原理及其应用之后。第1版“扫描电子显微分析”一章是作为光学显微技术的扩展而收入此书。因为考虑到一般高等院校材料科学专业课中都设有《电子显微镜》一门课，其中对扫描电子显微镜有专门介绍。因此第2版不再列入这部分内容，以使光学显微分析的内容更加集中和精练。书中有不当之处，敬请批评指正。编者2003年6月

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第1章金相显微镜的原理、构造及使用1
11显微镜的成像原理1
12显微镜的放大率4
13透镜的像差5
1.3.1球面像差5
1.3.2色像差5
1.3.3像域弯曲6
14显微镜的物镜7
1.4.1数值孔径7
1.4.2分辨率7
1.4.3焦深(垂直分辨率)8
1.4.4工作距离与视场范围9
1.4.5物镜的基本类型10
15显微镜的目镜11
1.5.1惠更斯目镜11
1.5.2拉姆斯登目镜12
1.5.3补偿目镜12
1.5.4广视场目镜12
16金相显微镜的照明系统12
1.6.1光源12
1.6.2临界照明与科勒照明13
1.6.3照明方式与垂直照明器14
1.6.4光栏16
1.6.5滤色片17
17金相显微镜介绍17
1.7.1XJ\|16型金相显微镜17
1.7.2Epignost型金相显微镜19
1.7.3大型卧式显微镜19
1.7.4现代金相显微镜的进展20
1.7.5显微镜使用注意事项21
实验22
思考题22
第2章金相显微试样的制备24
21概述24
22取样24
2.2.1取样部位及检验面的选择25
2.2.2试样的截取方法25
2.2.3试样尺寸25
23镶样25
24磨光26
25抛光29
2.5.1机械抛光29
2.5.2电解抛光30
2.5.3化学抛光31
26金相试样的腐蚀32
2.6.1化学腐蚀32
2.6.2电解腐蚀34
实验46
思考题46
第3章显微摄影及暗室技术48
31显微摄影成像原理及摄影装置48
3.1.1显微摄影成像原理48
3.1.2显微摄影装置49
32显微摄影的步骤51
3.2.1试样制备51
3.2.2感光胶片的选择51
3.2.3胶片的曝光54
3.2.4胶片的冲洗55
33印相和放大58
3.3.1相纸的结构58
3.3.2相纸的分类58
3.3.3印相59
3.3.4放大59
实验59
思考题60
第4章宏观分析与火花鉴别61
41宏观分析61
4.1.1断口分析61
4.1.2磨片分析62
4.1.3贴印法64
42火花鉴别66
4.2.1火花类型66
4.2.2碳钢的火花67
4.2.3几种常见合金的火花69
43钢铁的听音鉴别71
实验71
思考题71
第5章金相定量分析73
51体视学和定量金相学73
52基本符号和基本方程73
5.2.1基本符号73
5.2.2基本方程74
53定量分析的基本方法75
5.3.1比较法75
5.3.2计点法78
5.3.3截线法78
5.3.4截面法78
5.3.5联合测量法79
54定量分析在材料研究中的应用79
5.4.1晶粒尺寸的测定79
5.4.2第二相颗粒的几何尺寸测定83
5.4.3误差分析84
55自动图像分析仪的应用86
实验87
思考题87
第6章相衬显微镜的原理及其应用88
61相衬显微镜的光学原理88
62相衬显微镜90
6.2.1相衬附件91
6.2.2相衬显微镜92
63相衬技术在材料科学研究中的应用94
6.3.1相变浮凸的观察94
6.3.2过共析钢的球化退火组织的观察95
6.3.3铸造合金的枝晶偏析的观察95
6.3.4滑移线的观察96
实验96
思考题97
第7章干涉显微镜的原理及其应用98
71光的干涉原理98
7.1.1尖劈干涉98
7.1.2牛顿环99
72干涉显微镜100
7.2.1双束干涉显微镜(林尼克干涉显微镜)100
7.2.2多光束干涉显微镜101
73干涉显微镜的应用103
7.3.1表面光洁度的测定103
7.3.2相变浮凸的研究103
7.3.3材料塑性变形的研究103
实验104
思考题104
第8章反光偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用105
81偏振光的基础知识105
8.1.1光的反射及反射率105
8.1.2自然光和偏振光105
8.1.3直线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光105
82偏振光的反射原理109
83偏振光装置的调整及使用111
8.3.1起偏振镜位置的调整111
8.3.2检偏振镜位置的调整112
8.3.3载物台中心位置的调整112
8.3.4偏振光照明下的色彩(色偏振)112
84应用举例112
8.4.1材料显微组织的显示112
8.4.2非金属夹杂物的鉴定114
实验128
思考题129
第9章透光偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用130
91光在介质中的传播130
9.1.1光学基础知识130
9.1.2光在介质中的传播132
92透光偏振光显微镜的构造和使用136
9.2.1透光偏光显微镜的构造136
9.2.2偏光显微镜的调节138
93单偏光系统141
9.3.1显微组织形貌的观察141
9.3.2贝克线、糙面和突起143
9.3.3多色性和吸收性148
94正交偏光系统149
9.4.1正交系统下偏光的干涉原理149
9.4.2单色光的干涉150
9.4.3白光(多色光)的干涉151
9.4.4补色法则与补色器153
9.4.5干涉色色谱表及干涉色级序的测定155
9.4.6消光类型及消光角的测定157
9.4.7延性符号的测定158
95锥光系统(聚敛偏光系统)159
9.5.1锥光系统的特点159
9.5.2一轴晶的干涉图160
9.5.3二轴晶的干涉图168
96薄片试样的制备175
实验177
思考题180
第10章油浸法测定透光材料的折射率183
101油浸法的测定原理183
10.1.1直照法184
10.1.2斜照法185
102浸油的配制187
10.2.1浸油的配制187
10.2.2浸油折射率的测定190
103油浸法测定透光材料折射率的方法192
10.3.1油浸薄片的制备192
10.3.2测定方法192
104半圆柱坐标鉴定系统193
实验196
思考题198
第11章微分干涉衬度显微技术199
11.1干涉衬度的概念200
11.2微分干涉衬度显微技术200
11.2.1光路的组成200
11.2.2微分干涉衬度显微技术的光学原理201
11.3微分干涉衬度装置及其使用204
11.3.1渥拉斯顿棱镜204
11.3.2诺曼斯基棱镜205
11.3.3起偏振镜和检偏振镜206
11.3.4灵敏色片207
11.3.5微分干涉衬度装置的调节和使用208
11.4微分干涉衬度技术在材料研究中的应用208
11.4.1无机物的观察208
11.4.2有机物的观察208
实验209
思考题210
 
第12章各种硬度计的原理、构造及应用211
121洛氏硬度测试法211
12.1.1洛氏硬度的测量原理211
12.1.2洛氏硬度计的构造214
122布氏硬度测试法214
12.2.1布氏硬度的测量原理214
12.2.2布氏硬度的测试步骤216
12.2.3布氏硬度的特点217
123维氏硬度测试法218
12.3.1维氏硬度的测量原理218
12.3.2维氏硬度的测试219
124显微硬度测试法220
12.4.1显微硬度的测量原理220
12.4.2显微硬度计的构造及其应用220
12.4.3影响显微硬度值的因素224
12.5摩氏硬度224
12.6使用硬度计应注意的事项225
实验226
思考题226
第13章金属的塑性变形与再结晶237
131塑性变形的基本方式及其特征237
13.1.1滑移237
13.1.2孪生239
132塑性变形后金属组织与性能的变化241
13.2.1显微组织的变化241
13.2.2性能的变化242
133冷变形后金属加热时组织与性能的变化242
13.3.1回复242
13.3.2再结晶243
13.3.3晶粒长大246
实验246
思考题247
第14章二元合金的显微组织249
141匀晶系相图及其合金的显微组织249
142共晶系相图及典型合金的显微组织251
14.2.1共晶合金251
14.2.2亚共晶及过共晶合金252
143包晶系相图及典型合金的显微组织254
实验256
思考题257
第15章铁碳合金的平衡组织259
151工业纯铁在退火状态下的显微组织259
152碳钢在退火状态下的显微组织260
15.2.1共析钢260
15.2.2亚共析钢261
15.2.3过共析钢262
153白口铸铁的显微组织263
15.3.1共晶白口铸铁263
15.3.2亚共晶白口铸铁263
15.3.3过共晶白口铸铁264
实验265
思考题265
第16章工业用铸铁的显微组织及碳钢中常见的显微组织缺陷267
161普通灰口铸铁268
162孕育铸铁269
163球墨铸铁270
164蠕虫状石墨铸铁271
165可锻铸铁273
166碳钢中常见的显微缺陷274
16.6.1带状组织274
16.6.2魏氏组织274
16.6.3表层脱碳275
实验277
思考题277
第17章三元合金的显微组织278
171三元合金相图278
17.1.1成分表示法278
17.1.2等温截面图与变温截面图278
17.1.3等温线投影图279
172Bi\|Pb\|Sn三元合金的液相面投影图及典型合金
的结晶过程280
17.2.1Bi\|Pb\|Sn三元合金的液相面投影图280
17.2.2典型合金的结晶过程282
实验285
思考题285
第18章陶瓷材料的显微组织286
181普通陶瓷原材料286
18.1.1粘土286
18.1.2石英286
18.1.3长石287
182陶瓷材料的显微结构287
18.2.1晶相287
18.2.2玻璃相288
18.2.3气相289
183典型陶瓷材料的显微组织289
18.3.1普通陶瓷290
18.3.2日用陶瓷290
18.3.375氧化铝瓷290
18.3.4透明氧化铝瓷290
18.3.5电熔刚玉291
18.3.6电熔锆刚玉292
18.3.7锰锌铁氧体292
18.3.8钛酸钡瓷293
实验294
思考题295
主要参考文献296
 
 
 
第1章绪论1
1.1人类对固体的研究历史1
1.2自然界中的固体及固体物理学4
本章参考书7
第2章化学键与晶体形成8
2.1离子键和离子晶体11
2.2共价键和共价晶体14
2.3金属键和典型金属15
2.4原子、分子固体16
本章参考书18
附录团簇电荷的偶极相互作用19
习题19
第3章固体结构21
3.1晶体的几何描述21
3.2对称性与晶格结构的分类25
3.2.1由二维晶格的对称性推导二维布喇菲点阵的分类27
3.2.2三维晶格中布喇菲点阵的分类和点群符号29
3.3晶体结构的形成33
3.3.1金属和元素晶体的结构33
3.3.2泡林规则和离子晶体的结构35
3.4倒易点阵与布里渊区39
3.4.1倒易点阵40
3.4.2布里渊区42
3.5晶格结构测定与衍射44
3.5.1X射线衍射、电子衍射与中子衍射46
3.5.2衍射理论50
3.6非晶体和准晶体的结构58
3.7软性凝聚体： 液晶和凝胶的结构64
本章参考书71
习题72
第4章晶格振动和固体热性质74
4.1固体中热现象的研究历史74
4.2晶格动力学76
4.2.1晶格振动与声子76
4.2.2声学支和光学支的色散关系82
4.2.3声子能谱的测定86
4.3固体热性质89
4.3.1固体比热容的爱因斯坦模型91
4.3.2固体比热容的德拜模型93
本章参考书99
习题99
第5章固体电子理论100
5.1传统电子导电理论： 德鲁德模型101
5.2自由电子费密气体： 索末菲模型108
5.3自由电子模型的局限性115
5.4布洛赫能带理论116
5.5能带的计算120
5.5.1紧束缚近似122
5.5.2弱晶格势近似125
5.6能带电子的准经典近似和有效质量127
5.7金属中的费密面130
5.7.1碱金属130
5.7.2贵金属131
5.7.3二价金属131
本章参考书131
习题132
第6章固体的电性质： 输运过程134
6.1能带电子的输运过程、导体134
6.1.1能带电子的非平衡量子统计、固体按电性质分类135
6.1.2导体的直流电导率和热导率138
6.2半导体140
6.2.1半导体的特性140
6.2.2载流子的浓度和迁移率145
6.2.3p\|n结，半导体\|金属结，MOS晶体管和半导体超晶格154
6.3超导体163
6.3.1传统超导体和高温超导体的特性163
6.3.2BCS理论及其局限性169
本章参考书173
习题173
第7章固体的磁性178
7.1原子磁矩的量子力学根源178
7.2抗磁性与顺磁性182
7.2.1抗磁性182
7.2.2顺磁性183
7.2.3传导电子的泡利顺磁性185
7.3铁磁性与反铁磁性185
7.3.1铁磁体和亚铁磁体185
7.3.2反铁磁体190
7.3.3铁磁性和反铁磁性的量子力学解释： 海森堡模型190
7.4中子的磁性衍射和自旋波192
7.4.1顺磁体的中子磁性衍射193
7.4.2铁磁体和反铁磁体的中子磁性衍射193
7.4.3中子的非弹性磁性衍射： 自旋波能谱的测量194
7.4.4自旋波对铁磁体比热容的贡献194
7.5核磁共振和电子自旋共振195
本章参考书196
附录朗道磁矢量势和洛伦兹力197
习题198
第8章固体的介电性质和光学性质199
8.1电极化过程200
8.2介电击穿、压电体和铁电体206
8.3光在固体中的传播210
8.4固体的发光机制214
本章参考书216
习题216
正文索引（按照第一个字的汉语拼音排列）218
附录A物理学常数及单位制换算233
附录B化学元素英文名称与符号一览表及化学元素周期表234