Ćwiczenie 7 MIKROSKOPIA OPTYCZNA

Transkrypt

1 Ćwiczenie 7 MIKROSKOIA OTYCZNA 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z bdową i zasadą pracy mikroskopów metalograficznych. 2. WIADOMOŚCI ODSTAWOWE Celem badań metalograficznych jest obserwacja strktry metali i ich stopów oraz wszelkiego rodzaj wad materiałowych, niewidocznych okiem niezbrojonym. Mikroskopy pozwalające na obserwacje powierzchni materiałów nieprzeźroczystych w świetle odbitym nazywamy mikroskopami metalograficznymi. Cechami charakteryzjącymi mikroskop jest zdolność rozdzielcza oraz powiększenie żyteczne. Zdolnością rozdzielczą wg Abbego nazywamy najmniejszą odległość pomiędzy dwoma pnktami w obrazie mikroskopowym, które widzimy jako oddzielne: gdzie: d zdolność rozdzielcza mikroskop [mm], A apertra nmeryczna obiektyw, dłgość fali świetlnej [mm]. owiększenie żyteczne mikroskop d (1) A, odpowiadające najkorzystniejszem doborowi obiektyw i oklar, wyraża się stosnkiem wielkości obraz przedmiot l0, którego szczegóły widoczne są pod najmniejszym kątem widzenia oka (2 4 ), do wielkości rzeczywistej przedmiot d : l d 0 (2) Z rysnk 7.1 wynika, że l tg (2' 4'). o podstawieni do wzor (2) wielkości d i l 0 otrzymamy: gdzie: 250 mm mowna odległość dobrego widzenia tg (2' 4') A (3) Opracowała: Anna Kadłczka.

2 2-4 Lo 250 mm Rys Wielkość obraz z odległości dobrego widzenia. Dla światła białego mm otrzymjemy = ( ) A. W tych granicach jest zawarte całkowite powiększenie żyteczne mikroskop. Całkowite powiększenie mikroskop jest iloczynem powiększenia obiektyw ob i oklar ok : ob ok (4) O ilości szczegółów w obrazie mikroskopowym decydje zdolność rozdzielcza obiektyw. Stosowanie oklar o większym powiększeni lb powiększenie obraz przez oddalenie matówki przy fotografowani daje wprawdzie obraz większy, ale tzw. psty, pozbawiony nowych szczegółów. Aby otrzymać dobrą jakość obraz, msi być spełniony warnek: = ( ) A. róbkę metal przygotowaną do obserwacji za pomocą mikroskop metalograficznego nazywamy zgładem. Metody przygotowywania zgładów metalograficznych są tematem odrębnego ćwiczenia. Badania mikroskopowe rozpoczyna się zazwyczaj od obserwacji zgład w stanie nietrawionym. ozwala to na stwierdzenie występowania: wtrąceń niemetalicznych, nieciągłości materiał w postaci pęknięć, zawalcowań, drobnych pęcherzy, mikroporowatości, korozji międzykrystalicznej, grafit, pierwiastków w stanie wolnym. Natomiast badania próbek w stanie wytrawionym pozwalają na: określenie wielkości i kształt ziaren, jawnienie szczegółów i specyfiki danej strktry, identyfikację poszczególnych faz i składników strktralnych. Na podstawie obserwacji mikroskopowych można zyskać szereg informacji o stopach dotyczących np. ich przeróbki plastycznej, stosowanych zabiegów obróbki cieplnej oraz występowania różnych wad wewnętrznych Mikroskop metalograficzny Mikroskop metalograficzny składa się z następjących zasadniczych części:

3 1) obiektyw, 2) oklar, 3) rządzenia oświetlającego, 4) korps, 5) tbs, 6) mechanizm przesw stolika makro- i mikrometrycznego. Oprócz wymienionych zespołów mikroskop posiada szereg pomocniczych elementów optycznych (pryzmaty, filtry, przysłony, pośrednie kłady soczewek), których zadaniem jest odpowiednie przenoszenie obraz do oka obserwatora lb do rządzenia fotograficznego, przy równoczesnej korekcji błędów obrazów optycznych. onadto w skład wyposażenia mikroskopów metalograficznych wchodzą: analizator i polaryzator do obserwacji w świetle spolaryzowanym, rządzenia do obserwacji przy zastosowani kontrast fazowego, mikrotwardościomierz itp. Na rys. 7.2 pokazano przykładowo widok ogólny mikroskop metalograficznego. Rys Widok ogólny mikroskop metalograficznego Obiektywy Obiektyw składa się z dw lb więcej soczewek wykonanych z różnych gatnków szkła optycznego, stanowiących kład optyczny o określonym stopni korekcji błędów optycznych przedmiot. odstawowymi wartościami optycznymi obiektyw mikroskopowego są: dłgość ogniskowa, powiększenie własne i apertra nmeryczna. Apertra jest miarą zbierania przez obiektyw energii świetlnej i określa się ją wzorem: nsin A (5) 2 gdzie: n współczynnik załamania światła przy przejści od ośrodka otaczającego obiektyw do obiektyw,

4 kąt rozwarcia obiektyw. Jak widać wartość apertry, a tym samym zdolność rozdzielczą obiektyw, można powiększyć, zwiększając n lb kąt. Współczynnik załamania światła dla powietrza n = 1. Wprowadzając między soczewkę obiektyw a obserwowaną powierzchnię zgład olejek imersyjny, można zwiększyć współczynnik n do wartości 1,515. Zwiększenie kąta b może nastąpić w drodze skrócenia ogniskowej obiektyw. raktycznie kąt może osiągnąć wartość 150. Najczęściej stosowane są następjące obiektywy: achromatyczne stosowane do korekcji aberracji sferycznej tylko dla określonego wycinka widma (zielono-żółtego), planachromatyczne głównie do celów fotograficznych, dają ostry obraz na całej powierzchni matówki; posiadają obok korekcji aberracji chromatycznej również korekcję aberracji sferycznej, apochromatyczne jeszcze bardziej skorygowane i z sniętą aberracją chromatyczną dla trzech barw widma (fiolet, zieleni i czerwieni), a korekcją aberracji sferycznej przeprowadzoną dla promieniowania zielonego i fioletowego, monochromatyczne należące do grpy obiektywów żywanych tylko przy jednej barwie światła o określonej dłgości fali. ełną charakterystykę danego obiektyw zawiera oznaczenie mieszczone na jego oprawie, a względniające: typ obiektyw (np. planachromat), krotność powiększenia (np. 10x), apertrę nmeryczną (np. 0,20), informacje dodatkowe (np. T warstwa przeciwodblaskowa, I imersja) Oklary Oklary nie tylko powiększają obraz, który daje obiektyw, ale również korygją wady optyczne obiektywów. Najczęściej stosowane są następjące oklary: ortoskopowe o dżym pol widzenia, dające obrazy nie zniekształcone. Stosje się je łącznie z obiektywami achromatycznymi i apochromatycznymi. owiększenie własne tych oklarów waha się w granicach od 12,5 do 28x; kompensacyjne wyrównjące aberrację sferyczną obiektywów chromatycznych, można ich żywać również do fotografowania. Wykonje się je o powiększeniach własnych od 3 do 30x; homale wyłącznie do fotografowania. Dzięki jemnej ogniskowej swają oba rodzaje aberracji obiektywów. W oznaczeni oklar podany jest typ oklar (np. kompensacyjny) i krotność powiększenia (np. 15x) Sposób oświetlenia Źródłem światła w mikroskopie może być żarówka (dla obserwacji wizalnej) lb lampa ksenonowa, czy też rtęciowa (dla mikrofotografii). Oświetlenie próbek odbywa się przez obiektyw. romie-

5 nie świetlne skierowje się na badany przedmiot albo za pomocą szklanej płytki płasko-równoległej, albo pryzmat. W pierwszym przypadk wiązka wychodząca z oświetlacza pada w tbsie mikroskop na płytkę płasko-równoległą, która odbija część promieni i poprzez obiektyw mikroskop kierje je k powierzchni zgład. ozostała część przechodzi przez płytkę i jest pochłaniana przez ściankę tbsa. romienie odbite od zgład przechodzą powtórnie przez obiektyw oraz płytkę i trafiają do oklar. ryzmat daje jaśniejsze oświetlenie niż płytka, lecz pogarsza nieco jakość obraz (mniejsza zdolność rozdzielcza); stosowany jest on na ogół przy powiększeniach mniejszych niż 500 x. Wymienione wyżej sposoby oświetlenia próbek pozwalają na obserwacje w tzw. jasnym pol widzenia. Jeżeli chcemy jawnić szczegóły strktry niewidoczne w pol jasnym, przeprowadzamy obserwację w ciemnym pol za pomocą oświetlenia skierowanego skośnie do powierzchni zgład. Na rys. 7.3 przedstawiono schemat bieg promieni przy obserwacji w jasnym i ciemnym pol widzenia. a) b) c) Rys Rodzaje oświetleń mikroskop: a) z zastosowaniem pryzmat, b) z zastosowaniem płytki szklanej, c) przy ciemnym pol widzenia; 1 próbka, 2 obiektyw, 3 promień świetlny, 4 płytka szklana, 5 pryzmat. W skład system oświetleniowego wchodzi wówczas nachylone płaskie lstro pierścieniowe oraz zwierciadło paraboliczne, które otacza obiektyw i odbija promienie, skierowjąc je kośnie na próbkę. rzy takim oświetleni gładka powierzchnia zgład jest widoczna jako ciemna, natomiast wszystkie miejsca wklęsłe i wypkłe widoczne są jako jasne linie lb pnkty. W niektórych przypadkach, np. przy badaniach wtrąceń niemetalicznych, potrzebne jest światło spolaryzowane. Na rys. 7.4 przedstawiono bieg promieni świetlnych przy życi światła spolaryzowanego. W korpsie oświetlacza mieszcza się wówczas polaryzator, a w tbsie mikroskop, przed oklarem, analizator. Zastosowanie światła spolaryzowanego pozwala jawnić anizotropię optyczną składników strktralnych, która przejawia się w zmianie ich zabarwienia względnie zaciemniani przy obracani stolika mikroskop. Dla obserwacji w świetle spolaryzowanym pożądane jest żywanie specjalnych obiektywów, które nie powodją depolaryzacji wiązki światła.

6 oklar płaszczyzna ogniskowa przedmiotowa oklar analizator płytka półprzepszczalna eliptyczna wiązka spolaryzowanych promieni odbitych źródło światła polaryzator kondensor płaszczyzna polaryzacji wiązki padającej obiektyw próbka Rys Bieg promieni przy badaniach w świetle spolaryzowanym. Mikroskopy wyposażone są zwykle w rządzenie do kontrast fazowego, co pozwala w niektórych przypadkach obserwować szczegóły, które nie są widoczne, ponieważ wytrawiona powierzchnia próbki nie daje odpowiedniego zróżnicowania świetlnego do ich wykrycia. 3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA Mikroskopy metalograficzne różnych typów, rządzenia dodatkowe zwiększające możliwości badawcze mikroskopów, zestaw zgładów metalograficznych, atlas strktr metalograficznych, pomoce planszowe. 4. RZEBIEG ĆWICZENIA W ramach ćwiczenia należy: 1) zapoznać się z bdową i wyposażeniem mikroskop metalograficznego, 2) przeprowadzić obserwację wtrąceń niemetalicznych w jasnym i ciemnym pol widzenia oraz świetle spolaryzowanym celem ich identyfikacji, 3) przeprowadzić obserwację strktr: stali, metali nieżelaznych oraz spieków w stanie wytrawionym, 4) określić zgodnie z normami wielkość ziarna obserwowaną na różnych próbkach oraz przeprowadzić ocenę pasmowości stali zgodnie z N.

7 5. WYTYCZNE DO ORACOWANIA SRAWOZDANIA Sprawozdanie winno zawierać: 1) bieg promieni przy obserwacji w jasnym i ciemnym pol widzenia oraz świetle spolaryzowanym, 2) przykłady stosowanych obiektywów i oklarów, 3) rysnki obserwowanych wtrąceń niemetalicznych i mikrostrktr, 4) ocenę wielkości ziarna oraz pasmowości stali. 6. LITERATURA UZUEŁNIAJĄCA [1] raca zbiorowa, Ćwiczenia z metaloznawstwa, cz. I, skrypt AGH, Kraków [2] Rdnik S., Metaloznawstwo, WN, Kraków [3] Stab F., Olewicz E., Mikroskop metalograficzny, WN, Warszawa [4] r. zb., Zajęcia laboratoryjne z metaloznawstwa, skrypt olit. Krak., Kraków 1998.