Принцип действия светового микроскопа

Любой микроскоп предназначен для расширения пределов естественного восприятия глазом мелких объектов. Биологические свойства глаза таковы, что на расстоянии ясного зрения, равном 250 мм, он может видеть раздельными 2 точки, отстоящие друг от друга на 0,2 мм. При меньшем расстоянии они будут видны слитыми в одну. Действие микроскопа сводится к увеличению угла зрения, которое воспринимается глазом как увеличение видимых размеров предмета.

Микроскоп (рис. 2.1) представляет собой комбинацию двух увеличивающих оптических систем - объектива 1 и окуляра 2, отстоящих друг от друга на расстоянии оптической длины тубуса Т.

Рис.2. 1. Оптическая схема простейшего микроскопа

Объект Пр помещают перед объективом 1, который дает увеличенное действительное и перевернутое изображение объекта Пр', расположенное перед окуляром 2. Окуляр создает увеличенное мнимое и прямое изображение Пр'', расположенное от сетчатки глаза наблюдателя на расстоянии ясного зрения Д (примерно 250мм). Таким образом, предмет в микроскопе увеличивается дважды. Поэтому общее увеличение микроскопа равно произведе­нию увеличений объектива и окуляра:

где Т - оптическая длина тубуса.

Техническая характеристика любого микроскопа включает в себя:

кратность увеличения;

разрешающую способность;

совершенство изображения.

Кратность увеличения микроскопа определяют комбинацией окуляра и объектива. Кратность увеличения окуляра и объектива обычно указывают наих корпусе, но иногда увеличение объектива заменяют его фокусным расстоянием и также указывают на корпусе.

Под разрешающей способностью микроскопа понимают наименьшее расстояние между двумя точками объекта, когда они видны раздельно. Чем меньше это расстояние, тем выше разрешающая способность микроскопа. Разрешающая способность микроскопа определяется так:

,

где - длина волны света, мкм;

А - числовая апертура объектива.

Числовая апертура является характеристикой разрешающей силы объектива и наряду с характеристикой увеличения указывается на корпусе:

где n - показатель преломления среды между объектом и фронтальной линзой объектива;

- половина отверстного угла объектива (рис. 2.2), образованного крайними лучами, проходящими через точку фокуса.

Таким образом, разрешающая способность микроскопа будет тем выше, чем короче длина волны света и больше апертура объектива.

Практически и . Тогда если между объективом и объектом находится воздух . Принимая длину волны белого света мкм, получим:

мкм

Рис. 2.2. Схема отверстного угла объектива

Для увеличения апертуры объектива пространство между объектом и объективом заполняют иммерсионной жидкостью (кедровое масло, глицерин, вода и др.) с большим показателем преломления лучей. Например, для кедрового масла n=1,51, тогда разрешаемое расстояние

мкм.

Чтобы полнее использовать разрешающую способность объектива, необходимо правильно выбрать увеличение микроскопа. Расчеты показывают, что оно должно быть в пределах 500 - 1000 Å. Такое увеличение называют полезным.

Совершенство изображения, т. е. его резкость и чистота, зависит от степени устранения недостатков оптической системы - сферической и ахроматической аберрации (ошибки).

Сферическая аберрация - это неодинаковое преломление лучей, исходящих из одной точки, краем линзы и центральной ее частью, что приводит к нечеткости изображения. Устраняется применением дополнительной вогнутой (рассеивающей) линзы, имеющей одинаковую, но обратно направленную аберрацию. Хроматическая аберрация - это неодинаковое преломление линзой лучей разного цвета (длины волны), возникающее при разложений луча белого цвета. Устраняется комбинацией линз из различных сортов стекла.

Современные оптические микроскопы имеют увеличение, не превышающее 2000 крат, и разрешающую способность до 0,1 мкм. Для изучения более тонких деталей структуры применяют электронные микроскопы, где вместо световых лучей используют электронный луч с длиной волны 10⁵…10⁶ раз меньше. Достигаемое при этом увеличение составляет от 1 до 4*10⁵ крат, а разрешающая способность 5*10^-4 мкм.

Приготовление образца для изучения микроструктуры с помощью светового микроскопа

Свойства металлических изделий зависят не только от химического состава материала, но и от его структуры, под которой понимают внутреннее строение, характеризуемое формой, размером и взаимным расположением кристаллитов разных твёрдых фаз. Для описания структуры, наблюдаемой под микроскопом, используют термин “структурная составляющая”. Это – часть сплава, которая на шлифе имеет характерное и однообразное строение и повторяется во всех частях изучаемого объекта. Структурных составляющих может быть одна и несколько, причём каждая из них может состоять из кристаллитов одной или нескольких фаз. Образование той или иной структурной составляющей зависит от состава, так и от предыстории материала.

При изучении структуры преследуют следующие цели:

а) установить связь между структурой и свойствами изучаемого материала,

б) убедиться в получении структуры, обеспечивающей необходимый уровень свойств,

в) установить предысторию материала для выявления причин, вызвавших формирование той или иной структурной составляющей.

Образец для микроскопического исследования структуры металла называют микрошлифом. Поскольку микроструктуру металла изучают в отраженном свете, поверхность микрошлифа должна удовлетворять двум требованиям:

1) она должна иметь максимальную отражающую способность,

2) разные участки поверхности должны по-разному отражать свет, чтобы различить элементы микроструктуры.

Первое достигается путем получения плоской и гладкой поверхности, второе - либо благодаря неодинаковому отражению света (поляризованного или неполяризованного, моно- или полихроматического) от плоской поверхности, либо вследствие образования рельефа на поверхности путем травления, либо, наконец, из-за создания на поверхности пленок толщина и, следовательно, окраска которых зависят от природы либо ориентировки кристаллитов, на которых они возникли.

Микрошлиф должен иметь микроструктуру, характерную для всего изучаемого изделия или его части. Поэтому имеет значение, во-первых, выбор участка изделия, из которого вырезают образец, и, во-вторых, выбор расположения исследуемой поверхности на образце. Например, микроструктуру прокатанной полосы обычно изучают на ее продольном сечении. Поскольку микроструктура в разных участках полосы может быть неодинаковой, образцы для изготовления микрошлифов вырезают из центра и у кромок полосы, а также в нескольких местах по ее длине. Площадь поверхности микрошлифа обычно составляет около 1 см², высота образца для удобства обращения с ним должна быть не менее 10 мм.

На практике приходится изготовлять шлифы больших размеров (рис. 2.3, а, б) и малых (рис. 2.3, в, г). При изготовлении микрошлифов из образца малых размеров (проволока, стружка, листы и др.) для их надежного крепления используют специальные струбцины (см. рис. 2.3, г) или заливают образцы легкоплавким сплавом Вуда (50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn и 12,5 % Cd) с температурой плавления 68°С, серой или пластмассой (см. рис. 2.3, в).

Рис. 2.3 Виды металлографических образцов для приготовления микрошлифов:

а и б — без приспособлений;

иг — в приспособлениях

(1 — образец; 2 — трубка; 3 — пластмасса, легкоплавкий сплав или сера; 4 — струбцина).

Подготовка плоской поверхности микрошлифа включает: 1) вырезку и выравнивание поверхности; 2) шлифование; 3) полирование. Все перечисленные операции должны проводиться таким образом, чтобы они не изменили микроструктуру металла. В этом отношении особенно ответственны первая и вторая операции, которые не должны сопровождаться деформацией поверхностных слоев (толщина деформированного слоя может в 3…10 раз превышать размер зерна абразива) и нагревом образца. Поверхность подготовленного шлифа должна быть зеркально гладкой, плоской по всей его площади, не иметь царапин, ямок и загрязнений.

Шлифование проводят с целью уменьшения неровностей на поверхности образца. При этом используют шлифовальную шкурку различных номеров, которые обозначают размер зерен абразивного порошка, прикрепленного к бумажной основе шкурки. Абразивом могут быть электрокорунд, карбид кремния и другие твердые вещества; размер зерен абразива на различных номерах шкурки может составлять от 250 до 4 мкм. При шлифовании вручную шкурку помещают на стекло, образец прижимают обрабатываемой поверхностью к шкурке и перемещают возвратно-поступательными движениями. Шлифование можно проводить также на станке с горизонтально расположенным вращающимся кругом, на котором закрепляют шкурку. Образец прижимают к кругу вручную или фиксируют в специальном приспособлении. Перед шлифованием обрабатываемую поверхность очищают от частиц металла и абразива.

Движение образца при шлифовании вручную производят под углом 90° к направлению царапин от предшествовавшей обработки. Шлифуют до тех пор, пока полностью не исчезнут все следы царапин от предыдущей операции. Затем образец вновь очищают от налипшей наждачной пыли и переходят к шлифованию шкуркой с более мелким абразивом. Обычно оказывается достаточным использовать шлифовальные шкурки № 4,5. После завершения шлифования образец тщательно промывают под струей воды.

Полирование служит для дальнейшего уменьшения неровностей на плоской поверхности образца. Полирование заканчивают, когда на поверхности исчезнут всякие риски, а сама поверхность станет зеркально гладкой. Полирование проводят механическим, электролитическим либо химическим методами.

Для механического полирования используют станок с вращающимся кругом, который обтянут тканью (фетром, сукном, драпом и др.). В качестве абразива чаще всего применяют тонкоизмельченный оксид хрома, который в виде взвеси в воде наносят на поверхность круга во время его вращения. Образец шлифованной поверхностью слегка прижимают к поверхности круга. Во время полировки образец перемещают от периферии к центру круга (чтобы обеспечить равномерное распределение абразива) и периодически поворачивают (чтобы исключить образование "хвостов" около включений на поверхности образца). Для получения хороших результатов при полировании необходимо, чтобы образец и руки оператора были очищены от шлифовального абразива. Круг во время полирования должен быть влажным. Механическое полирование можно производить также с помощью алмазных паст, в которых размеры зерен абразива могут доходить до 1 мкм. Пасту наносят на ватман тонким слоем, и полирование проводят так же, как и шлифование образца. После полирования шлиф промывают в воде либо, если металл окисляется, - в этиловом спирте и просушивают фильтровальной бумагой.

Изучение полированной поверхности шлифа под микроскопом преследует следующую цель: определение качества его изготовления (отсутствие следов обработки) и установление характера расположения размеров микроскопических трещин, неметаллических включений – графита, сульфидов, оксидов (рис.2.3.) в металлической основе (имеет светлый вид при рассмотрении под микроскопом).

а б в

Рис. 2.3. Неметаллические включения в стали и чугуне:

а – оксиды; б – сульфиды; в – графит

Структуру металлической основы шлифа после полирования выявляют травлением его реактивом. Для стали и чугуна чаще всего применяют 2...5%-ный раствор азотной кислоты (HNO₃) в этиловом спирте. Полированную поверхность шлифа погружают в реактив на 3...15 с или протирают ватой, смоченной в реактиве, до появления ровного матового оттенка без наличия каких-либо пятен. Затем шлиф промывают спиртом или водой и просушивают фильтровальной бумагой.

Выявление микроструктуры в большинстве случаев сводится к созданию на полированной поверхности неглубокого рельефа, в котором конфигурация неровностей повторяет расположение и очертания отдельных кристаллитов. Иногда такой рельеф создается при полировании образца. Например, на поверхности шлифа, полированного механическим способом, твердые кристаллиты несколько выступают, а мягкие - углублены. Во всех остальных случаях рельеф создают с помощью травления. Обычно используют химическое, электролитическое и термическое травление.

При химическом или электролитическом травлении, во-первых, образуются канавки на границах между зернами и, во-вторых, создается неодинаковая шероховатость поверхности зерен разных фаз или даже одной фазы (последнее имеет место в том случае, если у разных зерен одной и той же фазы с плоскостью шлифа совпадают разные плоскости кристаллической решетки).

На границах зерен (даже чистейших металлов) обычно располагаются различные примеси. Эти примеси и структурные составляющие двухфазного строения (механические смеси) под действием реактива образуют микроскопические гальванические пары, что способствует более быстрому их растворению. Однофазные структуры (чистые металлы, твердые растворы, химические соединения) травятся медленнее. В результате неодинаковой степени травимости структурных составляющих на поверхности шлифа создается микрорельеф (рис. 2.4).

Изучение протравленной поверхности шлифа под оптическим микроскопом позволяет увидеть микроструктуру металлической основы. Она обычно состоит из светлых и темных участков. Это объясняется неодинаковой степенью отражения света от структурных составляющих. Структура, растворившаяся на большую глубину, под микроскопом имеет темный цвет (см. рис. 2.4, а), так как дает больше рассеивающих лучей; структура же, растворившаяся меньше, за счет прямого отражения света имеет светлый цвет (см. рис. 2.4, б). Границы зерен будут видны в виде тонкой темной сетки (см. рис. 2.4, б).

Часто зерна металла одного и того же фазового состава под микроскопом могут иметь различные оттенки. Это объясняется тем, что каждое зерно в плоскости шлифа имеет свое сечение кристаллической решетки с различным количеством в нем атомов, а следовательно, и свойства зерен отличаются одно от другого способностью протравливаться, прочностью и др. Такое явление называется анизотропией.

Рис. 2.4 Схемы, поясняющие видимость под микроскопом:

а — зерна во впадинах — темного цвета, выступающие — светлого; 6 — границы зерен металлов и твердых растворов.

Строение металла, наблюдаемое в металлографическом микроскопе, называется микроструктурой, которая представляет собой изображение весьма малого участка поверхности, составленное из отраженных от него световых лучей.

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Изучить основные теоретические понятия о принципе действия микроскопа, его характеристиках.

2. Научиться самостоятельно настраивать микроскоп для работы в светлом поле, выбирать увеличение.

3. Механически обработать образец для приготовления микрошлифа (шлифование, полирование).

4. Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом до травления.

5. Протравить шлиф реактивом, промыть проточной водой и высушить.

6. Изучить микроструктуру шлифа после травления.

7. Написать отчет. Содержание отчета: наименование и цель работы, теоретические сведения об увеличении микроскопа, его разрешающей способности и показателях совершенства изображения, технология приготовления микрошлифа, реактив, применяемый для травления стали и чугуна.

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните роль травителя для выявления микроструктуры.

2. Какой состав используется для травления сплавов железа с углеродом?

3. Для чего предназначен микроскоп?

4. Расскажите о принципе действия микроскопа.

5. Как определить увеличение микроскопа?

6. Какое предельное полезное увеличение можно получить в оптическом микроскопе?

7. Что такое разрешающая способность микроскопа?

Лабораторная работа №3