66

Opracowa³a: Anna Kad³uczka

Æwiczenie 7

MIKROSKOPIA OPTYCZNA

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest zapoznanie siê z budow¹ i zasad¹ pracy mikroskopów meta-

lograficznych.

2. WIADOMOŒCI PODSTAWOWE

Celem badañ metalograficznych jest obserwacja struktury metali i ich stopów oraz

wszelkiego rodzaju wad materia³owych, niewidocznych okiem nieuzbrojonym. Mikro-

skopy pozwalaj¹ce na obserwacje powierzchni materia³ów nieprzeŸroczystych w œwietle

odbitym nazywamy mikroskopami metalograficznymi.

Cechami charakteryzuj¹cymi mikroskop jest zdolnoœæ rozdzielcza oraz powiêksze-

nie u¿yteczne.

Zdolnoœci¹ rozdzielcz¹ wg. Abbego nazywamy najmniejsz¹ odleg³oœæ pomiêdzy

dwoma punktami w obrazie mikroskopowym, które widzimy jako oddzielne.

A

d

λ

=

(1)

gdzie: d РzdolnoϾ rozdzielcza mikroskopu [

µ

m],

A – apertura numeryczna obiektywu,

l

– d³ugoœæ fali œwietlnej [

µ

m].

Powiêkszenie u¿yteczne mikroskopu P

u

, odpowiadaj¹ce najkorzystniejszemu do-

borowi obiektywu i okularu, wyra¿a siê stosunkiem wielkoœci obrazu przedmiotu l

o

,

którego szczegó³y widoczne s¹ pod najmniejszym k¹tem widzenia oka (2, – 4,

), do

wielkoœci rzeczywistej przedmiotu d:

d

l

P

u

0

=

(2)

Z rysunku 7.1 wynika, ¿e l

0

= 2 x 250 tg (2, – 4,). Po podstawieniu do wzoru (2)

wielkoœci d i l

0

otrzymamy:

67

λ

A

tg

P

u

⋅

−

⋅

=

)

'

4

'

2

(

250

2

(3)

gdzie:

250 mm – umowna odleg³oœæ dobrego widzenia.

Rys. 7.1. Wielkoœæ obrazu z odleg³oœci dobrego widzenia

Dla œwiat³a bia³ego l = 55 x 10

–5

mm otrzymujemy P

u

= (500 – 1000) A.W tych

granicach jest zawarte ca³kowite powiêkszenie u¿yteczne mikroskopu.

Ca³kowite powiêkszenie mikroskopu Pu

jest iloczynem powiêkszenia obiektywu

Pob. i okularu Pok

.

:

.

.

ok

ob

U

P

P

P

⋅

=

(4)

O iloœci szczegó³ów w obrazie mikroskopowym decyduje zdolnoœæ rozdzielcza obiek-

tywu. Stosowanie okularu o wiêkszym powiêkszeniu lub powiêkszenie obrazu przez

oddalenie matówki przy fotografowaniu daje wprawdzie obraz wiêkszy, ale tzw. pu-

sty, pozbawiony nowych szczegó³ów. Aby otrzymaæ dobr¹ jakoœæ obrazu, musi byæ

spe³niony warunek: P

u

= (500 – 1000) A.

Próbkê metalu przygotowan¹ do obserwacji za pomoc¹ mikroskopu metalogra-

ficznego nazywamy zg³adem. Metody przygotowywania zg³adów metalograficznych

s¹ tematem odrêbnego æwiczenia. Badania mikroskopowe rozpoczyna siê zazwyczaj

od obserwacji zg³adu w stanie nietrawionym. Pozwala to na stwierdzenie wystêpo-

wania:

– wtr¹ceñ niemetalicznych,

– nieci¹g³oœci materia³u w postaci pêkniêæ, zawalcowañ, drobnych pêcherzy, mikro-

porowatoœci,

– korozji miêdzykrystalicznej,

– grafitu,

– pierwiastków w stanie wolnym.

Natomiast badania próbek w stanie wytrawionym pozwalaj¹ na:

• okreœlenie wielkoœci i kszta³tu ziaren,

• ujawnienie szczegó³ów i specyfiki danej struktury,

• identyfikacjê poszczególnych faz i sk³adników strukturalnych.

250 mm

L o

2 - 4’

68

Na podstawie obserwacji mikroskopowych mo¿na uzyskaæ szereg informacji o sto-

pach dotycz¹cych np. ich przeróbki plastycznej, stosowanych zabiegów obróbki ciepl-

nej oraz wystêpowania ró¿nych wad wewnêtrznych.

2.1. Mikroskop metalograficzny

Mikroskop metalograficzny sk³ada siê z nastêpuj¹cych zasadniczych czêœci:

1) obiektywu,

2) okularu,

3) urz¹dzenia oœwietlaj¹cego,

4) korpusu,

5) tubusu,

6) mechanizmu przesuwu stolika makro- i mikrometrycznego.

Oprócz wymienionych zespo³ów mikroskop posiada szereg pomocniczych elemen-

tów optycznych (pryzmaty, filtry, przys³ony, poœrednie uk³ady soczewek), których za-

daniem jest odpowiednie przenoszenie obrazu do oka obserwatora lub do urz¹dzenia

fotograficznego, przy równoczesnej korekcji b³êdów obrazów optycznych. Ponadto

w sk³ad wyposa¿enia mikroskopów metalograficznych wchodzi analizator i polaryza-

tor do obserwacji w œwietle spolaryzowanym, urz¹dzenia do obserwacji przy zastoso-

waniu kontrastu fazowego, mikrotwardoœciomierz itp. Na rys. 7.2 pokazano przyk³a-

dowo widok ogólny mikroskopu metalograficznego.

Rys. 7.2. Widok ogólny mikroskopu metalograficznego

69

2.1.1. Obiektywy

Obiektyw sk³ada siê z dwu lub wiêcej soczewek wykonanych z ró¿nych gatunków

szk³a optycznego, stanowi¹cych uk³ad optyczny o okreœlonym stopniu korekcji b³êdów

optycznych przedmiotu. Podstawowymi wartoœciami optycznymi obiektywu mikro-

skopowego s¹: d³ugoœæ ogniskowa, powiêkszenie w³asne i apertura numeryczna. Aper-

tura jest miar¹ zbierania przez obiektyw energii œwietlnej i okreœla siê j¹ wzorem:

2

sin

β

⋅

=

n

A

(5)

gdzie: n – wspó³czynnik za³amania œwiat³a przy przejœciu od oœrodka otaczaj¹cego

obiektyw do obiektywu,

b – k¹t rozwarcia obiektywu.

Jak widaæ wartoœæ apertury, a tym samym zdolnoœæ rozdzielcz¹ obiektywu, mo¿na

powiêkszyæ, zwiêkszaj¹c n lub k¹t b. Wspó³czynnik za³amania œwiat³a dla

powietrza n = 1. Wprowadzaj¹c miêdzy soczewkê obiektywu a obserwowan¹ po-

wierzchniê zg³adu olejek imersyjny, mo¿na zwiêkszyæ wspó³czynnik n do wartoœci

1,515. Zwiêkszenie k¹ta b

mo¿e nast¹piæ w drodze skrócenia ogniskowej obiektywu.

Praktycznie k¹t b mo¿e osi¹gn¹æ wartoœæ 150°. Najczêœciej stosowane s¹ nastêpuj¹-

ce obiektywy:
• achromatyczne – stosowane do korekcji aberracji sferycznej tylko dla okreœlonego

wycinka widma (zielono – ¿ó³tego),

• planachromatyczne – g³ównie do celów fotograficznych, daj¹ ostry obraz na ca³ej

powierzchni matówki; posiadaj¹ obok korekcji aberracji chromatycznej równie¿

korekcjê aberracji sferycznej,

• apochromatyczne – jeszcze bardziej skorygowane i z usuniêt¹ aberracj¹ chroma-

tyczn¹ dla trzech barw widma (fioletu, zieleni i czerwieni), a korekcj¹ aberracji

sferycznej przeprowadzon¹ dla promieniowania zielonego i fioletowego,

• monochromatyczne – nale¿¹ce do grupy obiektywów u¿ywanych tylko przy jednej

barwie œwiat³a o okreœlonej d³ugoœci fali.

Pe³n¹ charakterystykê danego obiektywu zawiera oznaczenie umieszczone na jego

oprawie, a uwzglêdniaj¹ce: typ obiektywu (np. planachromat), krotnoœæ powiêkszenia

(np. 10x), aperturê numeryczn¹ (np. 0,20), informacje dodatkowe (np. T – warstwa

przeciwodblaskowa, I – imersja).

2.1.2. Okulary

Okulary nie tylko powiêkszaj¹ obraz który daje obiektyw, ale równie¿ koryguj¹

wady optyczne obiektywów. Najczêœciej stosowane s¹ nastêpuj¹ce okulary:

70

• ortoskopowe – o du¿ym polu widzenia, daj¹ce obrazy nie zniekszta³cone;

Stosuje siê je ³¹cznie z obiektywami achromatycznymi i apochromatycznymi. Po-

wiêkszenie w³asne tych okularów waha siê w granicach od 12,5 do 28x;

• kompensacyjne – wyrównuj¹ce aberracjê sferyczn¹ obiektywów chromatycznych,

mo¿na ich u¿ywaæ równie¿ do fotografowania. Wykonuje siê je o powiêkszeniach

w³asnych od 3 do 30x;

• homale – wy³¹cznie do fotografowania. Dziêki ujemnej ogniskowej usuwaj¹ oba

rodzaje aberracji obiektywów.

W oznaczeniu okularu podany jest typ okularu (np. kompensacyjny) i krotnoϾ

powiêkszenia (np. 15x).

2.1.3. Sposób oœwietlenia

ród³em œwiat³a w mikroskopie mo¿e byæ ¿arówka (dla obserwacji wizualnej) lub

lampa ksenonowa, czy te¿ rtêciowa (dla mikrofotografii). Oœwietlenie próbek odbywa

siê przez obiektyw. Promienie œwietlne skierowuje siê na badany przedmiot albo za

pomoc¹ szklanej p³ytki p³asko – równoleg³ej, albo pryzmatu. W pierwszym przypadku

wi¹zka wychodz¹ca z oœwietlacz pada w tubusie mikroskopu na p³ytkê p³asko – rów-

noleg³¹, która odbija czêœæ promieni i poprzez obiektyw mikroskopu kieruje je ku po-

wierzchni zg³adu. Pozosta³a czeœæ przechodzi przez p³ytkê i jest poch³aniana przez

œciankê tubusa. Promienie odbite od zg³adu przechodz¹ powtórnie przez obiektyw

oraz p³ytkê i trafiaj¹ do okularu. Pryzmat daje jaœniejsze oœwietlenie ni¿ p³ytka, lecz

pogarsza nieco jakoϾ obrazu (mniejsza zdolnoϾ rozdzielcza), stosowany jest on na

ogó³ przy powiêkszeniach mniejszych ni¿ 500x.

1

1

1

2

2

5

4

3

3

a/

b/

c/

2

3

Rys. 7.3.

Rodzaje oœwietleñ mikroskopu: a) z zastosowaniem pryzmatu, b) z zastosowaniem p³ytki szklanej,

c) przy ciemnym polu widzenia; 1 – próbka, 2 – obiektyw, 3 – promieñ œwietlny, 4 – p³ytka szklana,

5 – pryzma

71

Wymienione wy¿ej sposoby oœwietlenia próbek pozwalaj¹ na obserwacje w tzw.

jasnym polu widzenia. Je¿eli chcemy ujawniæ szczegó³y struktury niewidoczne w polu

jasnym, przeprowadzamy obserwacjê w ciemnym polu za pomoc¹ oœwietlenia skiero-

wanego skoœnie do powierzchni zg³adu. Na rys. 7.3 przedstawiono schemat biegu

promieni przy obserwacji w jasnym i ciemnym polu widzenia.

W sk³ad systemu oœwietleniowego wchodzi wówczas nachylone p³askie lustro pier-

œcieniowe oraz zwierciad³o paraboliczne, które otacza obiektyw i odbija promienie,

skierowuj¹c je ukoœnie na próbkê. Przy takim oœwietleniu g³adka powierzchnia zg³adu

jest widoczna jako ciemna, natomiast wszystkie miejsca wklês³e i wypuk³e widoczne

s¹ jako jasne linie lub punkty.

W niektórych przypadkach, np. przy badaniach wtr¹ceñ niemetalicznych, potrzeb-

ne jest œwiat³o spolaryzowane. Na rys. 7.4 przedstawiono bieg promieni œwietlnych

przy u¿yciu œwiat³a spolaryzowanego. W korpusie oœwietlacza umieszcza siê wów-

czas polaryzator, a w tubusie mikroskopu, przed okularem, analizator. Zastosowanie

œwiat³a spolaryzowanego pozwala ujawniæ anizotropiê optyczn¹ sk³adników struktu-

ralnych, która przejawia siê w zmianie ich zabarwienia, wzglêdnie zaciemnianiu przy

obracaniu stolika mikroskopu. Dla obserwacji w œwietle spolaryzowanym po¿¹dane

jest u¿ywanie specjalnych obiektywów, które nie powoduj¹ depolaryzacji wi¹zki œwiat³a.

Rys. 7.4. Bieg promieni przy badaniach w œwietle spolaryzowanym

okular
p³aszczyzna ogniskowa

przedmiotowa okularu

eliptyczna wi¹zka spolaryzowanych

promieni odbitych

analizator

obiektyw
próbka

p³aszczyzna polaryzacji

wi¹zki padaj¹cej

p³ytka

pó³przepuszczalna

Ÿród³o

œwiat³a

kondensor

polaryzator

72

Mikroskopy wyposa¿one s¹ zwykle w urz¹dzenie do kontrastu fazowego, co po-

zwala w niektórych przypadkach obserwowaæ szczegó³y, które nie s¹ widoczne, po-

niewa¿ wytrawiona powierzchnia próbki nie daje odpowiedniego zró¿nicowania œwietl-

nego do ich wykrycia.

3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA

Mikroskopy metalograficzne ró¿nych typów, urz¹dzenia dodatkowe zwiêkszaj¹ce

mo¿liwoœci badawcze mikroskopów, zestaw zg³adów metalograficznych, atlas struk-

tur metalograficznych, pomoce planszowe.

4. PRZEBIEG ÆWICZENIA

W ramach æwiczenia nale¿y:

1) zapoznaæ siê z budow¹ i wyposa¿eniem mikroskopu metalograficznego,

2) przeprowadziæ obserwacjê wtr¹ceñ niemetalicznych w jasnym i ciemnym polu wi-

dzenia oraz œwietle spolaryzowanym celem ich identyfikacji,

3) przeprowadziæ obserwacjê struktur: stali, metali nie¿elaznych oraz spieków w sta-

nie wytrawionym,

4) okreœliæ zgodnie z normami wielkoœæ ziarna obserwowan¹ na ró¿nych próbkach

oraz przeprowadziæ ocenê pasmowoœci stali zgodnie z PN.

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

Sprawozdanie winno zawieraæ:

1) bieg promieni przy obserwacji w jasnym i ciemnym polu widzenia oraz œwietle

spolaryzowanym,

2) przyk³ady stosowanych obiektywów i okularów,

3) rysunki obserwowanych wtr¹ceñ niemetalicznych i mikrostruktur,

4) ocenê wielkoœci ziarna oraz pasmowoœci stali.

6. LITERATURA UZUPE£NIAJ¥CA

[1] Praca zbiorowa: Æwiczenia z metaloznawstwa. Cz. I. Skrypt AGH, Kraków

1985.

[2] Rudnik S. Metaloznawstwo. PWN, Kraków 1997.

[3] Staub F., Olewicz E.: Mikroskop metalograficzny. PWN, Warszawa 1967.

[4] Pr. zb.: Zajêcia laboratoryjne z metaloznawstwa. Skrypt PK, Kraków, 1998.