66
Ćwiczenie 7
MIKROSKOPIA OPTYCZNA
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą pracy mikroskopów meta-
lograficznych.
2. WIADOMOR
CI PODSTAWOWE
Celem badań metalograficznych jest obserwacja struktury metali i ich stopów oraz
wszelkiego rodzaju wad materiałowych, niewidocznych okiem nieuzbrojonym. Mikro-
skopy pozwalające na obserwacje powierzchni materiałów nieprzex
roczystych w S
wietle
odbitym nazywamy mikroskopami metalograficznymi.
Cechami charakteryzującymi mikroskop jest zdolnoS
ć rozdzielcza oraz powiększe-
nie użyteczne.
ZdolnoS
cią rozdzielczą wg. Abbego nazywamy najmniejszą odległoS
ć pomiędzy
dwoma punktami w obrazie mikroskopowym, które widzimy jako oddzielne.

d =
(1)
A
gdzie: d  zdolnoS
ć rozdzielcza mikroskopu [�m],
A  apertura numeryczna obiektywu,
 długoS
ć fali S
wietlnej [�m].
Powiększenie użyteczne mikroskopu Pu, odpowiadające najkorzystniejszemu do-
borowi obiektywu i okularu, wyraża się stosunkiem wielkoS
ci obrazu przedmiotu lo ,
którego szczegóły widoczne są pod najmniejszym kątem widzenia oka (2,  4, ), do
wielkoS
ci rzeczywistej przedmiotu d:
l0
Pu =
(2)
d
Z rysunku 7.1 wynika, że l0 = 2 x 250 tg (2,  4,). Po podstawieniu do wzoru (2)
wielkoS
ci d i l0 otrzymamy:
Opracowała: Anna Kadłuczka
67
2 �" 250tg (2'-4') �" A
Pu =
(3)

gdzie: 250 mm  umowna odległoS
ć dobrego widzenia.
- 4
Rys. 7.1. WielkoS
ć obrazu z odległoS
ci dobrego widzenia
Dla S
wiatła białego l = 55 x 10  5 mm otrzymujemy Pu = (500  1000) A.W tych
granicach jest zawarte całkowite powiększenie użyteczne mikroskopu.
Całkowite powiększenie mikroskopu Pu jest iloczynem powiększenia obiektywu
Pob. i okularu Pok.:
PU = Pob. �" Pok . (4)
O iloS
ci szczegółów w obrazie mikroskopowym decyduje zdolnoS
ć rozdzielcza obiek-
tywu. Stosowanie okularu o większym powiększeniu lub powiększenie obrazu przez
oddalenie matówki przy fotografowaniu daje wprawdzie obraz większy, ale tzw. pu-
sty, pozbawiony nowych szczegółów. Aby otrzymać dobrą jakoS
ć obrazu, musi być
spełniony warunek: Pu = (500  1000) A.
Próbkę metalu przygotowaną do obserwacji za pomocą mikroskopu metalogra-
ficznego nazywamy zgładem. Metody przygotowywania zgładów metalograficznych
są tematem odrębnego ćwiczenia. Badania mikroskopowe rozpoczyna się zazwyczaj
od obserwacji zgładu w stanie nietrawionym. Pozwala to na stwierdzenie występo-
wania:
 wtrąceń niemetalicznych,
 nieciągłoS
ci materiału w postaci pęknięć, zawalcowań, drobnych pęcherzy, mikro-
porowatoS
ci,
 korozji międzykrystalicznej,
 grafitu,
 pierwiastków w stanie wolnym.
Natomiast badania próbek w stanie wytrawionym pozwalają na:
" okreS
lenie wielkoS
ci i kształtu ziaren,
" ujawnienie szczegółów i specyfiki danej struktury,
" identyfikację poszczególnych faz i składników strukturalnych.
L
68
Na podstawie obserwacji mikroskopowych można uzyskać szereg informacji o sto-
pach dotyczących np. ich przeróbki plastycznej, stosowanych zabiegów obróbki ciepl-
nej oraz występowania różnych wad wewnętrznych.
2.1. Mikroskop metalograficzny
Mikroskop metalograficzny składa się z następujących zasadniczych częS
ci:
1) obiektywu,
2) okularu,
3) urządzenia oS
wietlającego,
4) korpusu,
5) tubusu,
6) mechanizmu przesuwu stolika makro- i mikrometrycznego.
Oprócz wymienionych zespołów mikroskop posiada szereg pomocniczych elemen-
tów optycznych (pryzmaty, filtry, przysłony, poS
rednie układy soczewek), których za-
daniem jest odpowiednie przenoszenie obrazu do oka obserwatora lub do urządzenia
fotograficznego, przy równoczesnej korekcji błędów obrazów optycznych. Ponadto
w skład wyposażenia mikroskopów metalograficznych wchodzi analizator i polaryza-
tor do obserwacji w S
wietle spolaryzowanym, urządzenia do obserwacji przy zastoso-
waniu kontrastu fazowego, mikrotwardoS
ciomierz itp. Na rys. 7.2 pokazano przykła-
dowo widok ogólny mikroskopu metalograficznego.
Rys. 7.2. Widok ogólny mikroskopu metalograficznego
69
2.1.1. Obiektywy
Obiektyw składa się z dwu lub więcej soczewek wykonanych z różnych gatunków
szkła optycznego, stanowiących układ optyczny o okreS
lonym stopniu korekcji błędów
optycznych przedmiotu. Podstawowymi wartoS
ciami optycznymi obiektywu mikro-
skopowego są: długoS
ć ogniskowa, powiększenie własne i apertura numeryczna. Aper-
tura jest miarą zbierania przez obiektyw energii S
wietlnej i okreS
la się ją wzorem:
n �"sin �
A =
(5)
2
gdzie: n  współczynnik załamania S
wiatła przy przejS
ciu od oS
rodka otaczającego
obiektyw do obiektywu,
>  kąt rozwarcia obiektywu.
Jak widać wartoS
ć apertury, a tym samym zdolnoS
ć rozdzielczą obiektywu, można
powiększyć, zwiększając n lub kąt >. Współczynnik załamania S
wiatła dla
powietrza n = 1. Wprowadzając między soczewkę obiektywu a obserwowaną po-
wierzchnię zgładu olejek imersyjny, można zwiększyć współczynnik n do wartoS
ci
1,515. Zwiększenie kąta > może nastąpić w drodze skrócenia ogniskowej obiektywu.
Praktycznie kąt b może osiągnąć wartoS
ć 150�. NajczęS
ciej stosowane są następują-
ce obiektywy:
" achromatyczne  stosowane do korekcji aberracji sferycznej tylko dla okreS
lonego
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 usuniętą aberracją chroma-
tyczną dla trzech barw widma (fioletu, zieleni i czerwieni), a korekcją aberracji
sferycznej przeprowadzoną dla promieniowania zielonego i fioletowego,
" monochromatyczne  należące do grupy obiektywów używanych tylko przy jednej
barwie S
wiatła o okreS
lonej długoS
ci fali.
Pełną charakterystykę danego obiektywu zawiera oznaczenie umieszczone na jego
oprawie, a uwzględniające: typ obiektywu (np. planachromat), krotnoS
ć powiększenia
(np. 10x), aperturę numeryczną (np. 0,20), informacje dodatkowe (np. T  warstwa
przeciwodblaskowa, I  imersja).
2.1.2. Okulary
Okulary nie tylko powiększają obraz który daje obiektyw, ale również korygują
wady optyczne obiektywów. NajczęS
ciej stosowane są następujące okulary:
70
" ortoskopowe  o dużym polu widzenia, dające obrazy nie zniekształcone;
Stosuje się je łącznie z obiektywami achromatycznymi i apochromatycznymi. Po-
większenie własne tych okularów waha się w granicach od 12,5 do 28x;
" kompensacyjne  wyrównujące aberrację sferyczną obiektywów chromatycznych,
można ich używać również do fotografowania. Wykonuje się je o powiększeniach
własnych od 3 do 30x;
" homale  wyłącznie do fotografowania. Dzięki ujemnej ogniskowej usuwają oba
rodzaje aberracji obiektywów.
W oznaczeniu okularu podany jest typ okularu (np. kompensacyjny) i krotnoS
ć
powiększenia (np. 15x).
2.1.3. Sposób oS
wietlenia
y
ródłem S
wiatła w mikroskopie może być żarówka (dla obserwacji wizualnej) lub
lampa ksenonowa, czy też rtęciowa (dla mikrofotografii). OS
wietlenie próbek odbywa
się przez obiektyw. Promienie S
wietlne skierowuje się na badany przedmiot albo za
pomocą szklanej płytki płasko  równoległej, albo pryzmatu. W pierwszym przypadku
wiązka wychodząca z oS
wietlacz pada w tubusie mikroskopu na płytkę płasko  rów-
noległą, która odbija częS
ć promieni i poprzez obiektyw mikroskopu kieruje je ku po-
wierzchni zgładu. Pozostała czeS
ć przechodzi przez płytkę i jest pochłaniana przez
S
ciankę tubusa. Promienie odbite od zgładu przechodzą powtórnie przez obiektyw
oraz płytkę i trafiają do okularu. Pryzmat daje jaS
niejsze oS
wietlenie niż płytka, lecz
pogarsza nieco jakoS
ć obrazu (mniejsza zdolnoS
ć rozdzielcza), stosowany jest on na
ogół przy powiększeniach mniejszych niż 500x.
Rys. 7.3.
Rodzaje oS
wietleń mikroskopu: a) z zastosowaniem pryzmatu, b) z zastosowaniem płytki szklanej,
c) przy ciemnym polu widzenia; 1  próbka, 2  obiektyw, 3  promień S
wietlny, 4  płytka szklana,
5  pryzma
71
Wymienione wyżej sposoby oS
wietlenia próbek pozwalają na obserwacje w tzw.
jasnym polu widzenia. Jeżeli chcemy ujawnić szczegóły struktury niewidoczne w polu
jasnym, przeprowadzamy obserwację w ciemnym polu za pomocą oS
wietlenia skiero-
wanego skoS
nie do powierzchni zgładu. Na rys. 7.3 przedstawiono schemat biegu
promieni przy obserwacji w jasnym i ciemnym polu widzenia.
W skład systemu oS
wietleniowego wchodzi wówczas nachylone płaskie lustro pier-
S
cieniowe oraz zwierciadło paraboliczne, które otacza obiektyw i odbija promienie,
skierowując je ukoS
nie na próbkę. Przy takim oS
wietleniu gładka powierzchnia zgładu
jest widoczna jako ciemna, natomiast wszystkie miejsca wklęsłe i wypukłe widoczne
są jako jasne linie lub punkty.
W niektórych przypadkach, np. przy badaniach wtrąceń niemetalicznych, potrzeb-
ne jest S
wiatło spolaryzowane. Na rys. 7.4 przedstawiono bieg promieni S
wietlnych
przy użyciu S
wiatła spolaryzowanego. W korpusie oS
wietlacza umieszcza się wów-
czas polaryzator, a w tubusie mikroskopu, przed okularem, analizator. Zastosowanie
S
wiatła spolaryzowanego pozwala ujawnić anizotropię optyczną składników struktu-
ralnych, która przejawia się w zmianie ich zabarwienia, względnie zaciemnianiu przy
obracaniu stolika mikroskopu. Dla obserwacji w S
wietle spolaryzowanym pożądane
jest używanie specjalnych obiektywów, które nie powodują depolaryzacji wiązki S
wiatła.
ok l 3
ł szcz z og isko
3zed ioto ok l 3
liz to3
eli t cz i zk s ol 3 zo c
3o ie i od it c
ł tk
z
3ódło
ół 3ze szcz l
ś i tł
ol 3 z to3 ko de so3
ł szcz z ol 3 z c i
i zki d ce
o iekt
3ó k
Rys. 7.4. Bieg promieni przy badaniach w S
wietle spolaryzowanym
72
Mikroskopy wyposażone są zwykle w urządzenie do kontrastu fazowego, co po-
zwala w niektórych przypadkach obserwować szczegóły, które nie są widoczne, po-
nieważ wytrawiona powierzchnia próbki nie daje odpowiedniego zróżnicowania S
wietl-
nego do ich wykrycia.
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
Mikroskopy metalograficzne różnych typów, urządzenia dodatkowe zwiększające
możliwoS
ci badawcze mikroskopów, zestaw zgładów metalograficznych, atlas struk-
tur metalograficznych, pomoce planszowe.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
W ramach ćwiczenia należy:
1) zapoznać się z budową i wyposażeniem mikroskopu metalograficznego,
2) przeprowadzić obserwację wtrąceń niemetalicznych w jasnym i ciemnym polu wi-
dzenia oraz S
wietle spolaryzowanym celem ich identyfikacji,
3) przeprowadzić obserwację struktur: stali, metali nieżelaznych oraz spieków w sta-
nie wytrawionym,
4) okreS
lić zgodnie z normami wielkoS
ć ziarna obserwowaną na różnych próbkach
oraz przeprowadzić ocenę pasmowoS
ci stali zgodnie z PN.
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie winno zawierać:
1) bieg promieni przy obserwacji w jasnym i ciemnym polu widzenia oraz S
wietle
spolaryzowanym,
2) przykłady stosowanych obiektywów i okularów,
3) rysunki obserwowanych wtrąceń niemetalicznych i mikrostruktur,
4) ocenę wielkoS
ci ziarna oraz pasmowoS
ci stali.
6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
[1] Praca zbiorowa: Ćwiczenia 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.: Zajęcia laboratoryjne z metaloznawstwa. Skrypt PK, Kraków, 1998.