MECHATRONIKA II	LABORATORIUM Z METALOZNAWSTWA I MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
	Badania mikroskopowe.

1. Część teoretyczna

Do oceny struktury metali i stopów służą między innymi badania metalograficzne, przy czym w zależności od stosowanych urządzeń oraz powiększeń wyróżnia się badania:

a) makroskopowe przeprowadzane okiem nieuzbrojonym lub przy powiększeniach osiągalnych za pomocą lupy (do 40x),

b) mikroskopowe z zastosowaniem:

- mikroskopu metalograficznego świetlnego (optycznego), na którym możliwe jest osiągnięcie powiększeń od 50 do 1500 x,

- mikroskopu elektronowego: powiększenie przekraczające nawet 100 000 x.

Badania metalograficzne mikroskopowe na mikroskopie świetlnym przeprowadza się na specjalnie przygotowanych próbkach, zwanych zgładami (lub szlifami) mikro. Przeprowadzone na zgładach nietrawionych pozwalają na określenie:

• rodzaju wtrąceń (orientacyjnie) i stopnia zanieczyszczenia stopu wtrąceniami niemetalicznymi, a także kształtu, wielkości i rozmieszczenia wydzieleń grafitu w żeliwie,

• obecności mikropor, mikropęknięć i innych nieciągłości materiału.

Badania przeprowadzone na zgładach wytrawionych umożliwiają określenie:

• rodzaju struktury materiału,

• niekiedy przybliżonego składu chemicznego,

• kształtu i wielkości ziaren,

• rodzaju procesu technologicznego, obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,

• dokładnej grubości stref elementu o różnej strukturze oraz powłok,

• przebiegu nieciągłości (przez ziarna, po granicach ziaren).

Budowa metalograficznego mikroskopu optycznego

Mikroskop metalograficzny pracuje na zasadzie wykorzystania światła odbitego od powierzchni zgładu. Mikroskop składa się z elementów optycznych i mechanicznych. Część optyczna obejmuje: obiektyw, okular i oświetlacz, zaś część mechaniczna: tabus, statyw, stolik przedmiotowy oraz mechanizmy do ustawiania ostrości obserwowanego obrazu. Ponadto mikroskopy zwykle posiadają przystawki do fotografowania. Obiektyw i okular stanowią zakończenie tubusa mikroskopu, w najprostszym wypadku w kształcie rury. Tubus umocowany jest na sztywnym statywie, z którym połączony jest stolik przedmiotowy. Odległość między obiektywem i stolikiem przedmiotowym, na którym ustawia się zgład metalograficzny, reguluje się za pomocą dwu posuwów - zgrubnego i dokładnego (o możliwości regulowania do 0,001 mm).

Schemat optyczny mikroskopu metalograficznego. Oznaczenia: L- źródło światła, K- kondensator, PA- przesłona aperturowa, S1,S2- pomocnicze soczewki oświetlacza, P- przesłona pola widzenia, PP- płytka płasko równoległa, Ob.- obiektyw, Ok.- okular, Pr- pryzmat, Z- zbadana próbka.

Powiększenie obrazu na mikroskopie i powiększenie użyteczne

Powiększenie mikroskopu równe jest iloczynowi powiększenia obiektywu i okularu:

N = No b·Nok

Na oprawach obiektywów i okularów są wygrawerowane ich wartości Nob i Nok, nie ma, więc żadnych trudności w obliczeniu powiększenia zespołu optycznego w mikroskopie.

O zdolności wyróżniania szczegółów na obserwowanej próbce decyduje obiektyw. Cechę tę charakteryzuje tzw. rozdzielczość obiektywu, określana wzorem:

$$d_{m} = \frac{\lambda}{2*n*\sin{(\frac{\beta}{2})}} = \frac{\lambda}{2*A_{\text{ob}}}$$

gdzie:

d_m - najmniejsza odległość między dwoma punktami postrzeganymi oddzielnie,

λ ~ długość fali zastosowanego światła,

n - współczynnik załamania światła na granicy ośrodków: soczewka (szkło) - czynnik

znajdujący się pomiędzy powierzchnią zgładu a czołem obiektywu (powietrze lub

olejek immersyjny),

β/2 - połowa kąta otwarcia obiektywu (połowa kąta zawartego między skrajnymi

promieniami światła przechodzącymi przez soczewkę a przecinającymi się w punkcie

ogniskowej )

A_ob - apertura numeryczna obiektywu.

Na każdym obiektywie jest wygrawerowana wartość Aob, która charakteryzuje możliwość efektywnego wykorzystania obiektywu dla uzyskania obrazu o możliwie największej ilości

szczegółów. Do tego celu należy też z posiadanego zespołu okularów dobrać najkorzystniejszy. Służy do tego pojęcie powiększenia użytecznego Nu zespołu optycznego: obiektyw + okular, określonego zależnością:

Nu = (500 do 1000) A.

Zastosowanie okularu o powiększeniu większym niż 20x da wprawdzie obraz większy, ale będzie to powiększenie „puste", tzn. bez ujawnienia nowych szczegółów. Układy optyczne zwykle są obarczone wadami odwzorowania obrazu przedmiotu. Obiektyw i okular mikroskopu są najbardziej wrażliwe na wady aberracji sferycznej i chromatycznej. Aberracja sferyczna jest wadą układu optycznego polegającą na tym, że promienie przecinają się nie w jednym punkcie, lecz na pewnym obszarze. Powoduje ona, że uzyskany obraz ma niejednakową ostrość w swoim centrum oraz na brzegach. Aberracja chromatyczna jest spowodowana rozszczepieniem wiązki białego œświatła po przejściu przez soczewkę, wskutek czego otrzymany obraz składa się z wielu niepokrywających się ze sobą różnobarwnych obrazów. Wady te kompensuje się stosując układy kilku soczewek wykonanych z różnych gatunków szkła, o różnych krzywiznach. Obiektywy wykonuje się o powiększeniu własnym 5 ÷120x. W badaniach metalograficznych stosuje się zazwyczaj obiektywy suche do pracy w powietrzu (n=l); do dużych powiększeń są używane obiektywy immersyjne. W obiektywach suchych największa apretura wynosi A = 0,95; obiektywy immersyjne osiągają wartość A = 1,4. Okulary w mikroskopach służą nie tylko do powiększania obrazu utworzonego przez obiektyw, lecz także korygują jego błędy optyczne. Okulary o najprostszej budowie składają się z dwu płasko wypukłych soczewek, pomiędzy którymi jest umieszczona kołowa przesłona. Są to okulary Huygensa. Stosuje się je najczęściej do obserwacji bezpośredniej. Okulary Huygensa nie korygują wad optycznych obiektywu i dlatego dawany przez nie obraz jest ostry tylko w środku, brzegi zaś rozmyte.

W mikroskopach metalograficznych urządzenie oświetlające składa się z silnego źródła światła oraz odpowiedniego układu optycznego, doprowadzającego światło do miejsca obserwowanego. Jako źródło światła najczęściej stosuje się niskowoltową żarówkę ze ściśle zwiniętymi włóknami, tworzącymi prawie punktowe źródło. Stosuje się także inne rodzaje lamp, np. łukowe, rtęciowe itp. Promienie wychodzące ze źródła światła skupia się za pomocą kondensora na otworze układu oświetlającego. Oświetlacz kieruje promienie światła na dany przedmiot przez obiektyw – za pośrednictwem płytki szklanej lub pryzmatu. Bieg promieni w obu przypadkach został przedstawiony na rysunkach.

Promienie świetlne padające na płytkę szklaną półprzezroczystą nachyloną pod kątem 45°, częściowo przez nią przechodzą, częściowo się od niej odbijają i przez obiektyw 2 docierają do powierzchni zgładu 3. Po odbiciu się od tej powierzchni promienie ponownie przechodzą przez obiektyw, a następnie są kierowane przez pryzmat 4 do okularu, skąd docierają do oka obserwatora. Zastosowanie pryzmatu daje obraz jaśniejszy i bardziej kontrastowy, lecz zdolność rozdzielcza obiektywu jest mniejsza, ponieważ pryzmat przysłania połowę jego otworu czynnego.

Opisane układy umożliwiają obserwację przedmiotu w tzw. jasnym polu widzenia. Przy skośnym skierowaniu promieni na powierzchnię zgładu można obserwować w tzw. ciemnym polu widzenia. Otrzymany w ten sposób obraz jest jak gdyby negatywem obrazu w polu jasnym. Przy tym sposobie oświetlacz kieruje promienie ukośnie poza obiektywem; do obiektywu trafiają, więc tylko promienie odbite, te, które na swej drodze spotkały szczegóły rozpraszające światło, jak granice ziaren, wydzieleń, wtrąceń, rysy itp. Inne płaszczyzny dają obraz ciemniejszy. Bieg promieni przy oświetleniu ukośnym przedstawia rysunek ze schematem optycznym mikroskopu metalograficznego. Środkowa cześć cylindrycznej wiązki promieni jest przysłonięta kołową przesłoną. Wiązka promieni po odbiciu od pierścieniowego zwierciadła biegnie poza obiektywem, załamuje się w zwierciadle parabolicznym i pada ukośnie na powierzchnię zgładu. Obserwację w ciemnym polu widzenia przeprowadza się dla wydobycia szczegółów niewidocznych w polu jasnym.

1. Część praktyczna

Nr	Oznaczenie obiektywu Pob/Aob	Powiększenie obiektywu Pob	Apertura obiektywu Aob	Zakres powiększeń użytecznych dla obiektywu Puob=(500÷1000)A	Zakr.powiększeń współpracującego okularu Pok=( ÷ )	Max i min pow. ukł. optycznego mikroskopu
1	15x/ 0,30	15x	0,30	150÷300	10÷20x	150÷300
2	5,5x/ 0,1	5,5x	0,1	50÷100	9,1÷18,2x	50÷100

Przykładowe obliczenia

Dla nr 1

Pu_ob=(500÷1000)A

Pu_ob=(500÷1000)*0,3

Pu_ob=150÷300x

P_ok=Pu_ob/P_ob= (150÷300)/15= 10÷20x