MATERIAŁOZNAWSTWO – LABORATORIUM

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA MIKROSKOPU OPTYCZNEGO METALOGRAFICZNEGO

Mikroskopy metalograficzne – klasa mikroskopów służących do badań na próbkach nieprzezroczystych. Zalicza się do nich mikroskopy świetlne oraz elektronowe. Dzięki mikroskopom metalograficznym można przeprowadzać szereg obserwacji na zgładach metalowych, przełomach etc. Pozwala to np. na wykrycie mikropęknięć, obliczenie udziału fazowego, obserwacje wtrąceń i szereg innych istotnych, z punktu widzenia metalurgii, cech materiałowych.

Dane mikroskopu:

Powiększenie własne okularu
PK 10 x 15,5
Obiektywy
40/0,65 160/0
Współczynnik przełożenia
1,25 x

Zasada działania mikroskopu metalograficznego

Jest to mikroskop różniący się od „zwykłych” mikroskopów biologicznych. Korzysta on bowiem z własnego, bardzo mocnego światła, które oświetla badaną próbkę. Lampa żarowa o gęstym uzwojeniu stwarza punktowe źródło światła, soczewki kondensorowe wytwarzają równoległe wiązkę promieni świetlnych o dużej intensywności. Przesłona przepuszcza środkową część wiązki promieni zatrzymując promienie zewnętrzne powodujące błędy optyczne. Zmniejszenie przesłony aperturowej zmniejsza ilość światła biorącego udział w powstawaniu obrazu, ale jednocześnie powoduje wyostrzenie obrazu. Oświetlacze metalograficzne bywają w zasadzie trzech typów. Wyróżniamy dwa typy oświetlaczy do światła prostopadłego, padającego prostopadle na szlif i jeden do światła padającego ukośnie na szlif (tzw. oświetlacz ciemnego pola). Każdy mikroskop metalograficzny ma możliwość łatwej wymiany oświetlaczy. Zastosowanie poszczególnych oświetlaczy dostosowuje się do charakteru badań i rodzaju struktury.

Podstawowe części mikroskopu:
-źródło światła
-kondensor
-okular
-obiektyw
-przysłony
-stolik przedmiotowy
-mechanizm ogniskujący (makro i mikro).

Mikroskop metalograficzny wykorzystywany jest do: oceny makro i mikrostruktury tworzyw konstrukcyjnych, oceny chropowatości i nośności powierzchni, pomiarów mikrotwardości oraz twardości tworzyw konstrukcyjnych. Możliwe jest wykonywanie zdjęć cyfrowych badanych powierzchni.

Metody mikroskopowe umożliwiają:
-identyfikacje stopu
-ujawnianie struktury z określeniem kształtu, wymiarów, ilości i rozmieszczenia jej składników
-wykrycie wad budowy struktury lub materiału
-badanie mechanizmów przemian fazowych
-identyfikacje faz
-odtworzenie zastosowanych procesów technologicznych
-badanie zjawisk zachodzących w trakcie eksploatacji materiałów.

Powiększenie mikroskopu określa się wzorem:
P=Pob x Pok x wsp. p.
Gdzie:
P- nominalne powiększenie mikroskopowe
Pob - powiększenie obiektywu
Pok – powiększenie okularu

wsp. p. – współczynnik przełożenia

Zdolność rozdzielcza mikroskopu (a właściwie obiektywu) jest to najmniejsza odległość między dwoma punktami lub liniami które są rozróżniane jako oddzielne. Zależy ona od rodzaju preparatu testowego, sposób jego oświetlenia, stopnia spójności światła i innych czynników, jak np. od jakości wzroku.

Oprócz zdolności rozdzielczej i głębi ostrości na jakość uzyskanego obrazu mają wpływ wady odwzorowania optycznego. Są to:
-abberacja sferyczna
-chronomatyczna (podłużna, poprzeczna)
-koma
-krzywizna pola
-astygmatyzm
-dystorsja.

Oświetlacz Becka
1 wiązka światła
2 kondensor
3 płasko równoległa płytka szklana
4 obiektyw
5 próbka
6 soczewki pomocnicze
7 przysłona okularu

Oświetlacz Nacheta
1 wiązka światła
2 kondensor
3 pryzmat
4 obiektyw
5 próbka
6 soczewki pomocnicze
7 przysłona okularu

Mikroskopy metalograficzne to klasa mikroskopów służących do badań na próbkach nieprzezroczystych. Zalicza się do nich mikroskopy świetlne oraz elektronowe. Dzięki mikroskopom metalograficznym można przeprowadzać szereg obserwacji na zgładach metalowych, przełomach etc. Pozwala to np. na wykrycie mikropęknięć, obliczenie udziału fazowego, obserwacje wtrąceń i szereg innych istotnych, z punktu widzenia metalurgii, cech materiałowych

Budowa mikroskopu i sposób wyznaczania powiększeń
Mikroskop złożony jest z dwu zbierających zespołów soczewek, umieszczonych na końcach rury zwanej tubusem. Zespół soczewek, zazwyczaj o krótkiej ogniskowej, zwrócony do przedmiotu nazywa się obiektywem, drugi zaś, przez który dokonuje się obserwacji, nosi nazwę okularu. Obiektyw tworzy wewnątrz tubusa rzeczywisty, powiększony i odwrócony obraz, który ogląda się za pomocą okularu. Wskutek istnienia obydwu zespołów obserwuje się pozorny, powiększony i prosty obraz. Całkowite powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu i okularu. Do optycznego wyposażenia mikroskopu należy również urządzenie oświetlające, od którego zależy jasność, ostrość i kontrastowość obrazu. Na jakość obrazu wpływa także dokładność prostopadłego ustawienia stolika względem osi optycznej tubusa mikroskopu. W tym celu zespoły te mocowane są na sztywnym statywie, który jest wyposażony w mechaniczne elementy regulacyjne oraz urządzenia służące do łatwej wymiany obiektywów oraz regulacji oświetlenia. Powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia obiektywu i okularu.

Zmianę powiększenia mikroskopu można otrzymać przez zmianą obiektywu lub okularu, zmianę odległości aparatu fotograficznego ( w przypadku fotografowania obiektu ) lub też przez zmianę położenia ekranu ( w przypadku projekcji ). Wzrostowi powiększenia powinien jednak towarzyszyć wzrost liczby szczegółów w obserwowanym obrazie. Tak uzyskana powiększenie określa się mianem powiększenia użytecznego.

Obiektyw i okular.
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 i na brzegach. Aberracja chromatyczna jest spowodowana rozszczepieniem wiązki białego światła po przejściu przez soczewkę, wskutek czego otrzymany obraz składa się z wielu nie pokrywających 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 5 120 x. Wielkości charakterystyczne obiektywu ( rodzaj obiektywu, apertura oraz powiększenie własne ) są zazwyczaj podawane na oprawie.

W badaniach metalograficznych stosuje się zazwyczaj obiektywy suche do pracy w powietrzu ( n = 1 ); do dużych powiększeń są używane obiektywy immersyjne. W obiektywach suchych największa apertura wynosi 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. Wady te są korygowane przez układy bardziej złożone.

Urządzenia oświetlające.
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. Promienie świetlne padające na płytkę szklaną półprzezroczystą , nachyloną pod kątem 45, częściowo przez nią przechodzą, częściowo się od niej odbijają i przez obiektyw docierają do powierzchni zgładu . Po odbiciu się od tej powierzchni promienie ponownie przechodzą przez obiektyw, a następnie są kierowane przez pryzmat 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 ziarna, wydzieleń, wtrąceń, rysy itp. Inne płaszczyzny dają obraz ciemniejszy. Środkowa część cylindrycznej wiązki promieni jest przysłonięta kołową przesłoną. Wiązka promieni po odbiciu od pierścieniowego zwierciadła biegnie poza obiektywem, załamuje się w zwierciadle parabolicznym i pada skośnie na powierzchnię zgładu . Obserwacje w ciemnym polu widzenia przeprowadza się dla wydobycia szczegółów niewidocznych w polu jasnym. Wyznaczanie powiększenia na matówce mikroskopu.