Grzegorz Rutkowski	Metaloznawstwo	19.10.12r.
MiBM L3	Temat: Badania metalograficzne mikroskopowe

1. Wstęp.

Metalograficzne badania makroskopowe wyrobów metalowych przeprowadza się w celu wykrycia i określenia ich charakterystycznych cech strukturalnych, które można zaobserwować nieuzbrojonym okiem lub pod niewielkim powiększeniem, zwykle nie przekraczającym 30x. Obserwacjom poddaje się bądź zewnętrzne powierzchnie wyrobów, bądź powierzchnie ich złomów lub specjalnie przygotowane (szlifowanie, ewentualnie polerowane) wybrane powierzchnie wyrobu.

Do obserwacji makroskopowych służą wszelkiego rodzaje lupy ręczne lub z podstawkami, mikroskopy stereoskopowe z pełnym wyposażeniem (komplet okularów, obiektywów, stolik przedmiotowy, oświetlacz) oraz mikroskopy metalograficzne z urządzeniami do badań makroskopowych, często wyposażone w kamerę do fotografowania.

Badania makroskopowe umożliwiają:

1) ujawnienie nieciągłości materiałowych, do których należą: pozostałości jam skurczowych, rzadzizny skurczowe, pęcherze wewnętrzne i podpowierzchniowe, skupiska mikroporów i wtrąceń niemetalicznych, zawalcowania zakucia, zażużlenia pęknięcia powstałe pod-czas procesów technologicznych (np. hartownicze, szlifierskie, odlewnicze, powstałe w czasie przeróbki plastycznej) a także powstałe w warunkach eksploatacyjnych;

2) analizę budowy wewnętrznej metali i stopów, a więc określenia wielkości, kształtu i orientacji ziaren (jeśli nie są one zbyt małe) ujawnienie struktury dendrytycznej, i transkrystalicznej;

3) wykrywanie niejednorodności chemicznej w odlewach i wyrobach przerobionych plastycznie, np. rozkładu węgla, fosforu i siarki w stopach żelaza;

4) wykrywanie niejednorodności strukturalnej i chemicznej w wyrobach stalowych obrobionych cieplnie (rys. 3) lub cieplno-chemicznie, pozwalające na określenie grubości warstwy zahartowanej, nawęglonej, azotowanej, węgloazotowanej, odwęglonej;

5) ujawnienie przebiegu włokiem lub linii zgniotu, struktury pasmowej w wyrobach odkształconych plastycznie (kutych, walcowanych, ciągnionych itp.)

6) analizę powierzchni złomów (ciągliwy, kruchy, zmęczeniowy)

7) analizę uszkodzeń eksploatacyjnych materiału

Szczególne zastosowanie w praktyce przemysłowej mają badania makroskopowe złączy spawanych, które wykonuje się przy kwalifikowaniu sposobów spawania, przy egzaminowaniu spawaczy i przy kontroli jakości spawania.

Badania te umożliwiają ujawnienie:

− błędów kształtu i wymiarów poprzecznych spoiny,

− wad budowy spoiny (rozlewy, nawisy, brak przetopu, podtopienia, wycieki, przyklejenia),

− nieciągłości metalu spoiny i złącza (porowatość, zażużlenia, pęknięcia)

2. Budowa mikroskopu metalograficznego:

Elementarny układ optyczny mikroskopu optycznego składa się z dwóch soczewek skupiających rozstawionych współosiowo. Obiektyw tworzy odwrócony i powiększony obraz pośredni A’ B’ przedmiotu AB, który następnie powiększany jest przez okular. Widoczny dla obserwatora obraz A’’ B’’ jest pozorny i odwrócony względem przedmiotu.

Powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia optycznego obiektywu oraz powiększenia wizualnego okularu. Rzeczywiste powiększenie daje obiektyw, natomiast okular powtórnie powiększa obraz bez ujawnienia dodatkowych szczegółów.

Całkowite powiększenie optyczne mikroskopu wynosi:

P_c = P_ob x P_ok

P_ob – powiększenie obiektywu (x15)

P_ok – powiększenie okularu (x16)

Minimalny rozmiar szczegółów obserwowanych przez mikroskop optyczny jest ograniczony przez falowy charakter światła. Zdolność rozdzielcza mikroskopu to najmniejsza odległość między dwoma punktami na obserwowanej powierzchni, które mogą być rozróżnione przez obserwatora.
Zdolność rozdzielcza jest określona wzorem:

$$d = \ \frac{\lambda}{A}$$

λ - długość fali światła

A - apertura = n sin$\ \frac{\alpha}{2}$ = (0,3)

n – współczynnik załamania światła dla ośrodka między obiektywem a badana próbką
( dla powietrza n=1, oleju cedrowego n=1,5)

$\frac{\alpha}{2}$ - połowa kąta rozwarcia soczewki

Apertura zwykle używanych obiektywów 0,1-0,9

Stosowanie zbyt dużego powiększenia okularu w trakcie obserwacji mikroskopowych nie ujawnia nowych szczegółów i jest to powiększenie puste, zbyt małe powiększenie obiektywu powoduje nieujawnienie wszystkich szczegółów mikrostruktury. Konieczny jest dobór okularu i obiektywu do badań mikroskopowych, najkorzystniejszy w danych warunkach i uwzględniający aperturę mikroskopu – powiększenie użyteczne mikroskopu.
Dla światła widzialnego powiększenie użyteczne Pu=500-1000A.
Praktycznie dobiera się obiektyw, aby powiększenie użyteczne <750A.

3. Obserwacja w jasnym i ciemnym polu widzenia.

• Obserwacja w polu jasnym (pryzmat)

Podstawową metodą badań mikroskopowych stanowi obserwacja powierzchni zgładu w polu jasnym. Pole jasne jest skutkiem oświetlenia powierzchni próbki wiązką światła prostopadłego do jego powierzchni

• Obserwacja w polu ciemnym (płytka szklana)

Przy oświetleniu wiązką światła padającą ukośnie powierzchnię próbki obserwuje się w polu ciemnym. Otrzymany obraz stanowi negatyw obrazu w stosunku do obrazu widocznego w polu jasnym. Ta metoda obserwacji umożliwia zwiększenie zdolności rozdzielczej a poprzez to ujawnienie drobnych szczegółów budowy, wyraźniej widocznych na ciemnym tle. Jest stosowana w przypadku obserwacji wtrąceń niemetalicznych. W badaniach mikroskopowych stosowana jest technika obserwacji w świetle ukośnym. Obraz jest obserwowany w polu jasnym ale oświetlenie wywołuje cienie, które uwidaczniają względną wysokość szczegółów powierzchni.

4. Obserwacje w jasnym i ciemnym polu widzenia zaobserwowane podczas zajęć

a) Jasne pole widzenia

b) Ciemne pole widzenia