Лабораторна робота № 5

Тема:Вивчення будови та принципу роботи металографічного мікроскопа.

Мета роботи:Ознайомитися з методикою мікродослідження металів і сплавів. Вивчити будову металографічного мікроскопа і навчитися ним користуватися при мікродослідженні металів і сплавів.

Необхідні прилади, матеріали та інструменти:

1. Металографічний мікроскоп МІМ-7.

2. Мікрошліфи різних металів і сплавів.

3. Інструкція до мікроскопа МІМ-7.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Мікродослідження металів. Як відомо властивості металів і сплавів залежать не тільки від хімічного складу, але і від структури та характеру її перетворень.

Для визначення властивотей металів використовуються різні методи досліджень. Основним з них є структурний метод дослідження, за допомогою якого можна визначити структуру металу, окремі елементи структури, найменші розміри яких не перевищують 10^-8 см.

До структурних методів дослідження відносяться: макроскопічний, мікроскопічний і рентгенівський аналізи.

Мікродослідженя – це дослідження металів і сплавів при великих збільшеннях з метою виявлення внутрішньої будови, тобто його структури.

Вивчення структури металів і сплавів проводиться на металографічних і електронних мікроскопах.

Короткі відомості з теорії мікроскопів.

Оптичним мікроскопом називається прилад, який складається з двох систем лінз, об’єктива і окуляра. Мікроскоп використовується для збільшення предметів,що розглядаються.

Мікроскопи, які працюють на відбитому світлі від розглядуваного предмета називаються металографічними. Вони дозволяють вивчати мікроструктуру металів і сплавів.

У металографічному мікроскопі розглядуваний предмет розміщується перед об’єктивом. Промені, відбившись від предмета і пройшовши через об’єктив, переломившись, дають обернене збільшене, дійсне зображення. При розглядувані в окуляр отримують кінцеве зображення уявне, обернене і збільшене.

Зображення проектується на віддалі нормального зору людини 250 мм.

Якість мікроскопа визначається такими характеристиками:

• можливим збільшенням;

• якістю зображення (вирішаюча здатність мікроскопа).

Збільшення мікроскопа.Збільшення мікроскопа дорівнює добутку збільшення об’єктива на збільшення окуляра, тобто:

V_M = V_OKV_OБ, або V_M = ,

де: L – довжина тубуса;

F_ОБ і F_ОК – фокусна віддаль об’єктива і окуляра;

250 – найменша віддаль нормального зору у мм.

Максимальне збільшення сучасних металографічних мікроскопів досягається у 4165 разів.

Вирішаюча здатність мікроскопа. Вирішаючою здатністю мікроскопа називається найменша віддаль між двома точками, які чітко видно під мікроскопом. Максимальна вирішаюча здатність системи із умов дифракції рівна:

α=,

де: λ – довжина хвилі світла;

А – числова апертура, яка рівна:

А=n sinφ,

де: n – показник заломлення середовища;

φ – половина отвірного кута об’єктива.

Чим більша числова апертура, тим більшою буде вирішаюча здатність мікроскопа.

Числова апертура тим більша, чим більший кут.

Отвірний кут об’єктива. Гранична величина отвірного кута дорівнює 90 ˚, а показник заломлення повітря n=1. Для збільшення вирішаючої здатності мікроскопа між поверхнею об’єктива і розглядуваним предметом розміщують середовище з більш високим коефіцієнтом заломлення, наприклад, кедрове масло n=1,52. У даних умовах числове значення вирішаючої здатності мікроскопа таке:

α=≈2000А^о ≈0,0002 мм.

Таким чином, в оптичний мікроскоп не можна побачити частинки величиною меншою, ніж 0,0002 мм. Корисне збільшення мікроскопа М дорівнює відношенню вирішаючої здатності людського ока до вирішаючої здатності мікроскопа, тобто:

М==1500 разів.

Отже, найменший розмір частинок, які можна розглядати в оптичному мікроскопі, не визначається загальним збільшенням, а залежить тільки від корисного збільшення за рахунок зменшення довжини хвилі використовуваного світла.

Так при використанні електронних променів, які мають дуже малу довжину хвилі, можна побачити дрібніші частинки, ніж в оптичному мікроскопі. Довжина хвилі електронних променів залежить в основному від швидкості руху електрона:

λ=

де h - постійна Планка;

m - маса електрона;

V_e - швидкість електрона.

Змінюючи швидкість електронів за допомогою електричного поля високої напруги, можна одержати довжину хвилі до 0,05 А⁰, а вирішаюча здатність 30·10^-8 см. Тому у даний час для дослідження металів використовуються не тільки оптичні мікроскопи, але і електронні з корисним збільшенням до

100 000 раз.

Геометричні неточності зображення.Прості лінзи не дають ідеальних зображень через сферичну і хроматину аберації. Явище сферичної аберації полягає у тому, що промені, які переходять через край лінзи і центральну її частину, несходяться в одній точці у результаті чого зображення одержується нечітке. Для зменшення сферичної аберації при виготовленні оптичних приладів об’єднують збираючі і розсіюючі лінзи.

Явище хроматичної аберації полягає тому, що різного кольору промені, з яких складається промінь білого світла, при заломленні не збираються в одній точці. У результаті чого зображення променя одержується не у вигляді точки, тому погіршує чіткість зображення.

Будова металографічного мікроскопа МІМ–7.

Для дослідження мікроструктури у даний час використовують мікроскопи типу МІМ–7, як вертикальні, так і горизонтальні. У даній роботі вивчається будова вертикального мікроскопа МІМ–7

Мікроскоп МІМ–7 можна поділити на дві частини: механічну і оптичну.

До механічної частини мікроскопа відноситься: корпус, предметний столик, тубус, макро-і мікрометричні гвинти наведення. Корпус мікроскопа складається з верхньої частини з ілюмінаторним тубусом, предметним столиком, механізмами грубого і мікрометричного наведення і нижньої частини корпусу з фотокамерою і основою.

Мікрошліф ставиться на предметний столик, який має хрестоподібне переміщення на 15 мм. У центрі столика встановлюються змінні прокладки з отворами різних розмірів, через які промені попадають на мікрошліф і відбиваються. Наведення зразка на фокус проводиться макро-і мікрометричним гвинтами. Для запобігання самовільного піднімання предметного столика є гвинт-фіксатор.

До оптичної частини (рис. 5.1) відноситься об’єктив, окуляр, джерело світла з ілюмінатором і призмами.

Об’єктиви.Основною характеристикою об’єктива є його фокусна віддаль, чим вона коротша, тим більше збільшення об’єктива.

Найбільш сильні об’єктиви сучасних вітчизняних металографічних мікроскопів мають фокусну віддаль ≈ 2 мм, а найменш сильні ≈ 23 мм.

Об’єктив складається з декількох лінз (6, 11,16,22), але збільшення дає передня лінза об’єктива, яка називається фронтальною лінзою. Всі основні лінзи виправляють оптичні недоліки, які створює фронтальна лінза.

Об’єктиви поділяються на сухі і мокрі. Об’єктиви називаються сухими, якщо між досліджуваним предметом і фронтальною лінзою знаходиться повітря. Якщо між досліджуваним предметом і фронтальною лінзою знаходиться рідина, то об’єктив називається імерсійним.

Об’єктиви у даному мікроскопі встановлюються в отвір центрального ілюмінатора.

Рис. 5.1. Оптична схема мікроскопа МІМ – 7.

1,4,21 – дзеркала, 2 – матове скло, 3 – фотоокуляр, 5 – окуляр,

6,11,16,22 – лінзи, 7 – аналізатор, 8 – відображальна пластинка,

9 – об’єктив, 10 – мікрошліф, 12 – пентапризма, 13 – польова діафрагма,

14 – затвор, 15 – поляризатор, 17 – апертурна діафрагма,

18 – світлофільтр, 19 – колектор, 20 – лампа розжарювання.

Окуляри.Конструкція окулярів простіша, ніж об’єктивів. Фокусна віддаль окулярів буває в межах 12-30 мм, що відповідає збільшенню від 3 до 30 разів. Окуляри поділяються на прості, компенсаційні і проекційні. Прості окуляри складаються з двох плосковипуклих лінз, між якими поміщена діафрагма. Компенсаційні окуляри більш складні і використовуються з апохроматичними об’єктивами. Проекційні окуляри використовуються при фотографуванні мікрошліфів.

Освітлювальна система. Освітлення мікрошліфа проводиться через об’єктив спеціальної освітлювальної системи, яка складається з джерела світла, серії лінз, світлофільтрів і діафрагм. У даному мікроскопі лампа освітлення знаходиться у середині кожуха освітлювача, на якому є сфітлофільтр. Лампа живиться струмом від понижуючого трансформатора.

Робота на мікроскопі.У залежності від предмета дослідження вибирають потрібне збільшення. Підготовлений мікрошліф ставлять на предметний столик, вмикають освітлення і проводять наведення на фокус, що досягається підніманням і опусканням предметного столика гвинтами грубого і тонкого наведення, досягнувши нормального і чіткого зображення, розглядють мікроструктуру.

Фотографування мікроструктури.Спочатку потрібно перевести зображення на матову пластинку фотокамери за допомогою ручки, вивести на себе тубус до відказу. У залежності від потрібного збільшення вибрати об’єктив і фотоокуляр. Обертанням ручки вивести в хід променів мікроскопа фотоокуляр потрібного збільшення. Поставити матову пластинку на фотокамеру і сфокусувати зображення на матовій пластинці.

Вийняти матову пластинку, вставити замість пластинки касету і провести фотографування.

Елементи навчально-дослідної роботи.

При виконанні вказаної лабораторної роботи студентам необхідно звернути увагу на проблеми: мета проведення мікроскопічного дослідження металів і сплавів; виготовлення мікрошліфів з різних металів; виготовлення фотографій мікроструктури металів і сплавів за допомогою металографічного мікроскопа; налагодження та регулювання металографічного мікроскопа для дослідження мікроструктури металів і сплавів.