10

Лабораторна робота №4

Тема: властивості металів.

Мікроскопічний аналіз металів

Мета роботи: одержати навички самостійно проводити мікроскопічний аналіз металів.

Завдання до роботи

1. Вивчити суть мікроскопічного аналізу металів.

2. Вивчити оптичну схему металографічного мікроскопа ММР-2Р і ознайомитися з його конструкцією.

3. Отримати візуальне зображення мікрошліфа сплаву по вибору викладача.

4. Зарисувати мікроструктуру вибраного матеріалу.

Обладнання і матеріали

Металографічний мікроскоп ММР-2Р, досліджувані зразки.

Теоретична частина

Завдання мікроаналізу.

Під мікроаналізом розуміють вивчення будови металів і сплавів за допомогою металографічного мікроскопу з великим збільшенням (до 2000 разів). За допомогою мікроаналізу визначають:

а) форму і розміри кристалічних зерен, з яких складається метал чи сплав;

б) зміну внутрішньої структури сплава, що відбувається при його термічній , хіміко-термічній і механічній обробці;

в) мікродефекти металу - мікротріщини, раковини і т.п., неметалічні включення в ньому (сульфіди, оксиди і т.п.);

г) хімічний склад деяких структурних складових по їх характерній формі і характерному забарвленню спеціальними реактивами.

Для мікроскопічного аналізу із досліджуваного матеріалу вирізають зразок і шляхом ряду операцій (шліфування, полірування, травлення) доводять до такого стану, коли при розгляді його в металографічний мікроскоп виявляється його мікроструктура. Підготовлена таким чином для досліджень поверхня зразка називається мікрошліфом. Оскільки процеси шліфування та полірування детально будуть розглянуті на старших курсах (в курсі “Технологія оптичних приладів”), розглянемо коротко опис процесу травлення.

Травлення поверхонь.

По дзеркальній поверхні зразка, отриманій після полірування, неможливо визначити структуру металу чи сплаву. Лише неметалічні включення (сульфіди, оксиди, графіт в чавуні) внаслідок їх забарвленості в різні кольори добре виділяються на світлому фоні полірованого мікрошліфа. Тому для аналізу мікроструктури, поліровану поверхню піддають травленню, тобто дії розчинів кислот, солей, основ. При травленні неоднорідні ділянки металу чи сплаву стають видимими під мікроскопом.

Виявлення структури металу чи сплаву травленням можливе завдяки різної розчинності складників досліджуваного сплаву і, як наслідок, різне забарвлення окремих структурних складових - зерен. Промені світла, опромінюючи протравлений мікрошліф, будуть по-різному відбиватися від різних структурних складових. Ті складові, що протравилися слабше, відбивають сильніше, тому в полі зору мікроскопа вони будуть здаватися світлими. Ті, що протравилися сильніше, розсіюють світло (ненапрямлене відбивання), менше променів вже досягає окуляра і тому вони будуть темнішими. На рис.1 наведена схема, яка пояснює видимість границь зерен під мікроскопом (а), та мікроструктуру металу з чіткими границями зерен (б) як наслідок неоднозначної взаємодії світла з поверхнею мікрошліфа.

а)

б)

Рис.4.1. Механізм формування зображення при роботі з мікрошліфом

Параметри мікроскопу.

Основними параметрами, що характеризують якість мікроскопа є збільшення та роздільна здатність.

Збільшення мікроскопа рівне добутку збільшень об’єктива (Г_об) та окуляра (Г_ок), тобто

Г_м=Г_обГ_ок (4.1)

Об’єктив збільшує досліджуваний об’єкт, а окуляр збільшує зображення, що отримується після об’єктиву, і не додає до нього ніяких нових особливостей структури, якщо вони не виявлені об’єктивом. Збільшення об’єктиву

Г_об=250/f_об , (4.2)

де 250 мм - стандартизована довжина тубуса, тобто віддаль між заднім фокусом об’єктиву і переднім фокусом F₂ окуляра, f_об - фокусна віддаль об’єктиву.

Роздільна здатність мікроскопу (здатність розрізняти найменші деталі предмету) визначається за формулою:

, (4.3)

де - довжина хвилі середини видимого діапазону спектру, =0,55 мкм, А - числова апертура об’єктиву, яка дорівнює

(4.4)

де n - коефіцієнт заломлення середовища, в якому знаходиться об’єкт спостереження (якщо в повітрі, то n=1), - половина апертурного кута (це кут, під яким з точки предмету, що знаходиться на оптичній вісі об’єктиву, видно крайні точки діаметра вхідної зіниці об’єктиву). Як правило, для металографічних мікроскопів максимальне значення апертурного кута становить 144⁰, а тому =72⁰ і sin 0,95. Значить, якщо n=1, то А_max=0,95, тоді згідно з (4.3) мкм.

Мікроскоп металографічний вертикальний ммр-2р (оптична схема).

Його оптична схема аналогічна оптичній схемі мікроскопу МИМ-7, що наведена на рис.4.2.

Рис. 4.2. Оптична схема мікроскопу МИМ-7.

Промені від джерела випромінювання 1 проходять через конденсор 2 і, відбившись від поворотного дзеркала 3, попадають на світлофільтр 4 (він може бути виведеним з ходу променів) з =0,55 мкм, потім на апертурну діафрагму 5 (для обмеження світлових пучків і покращення чіткості зображення), лінзу 6, фотозатвор 7 (якщо зображення буде фотографуватися). Для регулюванняя величини поля зору, яке розглядається на мікрошліфі, служить польова діафрагма 8. Далі промені повертаються на 90⁰ за допомогою пентапризми 9, проходять лінзу 10 (при спостереженні в світлому полі), або лінзу 22, центральна частина якої закрита непрозорою діафрагмою (при отриманні зображення в темному полі), відбиваються від напівпрозорого дзеркала 11, направляються в об’єктив 12 і на мікрошліф 13, який розміщений на предметному столику мікроскопа. Відбившись від досліджуваного мікрошліфа 13, промені знову проходять крізь напівпрозоре дзеркало 11 і лінзу 14. При візуальному спостереженні, в хід променів вводять дзеркало 15, яке відхиляє промені в сторону окуляра 16, в якому і спостерігається зображення мікрошліфа. Інші елементи оптичної схеми служать для отримання фотографії поверхні мікрошліфа. Ми їх не розглядаємо, оскільки фотографуватись об’єкт спостереження не буде.

Для спостереження в поляризованому світлі в оптичну систему включається аналізатор 20 і поляризатор 21. Оскільки ми будемо працювати в звичайному світлі, то ці елементи повинні бути виведені з ходу променів.