Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

Максимальное

полезное увеличение микроскопа достигается в том

случае, если d имеет максимальное значение, когда при постоянной

длине волны света X величина п sin а/2, называемая числовой

апертурой,

будет

максимальной. Поэтому надо стремиться

наибольшим величинам

угла

а/2 и коэффициента преломления п.

Обычно в микроскопе

ведут

наблюдения в воздушной среде (п = 1)

с обычными, так называемыми сухими объективами. Для полу-

чения

больших увеличений

между

поверхностью объектива и рас-

сматриваемым предметом создают

среду,

имеющую высокий

коэф-

фициент

преломления (кедровое масло, в котором п достигает

1,52).

В последнем

случае

применяют специальные иммерсионные объек-

тивы, пригодные для работы с кедровым маслом. Тогда разреша-

ющая способность оптической системы достигает

d =

°°°

, = 0,2 мкм

(0,0002

мм),

а максимальное полезное увеличение оптической системы составит

М = djd =

0,3/0,0002

= 1500.

Для четкого изображения объектива надо, чтобы общее увеличе-

ние

не превосходило полезное увеличение системы. Полезное уве-

личение в данной оптической системе для видимого света можно

принять

равным ЮО^апертур взятого объектива. Так, для объектива

с апертурой 0,65 полезное увеличение оптической системы равно 650.

Поскольку

этот объектив

дает

увеличение в 40 раз, то увеличение

окуляра не должно быть больше 15 раз. Если же, работая с этим

объективом и выбирая окуляр с большим увеличением, исследова-

тель попытался получить увеличение, например, в 1000 раз, то новые

детали структуры не только не

будут

обнаружены, но и те, которые

наблюдались при увеличении 600,

будут

менее четкими, так как

полезное увеличение превзойдено. Для увеличения в 1000 раз надо

выбрать объектив с большей числовой апертурой (например

1,25),

которая

всегда указана наряду с увеличением объектива на его

оправе. Тогда полезное увеличение в оптической системе, исполь-

зующей этот объектив, может быть до 1250 раз.

Общее увеличение (и

), которое

дает

микроскоп, можно принять

равным произведению увеличений окуляра и объектива.

Максимальное

увеличение современных микроскопов при 25-

кратном

увеличении окуляра (компенсационного) и минимальном

250

фокусном расстоянии объектива 1,5 мм достигает v

= у-= 25 =

4165 раз,

тогда

как полезное увеличение почти в три раза меньше.

Общее увеличение микроскопа можно проверить опытным путем

с помощью объект-микрометра — линейки, на которой нанесен

мм, разделенный на 100 частей. Если вместо шлифа перед объек-

тивом установить объект-микрометр, то в окуляр

будет

отчетливо

видна его сетка делений. Сравнивая деления масштабной линейки

с диаметром видимого в окуляре круга, на котором проецируются

деления объект-микрометра, можно на глаз определить диаметр

этого

круга.

Предположим, что диаметр этого

круга

150 мм и видны

15 делений, т. е. 0,15 мм,

тогда

увеличение микроскопа v

150/0,15

= 1000. Это определение может быть более точным,

если над окуляром установить оптическое зеркало таким образом,

чтобы отражение от зеркала падало на лист бумаги; это позволит

точно измерить диаметр освещенного

круга

окуляра. Можно также

определить увеличение микроскопа при фотографировании, если

изображение шкалы объект-микрометра проецировать на матовое

стекло фотокамеры. Измерив масштабной линейкой или

лучше

штангенциркулем расстояние

между

определенным числом делений

объект-микрометра (на матовом стекле) и разделив это число на

действительное (не увеличенное) расстояние

между

этими делениями

на

объект-микрометре,

получают

увеличение микроскопа при данном

растяжении фотокамеры.

В практике металлографического исследования применяют оку-

ляр-микрометр,

т. е. окуляр, в который вставлена стеклянная

пластинка,

разделенная на некоторое число делений, обычно через

0,1 мм. Применяя одновременно и объект-микрометр и окуляр-

микрометр,

можно точно определить цену деления шкалы окуляр-

микрометра.

Для этого окуляр-микрометр вращают таким образом, чтобы

его шкала совпала со шкалой объект-микрометра. Затем, вращая

винты

предметного столика, совмещают начальные деления этих

шкал

или

другие

деления, принятые в качестве

нулевых,

и подсчи-

тывают

число делений на определенном

участке

(желательно наи-

большем) до совпадения конечных делений обеих шкал. В этом слу-

чае цена одного деления окуляр-микрометра (D) равна

D = гТ/А,

где г — цена деления шкалы объект-микрометра;

Т, А — число делений объект- и окуляр-микрометра от началь-

ных до конечных взаимно совмещенных делений.

Так,

например, если число делений объект-микрометра на рав-

ном

участке

с окуляр-микрометром до взаимного совпадения деле-

ний

равно 10, а окуляр-микрометра 60 и цена одного деления объект-

микрометра, как заранее известно, равна 0,01 мм, то

D = в'

0,002

мм, т. е. 2 мкм.

Отсюда

увеличение микроскопа

= zlD = 0,01

мм/0,002

мм = 50.

Зная

увеличение всей оптической системы (т. е. увеличение объек-

тива и окуляр-микрометра), можно с помощью окуляр-микрометра

зрительно определить протяженность какой-либо резко отлича-

ющейся структурной области, что необходимо, например, при иссле-

довании или контроле химико-термической обработки стали (цемен-

тации,

азотирования и т. д.) и определении глубины насыщенного

поверхностного слоя.

Осветительная

система

Шлиф

освещают

обычно через объективы, применяя специальную

осветительную систему, состоящую из источника света, серии линз,

светофильтров и диафрагм.

В качестве источников света используют низковольтные электри-

ческие лампы накаливания и реже лампы напряжения ПО—120 В;

переменного и постоянного тока, а также электрическую

дугу

(дуго-

вые лампы). В последнее время применяют мощные ртутные лампы:

высокого давления яркостью до

2500

стильбов. Для уменьшения!

рассеяния

световых лучей и повышения четкости изображения в осве-

тительную систему введены дополнительные линза и конденсор, кон-

центрирующие пучок лучей на рассматриваемом участке микрошлифа.

Диафрагмы ограничивают сечение светового пучка, а свето-

фильтры (цветные, матовые или дымчатые стеклянные пластинки)

отбирают лучи требуемой длины волны, т. е. определенного цвета,

позволяют установить нужную интенсивность освещения с тем,

чтобы избежать излишнего утомления глаз наблюдателя.

Человеческий глаз обладает неодинаковой чувствительностью

разным цветам спектра; наибольшей чувствительностью он обла-

дает

к желто-зеленым цветам. Поэтому применение желто-зеленого

светофильтра, отфильтровывающего

другие

составляющие белого

света, позволяет более четко наблюдать особенности структуры.

Желто-зеленые светофильтры уменьшают хроматическую аберрацию

и,

кроме того, выделяя лучи с меньшей длиной волны, повышают

разрешающую способность объектива.

Различают исследования структуры в темном и свет-

лом поле.

При

исследовании в темном поле применяют эпиобъективы,

имеющие вокруг оправы с объективными линзами параболическое

зеркало,

на которое падают только краевые лучи от источника

света. Таким образом, освещение здесь

будет

осуществляться не

через объектив, а с помощью параболического зеркала. В последнем

случае

от поверхности шлифа в объектив отразится только часть

лучей, имеющих диффузный характер. Эти лучи

будут

отражаться

только от некоторых фаз, обычно выступающих над остальной

поверхностью объекта, и поэтому их можно подробно изучить,

тогда

как

остальные фазы

будут

более темными. Таким образом, исследо-

вание в темном поле обычно не

дает

полной характеристики струк-

туры

и его

следует

рассматривать как дополняющее основное изу-

чение в светлом поле.

При

микроанализе для большинства металлов и

других

непроз-

рачных материалов и сплавов применяют наблюдение всветлом

поле,

т. е. при вертикальном освещении

, когда световые лучи

Разновидностью освещения является косое освещение. Оно достигается сме-

щением

апертурной диафрагмы или источника света. При таком косом освещении вы-

ступающие участки на поверхности микрошлифа оказываются более светлыми и от-

брасывают более резкую тень на остальную поверхность микрошлифа. Последняя,

кроме того, в меньшей степени отражает

лучи

при косом освещении и, таким образом,

еще больше возрастает контрастность изображения.

попадают на мйкрошлиф через объектив, который собирает их на

поверхности шлифа.

Вследствие того что при травлении поверхность микрошлифа

становится неровной (в

результате

неодинаковой травимости разных

фаз),

отражение света от отдельных участков оказывается раз-

личным. Это позволяет получить представление о всей

структуре

сплава.

Контрастность изображения достигает максимума в том случае,

когда косые лучи образуют полый конус, что достигается введением

кольцевой апертурной диафрагмы. При этом используется вся

апертура объектива.

Контрастность рельефных

структур

дополнительно повышается

при

использовании фазово-контрастной приставки к микроскопу.

В этом

случае

лучи, отраженные от нижележащих участков рельефа

структуры, т. е. проходящие больший путь, изменяют фазу коле-

баний

по сравнению с лучами, отраженными от выступающих уча-

стков. В этом

случае

вследствие различия свойств фаз или областей

зерна (т. е. выступающих и нижележащих) создается небольшое

различие в фазе отраженных световых лучей. Это различие искус-

ственно увеличивается (в предельном

случае

до л/2) с помощью

фазовой пластинки, которую устанавливают в фокальной плоскости.

Таким образом возникает резкий контраст.

Для зрительного наблюдения и фотографирования применяют

также и поляризованный свет, т. е. свет, волны которого находятся

в одной определенной плоскости.

Для наблюдения в поляризованном свете микроскопы имеют два

полярофильтра; один из них, являющийся поляризатором,

уста-

навливают близко к источнику света (лампе) на пути

хода

лучей,

другой

полярофильтр-анализатор, концентрирующий отраженные

микрошлифом поляризованные лучи, укрепляют перед окуляром

или

между

объективом и окуляром. Если объект оптически изотро-

пен,

то при соответствующем взаимном положении поляризатора

анализатора (положение скрещенных николей) можно добиться

полного поглощения света. Однако если кристаллиты оптически

анизотропны, то в указанном

случае

полного погашения не проис-

ходит

и отдельные кристаллиты оказываются светлыми, а

другие

темными. С помощью поляризованного света изучают сплавы, со-

стоящие из фаз с кристаллической решеткой некубической системы,

а также неметаллические аключения. Если включения прозрачны,

отраженный свет частично преломляется на их внешней и внутренней

поверхностях и не поляризуется. Поэтому при скрещенных николях

включение кажется светлым пятном или окрашенным (например,

включения закиси меди в сплавах меди кажутся красными) в ре-

зультате

интерференции. По прозрачности включения, его окраши-

ванию или анизотропности можно судить о его природе.

Для фотографирования структуры выбирают инте-

ресующее исследователя место шлифа, а затем отраженные о-т микро-

шлифа лучи света направляют в фотокамеру через проекционный

окуляр.

Фотокамеры применяют различной конструкции с постоянным

переменным растяжением

меха,

т. е. с постоянным или изменя-

ющимся в определенных

пределах

расстоянием

между

окуляром и

фотопластинкой или фотопленкой.

Продолжительность освещения фотопластинки устанавливают

в зависимости от степени освещенности

структуры,

интенсивности

освещения, увеличения объектива, чувствительности фотопластинок

т. д. Обычно для микроскопа каждого типа время выдержки опре-

деляют

опытным

путем

Для фотографирования микроструктуры применяют чаще всего

ортохроматические фотопластинки, обладающие цветовой чувстви-

тельностью.

После фотографирования применяют обычные в фотографии

приемы: проявление, фиксирование, промывание негатива и печа-

тание позитивного изображения на

фотобумагу.

Механическая

система

микроскопа

Металлографический микроскоп имеет штатив,

тубус

и предмет-

ный

столик (см. рис. 34). Шлиф устанавливают на предметном гори-

зонтальном столике так, чтобы обеспечить перпендикулярное рас-

положение подготовленной для исследования поверхности шлифа

Рис. 34. Общий вид микроскопа

МИМ-7:

а — вид со стороны трансформатора; б — вид со стороны фотокамеры; /

—

— см. рис. 33;

— плита; 27 — основание или корпус фотокамеры; 28 — фотокамера; 29 — фонарь освети-

теля;

30 — винты, центрирующие лампу; 31 — диск со светофильтром; 32 — рукоятка для

поворота

диска с тремя фотоокулярами; 33 — рукоятка для смещения и поворота ирисдиаф-

рагмы

5; 34 — винт, фиксирующий поворот диафрагмы 5; 35 — корпус микроскопа; 36 — пред-

метный

столик; 37 — макрометрический винт для вертикального перемещения столика; 38 —

стопорное

устройство для макровинта; 39 — визуальный тубус; 40 — микрометрический винт.

— осветительный тубус; 42 — рукоятка полевой ирисдиафрагмы; 43 — механизм центри-

ровки;

44 — винты для перемещения предметного столика в

двух

взаимно перпендикулярных

направлениях

новых

конструкциях

микроскопов

и, в

частности,

«Неофот-2»

(см.

ниже)

выдержку

можно

устанавливать

автоматически

(см. с. 71).

по

отношению к оптической оси объектива. В центре столика

уста-

навливают сменные подкладки с отверстием разного размера, через

которое лучи света попадают на шлиф и отражаются от него.

Столик

можно передвигать в

двух

взаимно перпендикулярных

горизонтальных плоскостях с помощью специальных винтов 5;

это

позволяет перемещать шлиф на нужное расстояние (до 15 мм)

просматривать микроструктуру в различных

участках

без изме-

нения

выбранного фокусного расстояния

Для получения более четкого изображения шлиф, установленный

на

столике, наводят на фокус. Для этой цели в штативе микроскопа

имеется макрометрический винт 37 (см. рис. 34), вращением которого

поднимают или опускают столик, обеспечивая приблизительное

фокусирование.

Точное фокусирование достигается микрометри-

ческим винтом 40, один оборот которого смещает объектив к шлифу

на

доли миллиметра (в большинстве конструкций микроскопов деле-

ние

барабана микровинта равно 2 мкм). Чем больше увеличение

объектива, тем меньше должно быть расстояние

между

шлифом и

объективом.

Типы

металлографических

микроскопов

По

устройству различают микроскопы вертикальные и горизон-

тальные.

В вертикальном микроскопе МИМ-7 (см. рис. 33 и 34) можно

вести исследование в темном или светлом поле, при вертикальном

или

косом освещении, а также в поляризованном свете. Увеличение

микроскопа

МИМ-7 составляет от 60 до 1440.

Свет от мощной лампы 1 типа К 30 напряжением 17 В мощностью

170 Вт, включаемый через понижающий трансформатор ТР-17 *,

проходит через коллектор 2, попадает на зеркало 3 и через апер-

турную

диафрагму 5, линзу 6, призму 7 и линзу 8 поступает на

плоскопараллельную отражательную пластинку 9, отражающую

около

всего светового потока, а затем через объектив на шлиф //.

Отразившись от шлифа, расположенного в фокальной плоскости

объектива, лучи вновь попадают в объектив, проходят параллель-

ным

пучком через плоскопараллельную пластинку 9 и

в ахро-

матическую линзу 12 и, отразившись от зеркала 14, поступают

окуляр 13.

Для фотографирования зеркало 14 выдвигают вместе с

тубусом

визуального'наблюдения, и лучи проходят через один из

трех

фото-

окуляров 15, которые находятся в одном поворачивающемся диске.

Отражаясь от зеркала, лучи попадают иа матовое стекло или на

фотопластинку 17. Для фотографирования используют фотоза-

твор 19.

Если

наблюдение проводят при косом освещении, то с оптической

оси

смещают апертурную диафрагму и лампу. Для исследования

микроскопе

ММР-2

имеется столик с автоматическим устройством (см.

ниже).

Трансформатор является

секционным,

и это позволяет регулировать яркость

накала

лампы.

в темном поле вместо линзы 8 включают линзу 20, в центре которой

имеется черный кружок. Краевые

лучи

падают

на кольцевое зеркало

21 (пластинка 9 закрывается экраном 23), отразившись от которого

они

концентрируются параболическим зеркалом 22, расположенным

вокруг объектива и представляющим с ним одно целое (эпиобъектив).

От зеркала 22

лучи

падают

на шлиф, но отражаются только от вы-

ступающих фаз.

Для наблюдения в поляризованном

свете

на оправку линзы 6

помещают поляризатор 24, а на оправку линзы 12 — анализатор 25.

Горизонтальный микроскоп МИМ-8 и МИМ-8М

(рис.

35) имеет оптическую систему с увеличением при зрительном

Рис. 35. Общий вид микроскопа

МИМ-8:

/ — большая оптическая скамья; 2 — лампа накаливания; 3 — тепловой фильтр;

4 — откидная линза; 5 — светофильтр; 6 — микроскоп; 7 — фотокамера; 8 — реостат

наблюдении от 100 до 1350 раз и от 45 до

2000

при фотографировании,

обеспечивая высокую четкость изображения. В микроскопе при-

меняют как ахроматические, так и апохроматические объективы

сухие

и иммерсионные. Для ахроматических объективов применяют

обычные окуляры с просветленной оптикой (что увеличивает

коэф-

фициент

пропускания света и повышает контрастность изображения)

компенсационные для апохроматических объективов. При работе

с ахроматическими и апохроматическими объективами применяют

светло-желтые светофильтры для получения более четкого изобра-

жения при фотографировании и для уменьшения резкости света при

зрительном наблюдении.

Микроскоп

МИМ-8 позволяет изучать

структуру

в светлом и

в темном поле, а также в поляризованном свете. Источником света

является острофокусная лампа накаливания мощностью 170 Вт.

На

рис. 36 показано устройство микроскопа. Ближе к источнику

света помещен откидной поляризатор / для исследования шлифов

в поляризованном свете, затем апертурная диафрагма 2, линза

иллюминатора, полевая и кольцевая диафрагмы 3, установленные

на

одной пластинке. Для исследования в темном поле пластинку

вставляют так, чтобы кольцевая диафрагма находилась на пути

лучей

и отделяла только краевые лучи.

Для исследования в поляризованном свете включают поляри-

затор 7 и анализатор 18 (рис. 37).

В передней части микроскопа располагается рукоятка 8 (см.

рис.

36), при перемещении которой от наблюдателя включается

призма для фотографирования вместо плоскопараллельной пла-

стинки.

С правой стороны микроскопа имеется рукоятка 12 для

перевода призмы зрительного

наблюдения на получение

изображения в фотокамере.

Шлиф

освещается (см.

рис.

37) через объектив от

плоскопараллельной пла-

стинки

или секторной призмы,

которая устанавливается,

если необходимо повысить

яркость освещения для фото-

графирования. Поскольку

при

введении призмы умень-

шается разрешающая способ-

ность объектива, ее приме-

няют при сравнительно мень-

ших увеличениях микроскопа

(до

500—600

раз). Необходи-

мая яркость при больших

увеличениях достигается

включением лампы КЗО при

использовании плоскопарал-

лельной пластинки (а не приз-

мы).

При исследовании образ-

цов в светлом поле (при вер-

тикальном освещении) лучи

света проходят через систему линз и диафрагм, падают на плоско-

параллельную пластинку, расположенную под

углом

45°, и, отра-

жаясь от нее, освещают через объектив микрошлиф. Лучи, отражен-

ные поверхностью микрошлифа, проходят снова через объектив, пла-

стинку и ахроматическую линзу.

При

зрительном наблюдении свет, падая на призму 18 (см. рис. 37),

отражается от нее и через окуляр попадает в глаз наблюдателя.

При

фотографировании с небольшими увеличениями световые лучи

направляют на призму // и от нее через объектив на микрошлиф:

отраженные микрошлифом лучи проходят через две призмы 19

фотоокуляр 20 в фотокамеру.

При

проведении исследования в темном поле световые лучи

проходят через дополнительную линзу 4, кольцевую диафрагму 16,

и,

отражаясь от алюминированного зеркала, расположенного вокруг

плоскопараллельной пластинки, падают на конденсор с отражающей

параболической зеркальной поверхностью, от которой лучи направ-

ляются под

углом

на микрошлиф 15, минуя объектив. Отражен-

ные от микрошлифа лучи проходят через объектив, плоскопарал-

Рис.-36.

Устройство микроскопа

МИМ-8:

/ — поляризатор; 2 — апертурная диафрагма;

— полевая и кольцевая диафрагмы; 4 — столик

микроскопа; 5 — винты, передвигающие столик

со шлифом; 6 — площадка для установки объекти-

ва; 7 — объектив; 8 — рукоятка для включения

призмы вместо плоскопараллельной пластинки;

— окуляр; 10 —

тубус

для зрительного наблю-

дения;

// — фототубус; 12 — рукоятка перевода

призмы зрительного наблюдения' для фотографи-

рования;

13 — микрометрический винт; 14 — сто-

пор;

15 — микрометрический винт; 16 — рукоятка

для ввода анализатора

лельную пластинку, ахроматическую линзу и далее по схеме, при-

веденной для просмотра и фотографирования в светлом поле.

Фотокамера микроскопа состоит из собственно камеры,

меха

(его растяжением от 160 до 660 мм

регулируют

увеличение при

фотографировании),

фотозатвора и переходной втулки. Кассеты

с фотопластинками устанавливают за камерой или в боковой ее

стенке;

соответственно выбирают положение матового стекла. При

этом применяют либо двусторонние кассеты размером 13x18 см,

либо односторонние размером 9x12 мм. Изображение проецируется

на

заднюю или боковую стенки фотокамеры откидным зеркалом,

Тубус

визуального наблюдения

установленным в камере и рас-

(вид слева)

у$ полагающимся под

углом

45°

оси фототубуса.

В настоящее время в лабо-

раториях применяют более со-

Рис. 37. Микроскоп

МИМ-8;

оптическая схема

вершенную модель этого микроскопа МИМ-8М. В этом микроскопе

можно перемещать конденсор в осветителе (что повышает резкость

освещения),

причем по-разному в зависимости от того, в светлом

или

темном поле

будет

происходить наблюдение.

Для получения фазового контраста на микроскопах МИМ-8

МИМ-8М может быть установлена фазово-контрастная насадка

КФ-3.

Ее закрепляют на патрубке микроскопа после снятия фото-

тубуса,

а на апертурную диафрагму (см. рис. 37) надевают оправку

с кольцевой диафрагмой.

Для фотографирования выдвигают

тубус

визуального наблюде-

ния

(см. рис. 37), внизу которого под

углом

45° установлено зеркало,

затем к зажиму, где установлен фотоокуляр, придвигают фото-

камеру.

В новых конструкциях микроскопов, например ММР-2 (рис. 38),

принято

верхнее расположение предметного столика (/). В этом

микроскопе

можно визуально (2) и на экране 9x12 мм (4) изучать

структуру

металлов и

других

непрозрачных материалов в светлом

темном поле и в поляризованном свете (осветитель (3) с лампой

накаливания

ОШ2-100). В отличие от микроскопов МИМ-7 и МИМ-8

объективы (планахроматы) установлены в револьверном устрой-

стве (5).

Микроскоп

ММР-2 снабжен двумя предметными столиками с руч-

ным

и автоматическим перемещением с помощью специального

программного устройства (6). Время прохождения любой точки

объекта через поле окуляра 3—4 с, что удобно для количественных

расчетов элементов структуры. Увеличения микроскопа от 100 до

1000 раз.

Фотографирование объектов может быть на фотопластинку 9x12

на пленку при использовании фотокамеры «Зоркий-4».

Рис. 38. Микроскоп ММР-2

В горизонтальном микроскопе «Неофот-2» (К. Цейсе, ГДР) можно

изучать в отраженном свете строение любых непрозрачных объектов

при

увеличении до

2000

раз (рис. 39). Для наблюдения структуры

светлом и темном поле имеются два осветителя — для малых

увеличений

(10—50

раз) и для больших увеличений

(50—2000

раз)

темном поле и в поляризованном свете и при использовании при-

способлений

для фазового контраста. Кроме того, имеется освети-

тель для специальных поляризационных наблюдений. В качестве

источников

света используют лампу накаливания 12

ВхЮО

Вт

или

ксеноновую лампу сверхвысокого давления

ХВО-100.

Объект

для изучения устанавливают на прецизионном предметном столике,

который

связан с рычажным приспособлением для быстрого подъема

столика с целью смены объективов. Объективы — планахроматы

с увеличением от 1,25 до 100 раз (при числовой апертуре от

0,025

до

1,30),

планапохроматы с увеличением от 10 до 100 раз (числовая

апертура

0,25—1,35)

и планахроматы для специальной поляриза-

ции

с увеличением от 6,3 до 100. Объективы согласованы

между