ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С
ПОМОЩЬЮ СВЕТОВОГО МИКРОСКОПА
(4 часа)
4.1 Цель работы: Знакомство с металлографическими микроскопами МИМ-7, МЕТАМ-23. В процессе выполнения работы студенты должны изучить устройство микроскопов, характеристики, оптические схемы, конструкцию. Освоить процесс фотографирования микроструктуры.
Основные теоретические положения
Микроскопический анализ металлов и сплавов
Микроскопический анализ металлов и сплавов заключается в исследовании микроструктуры и порошков металла с помощью оптического или электронного микроскопа.
Микроанализ был впервые применен в 1831 году П.П. Аносовым, установившим наличие определенной связи между микроструктурой и свойствами металлов. Применение микроскопа позволяет, прежде всего, расширить предел естественного восприятия глазом мелких объектов, т.е. разрешающей способности. Разрешающая способность глаза характеризуется разрешаемым расстоянием - минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видимы раздельно. Разрешаемое расстояние для невооруженного глаза составляет 0,2 мм.
Металлографический микроскоп позволяет рассматривать при увеличении непрозрачные тела в отраженном свете. Микроскоп - это оптический прибор, представляющий собой комбинацию двух увеличивающих систем - объектива и окуляра. Увеличение изображения объекта в микроскопе происходит в две ступени: первое увеличение дает объектив, второе - окуляр.
Объектив - сложное сочетание линз, расположенных в одной оправе, дает увеличение промежуточное изображение объекта, рассматриваемое в окуляр, как в лупу. Увеличение объектива
,
где fоб - фокусное расстояние объектива;
Nоб - увеличение объектива;
D - оптическая длина тубуса микроскопа (это расстояние между задней фокальной плоскостью объектива и передней фокальной плоскостью окуляра).
Окуляр представляет собой лупу с увеличением Nок и предназначен для увеличения промежуточного изображения объекта, полученного объективом; окуляр не может повысить разрешающей способности микроскопа. Увеличение окуляра
,
где D - расстояние наилучшего видения, равное 250 мм;
f ок - фокусное расстояние окуляра.
Общее увеличение микроскопа:
.
Под разрешающей способностью микроскопа понимают наименьшее расстояние между точками, при котором они видны раздельно. Характеристикой разрешающей способности микроскопа является угловая апертура (a) объектива микроскопа, равная половине отверстного угла линзы объектива. Объектив с угловой апертурой позволяет различить детали структуры размером
,
здесь d - размер детали структуры;
l - длина волны света.
Если между объективом и предметом находится среда с показателем преломления n, отличным от 1, то в соответствии с законом преломления, дифрагированные лучи изменяют свое направление. Тогда условие разрешения
>> 
.
Величина А = n× sina называется числовой апертурой.
Числовая апертура - важнейшая характеристика объектива микроскопа, т.к. соотношение между длиной волны света и числовой апертурой определяется разрешающая способность объектива.
Условие разрешения справедливо для пучка параллельных лучей, направленных вдоль оси объектива. При наличии внеосевых лучей условие разрешения:
>> 
.
Пользуясь этим выражением можно примерно оценить наименьшее разрешаемое расстояние. Отверстный угол объектива практически не бывает больше 1400, следовательно, amax = 700 и sinmax = 0,94. Тогда наивысшее значение числовой апертуры для «сухого» объектива, среда преломления - воздух, (п = 1)
А = n × sinamax = 1× 0,94.
Для иммерсионного объектива, среда преломления - кедровое масло, (п = 1,5) А = 1,51 х 0,94 = 1,43.
Величина деталей d, разрешаемых объективом микроскопа с числовой апертурой А = 1,43, при наблюдении по способу светлого поля и длине волны света l = 0,55 мкм должна быть более
мкм.
Чтобы увеличить детали структуры предмета, которые разрешаются объективом, необходимо установить соответственное увеличение микроскопа. Увеличение микроскопа N называется полезным, если разрешаемые детали структуры можно наблюдать под углом зрения 2-4. Простой расчет показывает, что в случае светлопольного исследования в белом свете при числовой апертуре А увеличение микроскопа должно лежать в интервале
N » 500 A ¸ 1000 А.
Увеличение N = 500 А представляет собой нижний предел полезного увеличения, т.к. меньшее увеличение не дает возможности различить все детали предмета, изображение которых формируется объективом при апертуре А. Увеличение больше 1000 А является «бесполезным», потому что не дает каких-либо новых деталей в изображении предмета, и называется верхним пределом полезного увеличения.
Приступая к исследованию деталей структуры предмета определенной величины, важно так выбрать объектив и общее увеличение микроскопа, чтобы обеспечить разрешение данных деталей структуры и иметь возможность различать их в изображении. Для этого прежде всего надо установить необходимое полезное увеличение микроскопа:
,
где 0,2 - разрешаемое расстояние для глаза наблюдателя, мм;
d - размер интересующей наблюдателя детали структуры, мм.
Исходя из полученного полезного увеличения, можно определить соответствующую числовую апертуру, и выбрать объектив, а затем окуляр. Объектив является основной частью оптической системы микроскопа и дает главное увеличение на микроскопе, которое может колебаться от 9 до 95. Основные характеристики объектива - его фокусное расстояние и числовая апертура. Объективы в зависимости от числовой апертуры можно разделить на три группы: слабые объективы с числовой апертурой до 0,3; средние - с апертурой до 0,8; сильные сухие - с апертурой до 0,95 и иммерсионные - с апертурой более 0,95.
Иммерсионные объективы должны работать только с той иммерсионной жидкостью, не которую они рассчитаны.
Все современные объективы представляют собой комбинацию линз. Передняя (или фокальная линза объектива) часто имеет форму полушария, обращенного плоской стороной к объекту. Увеличение системы объектива определяется именно этой линзой. Необходимо оберегать объективы от уларов, соблюдать осторожность при смене объективов при фокусировке. Механические сотрясения могут привести к смещению линз в оправе. Ни в коем случае не следует разбирать объектив. Грязь и пыль в передней и задней линзах объектива удалять специальной мягкой чистой кисточкой.
Окуляры увеличивают изображение, создаваемое объективом. Основными характеристиками окуляра является собственное увеличение и качество коррекции изображения, создаваемое объективом. У обычных окуляров собственное увеличение находится в пределах от 3-х до 24-х.
По степени коррекции окуляра делятся на:
1) простые или окуляры Гюйгенса;
2) компенсационные;
3) выравниватели (Гомали).
Окуляр выбирают так, чтобы четко были видны детали структуры, увеличенные объективом. При недостаточном увеличении окуляра самые мелкие детали промежуточного изображения, созданного объективом, не будут увидены в микроскоп и, следовательно, разрешающая способность объектива полностью не будет использована. При слишком большом увеличении окуляра новые детали структуры не выявляются, в то же время, контуры уже выявленных деталей окажутся размытыми, а после зрения станет узким. Окуляр Гюйгенса и компенсационные применяют при визуальном наблюдении, реже при фотографировании. Окуляр Гомали используют только при фотографировании. При выбранном объективе рекомендуется взять такой окуляр, чтобы общее увеличение находилось в интервале 500-1000 А.