Принцип действия светового микроскопа

Любой микроскоп предназначен для расширения пределов ес­тественного восприятия глазом мелких объектов. Биологические свойства глаза таковы, что на расстоянии ясного зрения, рав­ном 250 мм, он может видеть раздельными 2 точки, отстоящие друг от друга на 0, 2 мм. При меньшем расстоянии они будут вид­ны слитыми в одну. Действие микроскопа сводится к увеличению угла зрения, которое воспринимается глазом как увеличение ви­димых размеров предмета.

Микроскоп (рис. 2.1) представляет собой комбинацию двух увеличивающих оптических систем - объектива I и окуляра 2, от­стоящих друг от друга на расстоянии оптической длины тубуса Т.

Рис.2. I. Оптическая схема простейшего микроскопа

Объект Пр помещают перед объективом I, который дает увеличенное действительное и перевернутое изображение объекта Пр', расположенное перед окуляром 2. Окуляр создает увеличенное мнимое и прямое изображение Пр'', расположенное от сетчат­ки глаза наблюдателя на расстоянии ясного зрения Д (примерно 250мм). Таким образом, предмет в микроскопе увеличивается дважды. Поэтому общее увеличение микроскопа равно произведе­нию увеличений объектива и окуляра:

где Т - оптическая длина тубуса.

Техничекая характеристика любого микроскопа включает в себя:

кратность увеличения;

разрешающую способность;

совершенство изображения.

Кратность увеличения микроскопа определяют комбинацией окуляра и объектива. Кратность увеличения окуляра и объектива обычно указывают на их корпусе, но иногда увеличение объекти­ва заменяют его фокусным расстоянием и также указывают на корпусе.

Под разрешающей способностью микроскопа понимают наи­меньшее расстояние между двумя точками объекта, когда они видны раздельно. Чем меньше это расстояние, тем выше разреша­ющая способность микроскопа. Разрешающая способность микрос­копа определяется так:

где - длина волны света, мкм;

А - числовая апертура объектива.

Числовая апертура является характеристикой разрешающей силы объектива и наряду с характеристикой увеличения указы­вается на корпусе:

где n - показатель преломления среды между объектом и фронтальной линзой объектива;

- половина отверстного угла объектива (рис. 2. 2), образованного крайними лучами, проходящими через точку фокуса.

Таким образом, разрешающая способность микроскопа будет тем выше, чем короче длина волны света и больше апертура объектива.

Практически и . Тогда если между объективом и объектом находится воздух . Принимая длину волны белого света мкм, получим:

мкм

Рис. 2. 2. Схема отверстного угла объектива

Для увеличения апертуры объектива пространство между объектом и объективом заполняют иммерсионной жидкостью (кедро­вое масло, глицерин, вода и др.) с большим показателем преломления лучей. Например для кедрового масла n=1.51, тогда разрешаемое расстояние

мкм.

Чтобы полнее использовать разрешающую способность объек­тива, необходимо правильно выбрать увеличение микроскопа. Рас­четы показывают, что оно должно быть в пределах 500 - 1000 Å. Такое увеличение называют полезным.

Совершенство изображения, т. е. его резкость и чистота, зависит от степени устранения недостатков оптической системы - сферической и ахроматической аберрации (ошибки).

Сферическая аберрация - это неодинаковое преломление лучей, исходящих из одной точки, краем линзы и центральной ее частью, что приводит к нечеткости изображения. Устраняется применением дополнительной вогнутой (рассеивающей) линзы, имеющей одинаковую, но обратно направленную аберрацию. Хрома­тическая аберрация - это неодинаковое преломление линзой лучей разного цвета (длины волны), возникающее при разложений луча белого цвета. Устраняется комбинацией линз из различных сортов стекла.

Современные оптические микроскопы имеют увеличение, не превышающее 2000 крат, и разрешающую способность до 0,1 мкм. Для изучения более тонких деталей структуры применяют электронные микроскопы, где вместо световых лучей используют электронный луч с длиной волны 10⁵ – 10⁶ раз меньше. Достигаемое при этом увеличение составляет от I до4 • 10⁵ крат, а разрешаю­щая способность 5*10^-4 мкм.

Приготовление образца для изучения микроструктуры с помощью светового микроскопа

Свойства металлических изделий зависят не только от химического состава материала, но и от его структуры, под которой понимают внутреннее строение, характеризуемое формой, размером и взаимным расположением кристаллитов разных твёрдых фаз. Для описания структуры, наблюдаемой под микроскопом, используют термин “структурная составляющая”. Это – часть сплава, которая на шлифе имеет характерное и однообразное строение и повторяется во всех частях изучаемого объекта. Структурных составляющих может быть одна и несколько, причём каждая из них может состоять из кристаллитов одной или нескольких фаз. Образование той или иной структурной составляющей зависит от состава, так и от предыстории материала.

При изучении структуры преследуют следующие цели:

а) установить связь между структурой и свойствами изучаемого материала,

б) убедиться в получении структуры, обеспечивающей необходимый уровень свойств,

в) установить предысторию материала для выявления причин, вызвавших формирование той или иной структурной составляющей.

Образец для микроскопического исследования структуры металла называют микрошлифом. Поскольку микроструктуру металла изучают в отраженном свете, поверхность микрошлифа должна удовлетворять двум требованиям:

1) она должна иметь максимальную отражающую способность,

2) разные участки поверхности должны по-разному отражать свет, чтобы различить элементы микроструктуры.

Первое достигается путем получения плоской и гладкой поверхности, второе - либо благодаря неодинаковому отражению света (поляризованного или неполяризованного, моно- или полихроматического) от плоской поверхности, либо вследствие образования рельефа на поверхности путем травления, либо, наконец, из-за создания на поверхности пленок толщина и, следовательно, окраска которых зависят от природы либо ориентировки кристаллитов, на которых они возникли.

Микрошлиф должен иметь микроструктуру, характерную для всего изучаемого изделия или его части. Поэтому имеет значение, во-первых, выбор участка изделия, из которого вырезают образец, и, во-вторых, выбор расположения исследуемой поверхности на образце. Например, микроструктуру прокатанной полосы обычно изучают на ее продольном сечении. Поскольку микроструктура в разных участках полосы может быть неодинаковой, образцы для изготовления микрошлифов вырезают из центра и у кромок полосы, а также в нескольких местах по ее длине. Площадь поверхности микрошлифа обычно составляет около 1 см², высота образца для удобства обращения с ним должна быть не менее 10 мм. Для изготовления шлифов на образцах меньших размеров (лента, проволока и т.д.) их после вырезки помещают в цилиндрическую обойму или заливают пластмассой. В некоторых случаях для закрепления мелких образцов применяют металлические винтовые зажимы.

Подготовка плоской поверхности микрошлифа включает: 1) вырезку и выравнивание поверхности; 2) шлифование; 3) полирование. Все перечисленные операции должны проводиться таким образом, чтобы они не изменили микроструктуру металла. В этом отношении особенно ответственны первая и вторая операции, которые не должны сопровождаться деформацией поверхностных слоев (толщина деформированного слоя может в 3-10 раз превышать размер зерна абразива) и нагревом образца. Поверхность подготовленного шлифа должна быть зеркально гладкой, плоской по всей его площади, не иметь царапин, ямок и загрязнений.

Шлифование проводят с целью уменьшения неровностей на поверхности образца. При этом используют шлифовальную шкурку различных номеров, которые обозначают размер зерен абразивного порошка, прикрепленного к бумажной основе шкурки. Абразивом могут быть электрокорунд, карбид кремния и другие твердые вещества; размер зерен абразива на различных номерах шкурки может составлять от 250 до 4 мкм. При шлифовании вручную шкурку помещают на стекло, образец прижимают обрабатываемой поверхностью к шкурке и перемещают возвратно-поступательными движениями. Шлифование можно проводить также на станке с горизонтально расположенным вращающимся кругом, на котором закрепляют шкурку. Образец прижимают к кругу вручную или фиксируют в специальном приспособлении. Перед шлифованием обрабатываемую поверхность очищают от частиц металла и абразива.

Движение образца при шлифовании вручную производят под углом 90° к направлению царапин от предшествовавшей обработки. Шлифуют до тех пор, пока полностью не исчезнут все следы царапин от предыдущей операции. Затем образец вновь очищают от налипшей наждачной пыли и переходят к шлифованию шкуркой с более мелким абразивом. Обычно оказывается достаточным использовать шлифовальные шкурки № 4-5. После завершения шлифования образец тщательно промывают под струей воды.

Полирование служит для дальнейшего уменьшения неровностей на плоской поверхности образца. Полирование заканчивают, когда на поверхности исчезнут всякие риски, а сама поверхность станет зеркально гладкой. Полирование проводят механическим, электро-литическим либо химическим методами.

Для механического полирования используют станок с вращающимся кругом, который обтянут тканью (фетром, сукном, драпом и др.). В качестве абразива чаще всего применяют тонкоизмельченный оксид хрома, который в виде взвеси в воде наносят на поверхность круга во время его вращения. Образец шлифованной поверхностью слегка прижимают к поверхности круга. Во время полировки образец перемещают от периферии к центру круга (чтобы обеспечить равномерное распределение абразива) и периодически поворачивают (чтобы исключить образование "хвостов" около включений на поверхности образца). Для получения хороших результатов при полировании необходимо, чтобы образец и руки оператора были очищены от шлифовального абразива. Круг во время полирования должен быть влажным. Механическое полирование можно производить также с помощью алмазных паст, в которых размеры зерен абразива могут доходить до 1 мкм. Пасту наносят на ватман тонким слоем, и полирование проводят так же, как и шлифование образца.После полирования шлиф промывают в воде либо, если металл окисляется, - в этиловом спирте и просушивают фильтровальной бумагой.

Изучение полированной поверхности шлифа под микроскопом преследует следующую цель: определениие качества его изготовления (отсутствие следов обработки) и установление характера расположения и размеров микроскопических трещин, неметаллических включений – графита, сульфидов, оксидов (рис.2.3.) в металлической основе (имеет светлый вид при рассмотрении под микроскопом).

а б в

Рис. 2.3. Неметаллические включения в стали и чугуне:

а – оксиды; б – сульфиды; в – графит

Структуру металлической основы шлифа после полирования выявляют травлением его реактивом. Для стали и чугуна чаще всего применяют 2...5%-ный раствор азотной кислоты (HNO₃) в этиловом спирте. Полированную поверхность шлифа погружают в реактив на 3...15 с или протирают ватой, смоченной в реактиве, до появления ровного матового оттенка без наличия каких-либо пятен. Затем шлиф промывают спиртом или водой и просушивают фильтровальной бумагой.

Выявление микроструктуры в большинстве случаев сводится к созданию на полированной поверхности неглубокого рельефа, в котором конфигурация неровностей повторяет расположение и очертания отдельных кристаллитов. Иногда такой рельеф создается при полировании образца. Например, на поверхности шлифа, полированного механическим способом, твердые кристаллиты несколько выступают, а мягкие - углублены. Во всех остальных случаях рельеф создают с помощью травления. Обычно используют химическое, электролитическое и термическое травление.

При химическом или электролитическом травлении, во-первых, образуются канавки на границах между зернами и, во-вторых, создается неодинаковая шероховатость поверхности зерен разных фаз или даже одной фазы (последнее имеет место в том случае, если у разных зерен одной и той же фазы с плоскостью шлифа совпадают разные плоскости кристаллической решетки). Канавки на границах образуются из-за того, что атомы в этих участках обладают повышенной энергией и поэтому легче вступают в химическую реакцию растворения. Неодинаковая шероховатость на поверхности зерен разных фаз или даже одной и той же фазы обусловлена той же причиной - неодинаковой химической активностью из-за различных свойств фаз или различающейся плотности упаковки атомов на разных плоскостях кристаллической решетки зерен одной и той же фазы. Поскольку атомы в сердцевине зерен имеют меньшую энергию, чем на их границах, рельеф на поверхности менее глубок, чем на границах. При наблюдении в отраженном свете максимальный оптический контраст создается между участками рельефа разной глубины, т.е. между границами и телом зерен. Контраст между разными зернами значительно слабее благодаря меньшему различию в глубине неровностей на их поверхности.

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Изучить основные теоретические понятия о принципе дей­ствия микроскопа, его характеристиках.

2. Научиться самостоятельно настраивать микроскоп для ра­боты в светлом поле, выбирать увеличение.

3. Механически обработать образец для приготовления микрошлифа (шлифование, полирование).

4. Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом до травления.

5. Протравить шлиф реактивом, промыть проточной водой и высушить.

6. Изучить микроструктуру шлифа после травления.

7. Написать отчет. Содержание отчета: наименование и цель работы, теоретические сведения об увеличении микроскопа, его разрешающей способности и показателях совершенства изображения, технология приготовления микрошлифа, реактив, применяемый для травления стали и чугуна.

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните роль травителя для выявления микроструктуры.

2. Какой состав используется для травления сплавов железа с углеродом?

3. Для чего предназначен микроскоп?

4. Расскажите о принципе действия микроскопа.

5. Как определить увеличение микроскопа?

6. Какое предельное полезное увеличение можно получить в оптическом микроскопе?

7. Что такое разрешающая способность микроскопа?

Лабораторная работа №3