Полезное:

Категории:

Архитектура Астрономия Биология География Геология Информатика Искусство История Кулинария Культура Маркетинг Математика Медицина Менеджмент Охрана труда Право Производство Психология Религия Социология Спорт Техника Физика Философия Химия Экология Экономика Электроника

Принцип действия и устройство металлографического микроскопа

Стр 1 из 13Следующая ⇒

Принцип действия и устройство металлографического микроскопа. Для изучения микроструктуры металлов используют металлографические микроскопы (рис. 1.4). Подготовленный соответствующим образом шлиф / помещают перпендикулярно оптической оси микроскопа в плоскости, совпадающей с передней главной фокальной плоскостью объектива 2. Шлиф освещается проходящим через объектив почти параллельным оптической оси пучком света, который формируется посредством осветительной системы, состоящей из источника (лампы) 3, коллекторной линзы 4, апертурной 5 и полевой 7 диафрагм, вспомогательных линз 6, 8 и полупрозрачной пластинки 9. Световые лучи, отражающиеся от участков поверхности шлифа, приблизительно нормальных оптической оси микроскопа, попадают в объектив, а те лучи, которые отражаются от неровностей поверхности, не попадают в его поле. На конечном изображении поверхности цы зерен, которые при подготовке шлифа обычно вытравливаются в канавки, или частицы выделений, включения и поры.

Объектив создает обратное действительное увеличенное изображение образца в передней фокальной плоскости окуляра S₁. Окуляр дополнительно увеличивает это изображение и дает окончательное мнимое увеличенное изображение образца S₂ на расстоянии ~250 мм от глаз наблюдателя 11.

При фотографировании изображения или его наблюдении на экране вместо «глазных» окуляров используют специальные фотоокуляры (или гомали), которые принимают световые лучи, идущие непосредственно из объектива, и создают действительное первичное изображение на фотопластинке или экране.

Увеличение микроскопа равно произведению соответствующих увеличений объектива и окуляра. Основное увеличение обеспечивается объективом, оно может достигать 100. Увеличение окуляра обычно не превышает 20. Если необходимо точно определить увеличение проецируемого изображения, то в качестве объекта следует использовать пластинку с микрометрической шкалой (объект-микрометр), на которой нанесены через каждые 0,01 мм деления на общей длине 1 мм.

Разрешающая способность микроскопа характеризуется минимальным расстоянием d между двумя соседними деталями структуры объекта, которые еще могут быть раздельно различимы. Ограничения разрешающей способности оптических приборов связаны с дифракционными явлениями и аберрациями элементов оптических систем. Максимальная разрешающая способность микроскопа соответствует условию:

d = dл/2nsinб = л /2А, (1)

где л-- длина волны света; п -- показатель преломления среды между объектом и объективом (для воздуха п=1); б-- угловая апертура объектива, равная половине угла, под которым виден зрачок объектива из точки предмета, лежащей на оптической оси. Величина А = п sin б называется числовой апертурой и является важнейшей характеристикой объектива. Числовую апертуру объектива можно увеличить, заполняя пространство между объективом и объектом (шлифом) иммерсионным маслом (обычно кедровым) с n=1,52. Для этой цели используют специальные иммерсионные объективы.

Поскольку величина а практически не бывает больше ~72° и максимальное значение sinб?0,95, максимальное значение числовой апертуры для «сухого» объектива составляет А = 1Ч0,95 = 0,95, а для иммерсионного объектива А = 1,52Ч0,95 = 1,44.

Для освещения объекта наиболее часто применяют белый свет, для которого можно принять л = 0,55 мкм. Согласно условию (1) максимальная разрешающая способность микроскопа равна: d0,55ч2ч1,440,2 мкм.

Чтобы использовать разрешающую способность объектива, т. е. увидеть те детали структуры объекта, которые разрешаются объективом, необходимо установить соответствующее увеличение микроскопа. Увеличение микроскопа N называют полезным, если разрешаемые детали структуры можно наблюдать под углом зрения 2' --4'. Полезное увеличение находится в пределах N?500Aч1000A (2).

Увеличение меньше 500А не позволяет различить все детали структуры, изображение которых формируется объективом при апертуре А, а применение увеличений, превышающих 1000А, нецелесообразно, поскольку оно не дает каких-либо новых деталей в изображении структуры, а лишь приводит к ухудшению качества изображения.

При исследовании структуры металла объектив выбирают, исходя из необходимого полезного увеличения микроскопа, определяемого из выражения N=200/d 'где d' -- минимальный размер интересующих деталей структуры (например, частиц какой-либо фазы), мкм; 200 -- разрешаемое расстояние для глаза наблюдателя, мкм.

Зная величину N, можно определить соответствующую числовую апертуру по формуле (2) и выбрать объектив, а затем окуляр.

Следует учитывать, что в практике металлографических исследований иногда приходится в ущерб разрешающей способности заботиться о повышении контрастности изображения и об увеличении глубины резкости, характеризуемой величиной вертикального смещения деталей микроструктуры, которое не приводит к потере фокусировки.

Эта величина обратно пропорциональна числовой апертуре и общему увеличению микроскопа, т.е. при более рельефной поверхности образца целесообразно использовать объективы с малой апертурой. Контрастность изображения растет до тех пор, пока общее увеличение микроскопа не превзойдет полезного увеличения. Поэтому увеличение окуляра не должно быть излишне высоким, так как это вызывает размытие изображения деталей структуры.

Объектив микроскопа состоит из нескольких линз, установленных коаксиально. Система линз обеспечивает более или менее полное устранение дефектов изображения (аберраций), к которым относятся хроматическая и сферическая аберрации, астигматизм, кома, кривизна изображения и дисторсия.

Хроматическая аберрация обусловлена тем, что при использовании немонохроматического света лучи с меньшей длиной волны преломляются линзой сильнее, чем лучи с большей длиной волны; в результате возникают изображения разной величины, располагающиеся в различных плоскостях.

Сферическая аберрация связана с различным преломлением монохроматических лучей, проходящих через различные участки линзы. В случае световых пучков с довольно большим диаметром к сферической аберрации добавляются дефекты асимметрии (кома), в результате которых изображение отдельных деталей образца, располагающихся на некотором расстоянии от оси линзы, получается размытым. Вследствие астигматизма при прохождении через линзу пучка лучей от светящегося точечного источника, расположенного вне оптической оси, образуются две фокусные линии, находящиеся в разных плоскостях, а изображение точки в промежуточных плоскостях имеет форму круглого или эллиптического пятна рассеяния.

Аберрация, называемая дисторсией, связана с различным увеличением деталей объекта, находящихся на разном расстоянии от оптической оси, так что изображения прямых линий оказываются искривленными и нарушается подобие в геометрической форме между предметом и его изображением. И наконец, возможно искривление изображения, при котором точечные изображения, возникающие от плоского объекта, перпендикулярного оптической оси, лежат не на плоскости, а на искривленной поверхности.

В зависимости от степени исправления аберраций и области спектра, в которой они работают, объективы металломикроскопов делятся на ахроматы, апохроматы, планахроматы и планапохроматы.

У ахроматических объективов исправлена сферическая аберрация, кома и хроматическая абберация для двух цветов, наиболее важных для визуального наблюдения; кривизна изображения не исправлена. Апохроматические объективы отличаются более высокой степенью исправления сферической аберрации и комы, а также обспечивают более правильную цветопередачу. В сочетании с компенсационными окулярами эти объективы дают высокое качество изображения и особенно подходят для больших увеличений и микрофотографирования. Планахроматы и планапохроматы скорректированы соответственно так же, как ахроматические и апохроматические объективы, и, кроме того, у них исправлена кривизна изображения.

3. Методы микроскопического исследования материалов. Метод косого освещения. Метод темнопольного освещения. Исследования в поляризованном свете. Метод светлого поля
Методы микроскопического исследования

В основном металлографические исследования проводятся с использованием

светлопольного (вертикального) освещения. Для дополнительного повышения

контрастности применяют другие виды освещения. В частности используются ме-

тод косого освещения, метод темнопольного освещения, исследование материала

в поляризованном свете, метод фазового контраста, метод интерференционного

контраста, описание которых приводится в источнике.

При использовании метода косого освещения в создании изображения пре-

имущественно участвуют косые лучи, не параллельные оптической оси системы.

Повышение контраста при этом обусловлено увеличением роли дифрагированных

на разных элементах структуры лучей и образованием теней от рельефа поверхно-

сти объекта. Поэтому косое освещение целесообразно применять при достаточно

резком рельефе поверхности шлифа.

Метод темнопольного освещения основан на том, что объектив выключается

из системы осветителя. Для освещения объекта применяется специальный конден-

сор. В этом случае прямые лучи через объектив не проходят. Изображение фор-

мируется рассеянными лучами. При использовании метода темнопольного изо-

бражения гладкие участки выглядят темными, а рельефные – светлыми и яркими.

Большинство металлических фаз и неметаллических включений являются оп-

тически анизотропными.

Поэтому при проведении металлографических исследо-

ваний целесообразно использовать поляризованный свет. Для реализации метода

исследования материалов в поляризованном свете перед коллекторной линзой

помещают поляризатор. Создающийся в поляризаторе плоскополяризованный

свет после отражения от объекта проходит через анализатор, расположенный ме-

жду объективом и окуляром или над окуляром. Если объект оптически изотропен,

то при соответсвующем взаимном положении поляризатора и анализатора можно

добиться полного поглощения света. Однако если какие-либо фазы оптически

анизотропны, то при скрещенных полярофильтрах полного поглощения лучей не

происходит и отдельные кристаллы оказываются светлыми, т.е. получается види-

мое контрастное изображение. Наиболее часто поляризованный свет применяют

для идентификации неметаллических включений в сталях. Для реализации опи-

санного метода конструкция микроскопа должна предусматривать включение и

выключение полярофильтров и вращение анализатора в пределах от 0 до 90 граду-

сов.

4. Метод интерференционного контраста. Метод фазового контраста. Метод исследования в свете люминисценции.

Метод фазового контраста позволяет обнаружить разность в уровнях рельефа

поверхности до ~ 5 нм. Его рекомендуется использовать для изучения границ зе-

рен, двойников, линий скольжения и дисперсных выделений. Метод основан на

том, что неровности поверхности шлифа создают разность фаз отраженных свето-

вых лучей. В микроскопах эта разность усиливается системой, состоящей из коль-

цевой диафрагмы и фазовой пластинки.

Метод интерференционного контраста позволяет обнаружить небольшие из-

менения микрорельефа поверхности. Возможно использование методов двухлуче-

вой и многолучевой интерферометрии. В интерферометре Линника, использую-

щем метод двухлучевой интерферометрии, свет от источника расщепляется на два

пучка. Один пучок падает падает на исследуемую поверхность, а другой пучок ос-

вещает эталонную оптически плоскую поверхность зеркала. Отраженные от этих

поверхностей лучи накладываются друг на друга. При наличии разности хода двух

пучков возникает интерференционная картина, выражающаяся в чередовании

максимумов и минимумов освещенности. Эта картина позволяет оценить глубину

рельефа с точностью до 1/20 длины волны.

Метод исследования в свете люминесценции состоит в наблюдении под микроскопом зелено-оранжевого свечения микрообъектов, которое возникает при их освещении сине-фиолетовым светом или не видимыми глазом ультрафиолетовыми лучами. В оптическую схему микроскопа вводятся два светофильтра. Один из них помещают перед конденсором. Он пропускает от источника-осветителя излучение только тех длин волн, которые возбуждают люминесценцию либо самого объекта (собственная люминесценция), либо специальных красителей, введённых в препарат и поглощённых его частицами (вторичная люминесценция). Второй светофильтр, который установлен после объектива, пропускает к глазу наблюдателя (или на фоточувствительный слой) только свет люминесценции. В люминесцентной микроскопии используют освещение препаратов как сверху (через объектив, который в этом случае служит и конденсором), так и снизу, через обычный конденсор. Метод нашел широкое применение в микробиологии, вирусологии, гистологии, цитологии, в пищевой промышленности, при исследовании почв, в микрохимическом анализе, в дефектоскопии. Такое многообразие применений объясняется очень высокой цветовой чувствительностью глаза и высокой контрастностью изображения самосветящегося объекта на тёмном не люминесцирующем фоне.

5. Типы микроскопов: биологические,инвертированные, металлографические, люминисценнтные, ультрафиолетовые, инфракрасные, поляризационные

Биологические микроскопы — это микроскопы проходящего света, формирующие плоское изображение наблюдаемого прозрачного или полупрозрачного объекта. Их применение в биологии, медицине, геологии, микроэлектронике и многих других областях науки и техники помогает решить множество исследовательских задач.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Date: 2015-11-15; view: 3621; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...

mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.005 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию