budowa i działanie mikroskopu metalograficznego.doc

1.    Budowa mikroskopu metalograficznego.

Mikroskop metalograficzny służy do badania mikrostruktury metali. Różni się od powszechnie znanych mikroskopów biologicznych, gdyż umożliwia obserwacje próbki w świetle odbitym od jej powierzchni. Wynika to stąd, że próbki metali – nawet najcieńsze – są nieprzeźroczyste i nie można dlatego stosować do ich oświetlania światła przechodzącego przez preparat. Stąd konieczność szlifowania i polerowania powierzchni metalu do lustrzanego połysku. Próbkę metalu przygotowaną do obserwacji mikroskopowych nazywamy zgładem metalograficznym.

Rys. 1. Ogólny schemat mikroskopu metalograficznego w układzie odwróconym

Jak łatwo zauważyć mikroskopy metalograficzne na ogół buduje się jako odwrócone. Podyktowane jest to względami praktycznymi, bowiem łatwiej jest położyć próbkę wyszlifowaną powierzchnią na stoliku i od razu mieć ją prostopadle do obiektywu.

Mikroskop złożony jest z dwu zbierających zespołów soczewek, umieszczonych na końcach rury zwanej tubusem. Zespół soczewek, zazwyczaj o krótkiej ogniskowej, zwrócony do przedmiotu nazywa się obiektywem, drugi przez który dokonuje się obserwacji, nosi nazwę okularu. Okulary o najprostszej budowie składają się z dwu płasko wypukłych soczewek, pomiędzy którymi jest umieszczona kołowa przesłona. Obiektyw tworzy wewnątrz tubusu rzeczywisty, powiększony i odwrócony obraz, który ogląda się za pomocą okularu. Wskutek istnienia obydwu zespołów obserwuje się pozorny, powiększony i prosty obraz. Całkowite powiększenie mikroskopu jest iloczynem powiększenia własnego obiektywu i okularu. Okulary w mikroskopach służą nie tylko do powiększania obrazu utworzonego przez obiektyw, lecz także korygują jego błędy optyczne.

Układy optyczne zwykle są obarczone wadami odwzorowania obrazu przedmiotu. Obiektyw i okular mikroskopu są najbardziej wrażliwe na wady aberracji sferycznej i chromatycznej. Aberracja sferyczna jest wadą układu optycznego polegającą na tym, że promienie przecinają się nie w jednym punkcie, lecz na pewnym obszarze. Powoduje ona, że uzyskany obraz ma niejednakową ostrość w swoim centrum i na brzegach. Aberracja chromatyczna jest spowodowana rozszczepieniem wiązki białego światła po przejściu przez soczewkę, wskutek czego otrzymany obraz składa się z wielu nie pokrywających się ze sobą różnobarwnych obrazów. Wady te kompensuje się stosując układy kilku soczewek wykonanych z różnych gatunków szkła, o różnych krzywiznach.  Wielkości charakterystyczne obiektywu ( rodzaj obiektywu, apertura oraz powiększenie własne ) są zazwyczaj podawane na obudowie.

Powiększenie mikroskopu jest, iloczynem powiększenia obiektywu i okularu. Na podstawie tego stwierdzenia można by błędnie wnioskować, że przez odpowiedni dobór obiektywu i okularu otrzyma się dowolnie duże powiększenie. W rzeczywistości jednak rozmiary szczegółu, które można obserwować za pomocą mikroskopu, są nie mniejsze od pewnych określonych wartości, ograniczonych falowym charakterem światła.

Zakres bezpiecznego widzenia mieści się w granicach od 100 do 500 przy większym powiększeniu mogą wystąpić błędy widzenia, nieostrość lub też paralaksa.

W moim przypadku powiększenie własne okularu wynosi 10x czyli jest to dziesięciokrotne powiększenie, powiększenie własne obiektywu jest zależne od tego jaki wybierzemy.

Aby obliczyć powiększenie mikroskopu musimy znać współczynnik przełożenia( przejścia światła), który wynosi 1,25x.

Powiększenie=Powiększenie własne obiektywu x Powiększenie własne okularu x współczynnik przełożenia

Zmianę powiększenia mikroskopu można otrzymać przez zmianą obiektywu lub okularu. Wzrostowi powiększenia powinien jednak towarzyszyć wzrost liczby szczegółów w obserwowanym obrazie. Tak uzyskana powiększenie określa się mianem powiększenia użytecznego.

Do optycznego wyposażenia mikroskopu należy również urządzenie oświetlające, od którego zależy jasność, ostrość i kontrastowość obrazu. Na jakość obrazu wpływa także dokładność prostopadłego ustawienia stolika względem osi optycznej tubusu mikroskopu. W tym celu zespoły te mocowane są na sztywnym statywie, który jest wyposażony w mechaniczne elementy regulacyjne oraz urządzenia służące do łatwej wymiany obiektywów oraz regulacji oświetlenia.

W mikroskopach metalograficznych urządzenie oświetlające składa się z silnego źródła światła oraz odpowiedniego układu optycznego, doprowadzającego światło do miejsca obserwowanego. Jako źródło światła najczęściej stosuje się nisko woltową żarówkę ze ściśle zwiniętymi włóknami, tworzącymi prawie punktowe źródło. Stosuje się także inne rodzaje lamp, np. łukowe, rtęciowe itp. Promienie wychodzące ze źródła światła skupia się za pomocą kondensora na otworze układu oświetlającego. Oświetlacz kieruje promienie światła na dany przedmiot przez obiektyw - za pośrednictwem płytki szklanej lub pryzmatu.  Promienie świetlne padające na płytkę szklaną półprzezroczystą , nachyloną pod kątem 45o, częściowo przez nią przechodzą, częściowo się od niej odbijają i przez obiektyw  docierają do powierzchni zgładu . Po odbiciu się od tej powierzchni promienie ponownie przechodzą przez obiektyw, a następnie są kierowane przez pryzmat  do okularu, skąd docierają do oka obserwatora. Zastosowanie pryzmatu daje obraz jaśniejszy i bardziej kontrastowy, lecz zdolność rozdzielcza obiektywu jest mniejsza, ponieważ pryzmat przysłania połowę jego otworu czynnego.

Opisane układy umożliwiają obserwację przedmiotu w tzw. jasnym polu widzenia. Przy skośnym skierowaniu promieni na powierzchnię zgładu można obserwować w tzw. ciemnym polu widzenia. Otrzymany w ten sposób obraz jest jak gdyby negatywem obrazu w polu jasnym. Przy tym sposobie oświetlacz kieruje promienie ukośnie poza obiektywem; do obiektywu trafiają więc tylko promienie odbite, te, które na swej drodze spotkały szczegóły rozpraszające światło, jak granice ziaren , wydzieleń, wtrąceń, rysy itp. Inne płaszczyzny dają obraz ciemniejszy.  Środkowa część cylindrycznej wiązki promieni jest przysłonięta kołową przesłoną. Wiązka promieni po odbiciu od pierścieniowego zwierciadła biegnie poza obiektywem, załamuje się w zwierciadle  parabolicznym  i pada skośnie na powierzchnię zgładu . Obserwacje w ciemnym polu widzenia przeprowadza się dla wydobycia szczegółów niewidocznych w polu jasnym. Wyznaczanie powiększenia na matówce mikroskopu.

2.    Przygotowanie próbki do badań.

Przygotowanie próbki składa się z następujących etapów:

1) Wycięcie

2) Szlifowanie

3) Polerowanie

4) Trawienie

W wyniku tych operacji otrzymuje się tzw. zgład metalograficzny, który może służyć do obserwacji struktury. Do cięcia wykorzystuje się różne metody, począwszy od piłki ręcznej, po precyzyjne przecinarki tarczowe (najpopularniejsze) i przecinarki elektroerozyjne (Wire-cut EDM). Szlifowanie wykonuje się ręcznie, lub na szlifierkach rotacyjnych, papierem ściernym na mokro. Do polerowania służą sukna polerskie i zawiesiny ścierne (tlenku glinu, krzemionki, diamentowe), stosowane w urządzeniach obrotowych, wibracyjnych, i ręcznych, lub elektrolity w których dokonuje się polerowania chemicznego, a czasem wiązki jonów bądź elektronów.

Próbkę wypolerowaną "na lustro" należy wytrawić. Dobór odczynnika zależy od materiału, i tego co ma on ujawnić. Do obserwacji struktury stali zasadniczo stosuje się Nital, tj. roztwór HNO3 w alkoholu, który nadżera powierzchnię (ujawnia granice ziaren) i barwi węgliki na czarno.