Устройство металлографического микроскопа кратко

Обновлено: 05.07.2024

Металлографические микроскопы в вертикальном или горизонтальном исполнении (МИМ-7, МИМ-8, ММУ3 и др.) работают на принципе отражения светового луча от исследуемой поверхности. Все они состоят из трех систем.

Оптическая система. Она включает объектив, окуляр и ряд вспомогательных оптических элементов (призмы, зеркала и др), основное назначение которых – изменять ход светового луча. Объектив – это система линз в оправке, обращенная к исследуемому объекту (микрошлифу). Объективы – сменные, они могут увеличивать изображение от 9 до 95 раз. Окуляр представляет собой систему линз в оправке, обращенную к глазу наблюдателя. Окуляры увеличивают изображение от 7 до 20 раз. Общее линейное увеличение микроскопа можно принять равным произведению увеличений объектива и окуляра. Для определения увеличения микроскопа пользуются специальными таблицами, прилагаемыми к приборам.

Осветительная система. Источником освещения является лампа накаливания, которая питается от сети переменного тока через понижающий трансформатор.

Механическая система. В механическую систему входят корпус, предметный столик, способный перемещаться в двух перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости и в вертикальном направлении, макро- и микровинт и др.

Работа с микроскопом

Общее руководство к работе с микроскопом дано для МИМ-7 (рисунок 1.2).

а - схема хода световых лучей:

1 - лампа; 2 - коллектор; 3, 18 - зеркала; 4 - светофильтр; 5 - апертурная диафрагма; 6 - линза;

7 - фотозатвор; 8 - полевая диафрагма ; 9 - пентапризма; 10 - линза; 11 - отражательная пластинка;

12 - объектив; 13 - предметный столик ; 14 - линза; 15 - фотоокуляр; 16 – зеркало;

17 - матовая пластинка; 18 - призма; 19 - окуляр; 20 - анализатор; 21 - поляризатор; 22 – диафрагма;

б - общий вид:

1 - предметный столик; 2 - винты для перемещения предметного

столика; 3 - макровинт; 4 - микровинт; 5 – окуляр; 6 - объектив.

Рисунок 1.2 – Металлографический исследовательский микроскоп МИМ-7

Микроскоп является точным прибором, требующим самого аккуратного и осторожного обращения. Прежде чем приступить к работе, необходимо ознакомиться с устройством микроскопа и порядком работы с ним:

1) Посмотреть, какие линзы (объектив и окуляр) стоят на микроскопе, по таблице определить увеличение микроскопа.

2) Винтами 2 сцентрировать предметный столик 1 микроскопа относительно объектива 6 (см. рисунок 1.2, б).

3) Поместить микрошлиф на предметный столик таким образом, чтобы исследуемая поверхность была обращена к объективу.

4) Установить риску микрометрического винта 4 на нулевое значение шкалы на барабане.

5) Наблюдая в окуляр 5, макровинтом 3 путем перемещения предметного столика навести резкость изображения исследуемой поверхности. При появлении изображения предметный столик закрепить стопорным винтом.

6) Микровинтом 4 произвести тонкую наводку резкости.

ВНИМАНИЕ: микровинт 4 не трогать, если в окуляр не видно изображения исследуемой поверхности.

7) Перемещая винтами 2 предметный столик 1, изучить микроструктуру образца на площади, ограниченной отверстием вкладыша предметного столика.

Изучение микроструктуры

Изучение микроструктуры целесообразно начинать с рассмотрения под микроскопом непротравленного шлифа. На светлом фоне будут видны неметаллические включения в виде темных, иногда окрашенных в другие цвета, участков (рисунок 1.3).

а - включения сернистого железа (сульфид железа FeS)

в виде оторочек по границам зерна;

б - включения хрупких оксидов;

в - включения графита в чугуне.

Рисунок 1.3 – Неметаллические включения

в железоуглеродистых сплавах (сталь, чугун)

Изучив чистоту металла или форму включений графита в чугуне, микрошлиф травят и вновь исследуют под микроскопом – теперь уже выявленную микроструктуру. Определяют количество структурных составляющих, их размер, форму, цвет, характер расположения, однородность. Структурная составляющая – это часть структуры, видимая под микроскопом как однородная. Она может быть одно- и двухфазной, т.е. представлять собой механическую смесь двух фаз. Металлы всегда имеют одну структурную составляющую – кристаллы (зерна) самого металла. Размер и форма зерен зависит от способа получения металла и характера обработки (рисунок 1.4, а, б). У сплавов структура может быть более сложной. Они, как и металлы, могут иметь одну структурную составляющую, например, латунь Л96 (рисунок 1.4, в) или несколько. В сплаве Д1 (рисунок 1.4, г) имеются две структурные составляющие – зерна твердого раствора и включения химического соединения CuAl₂. Обе составляющие – однофазные. В баббите (рисунок 1.4, д) – три структурных составляющих: α-твердый раствор, включения химического соединения SnSb и включения Cu₃Sn. В силуминах и сталях – по две структурных составляющих, но одна из них (α) – однофазная, другая (эвтектика в силуминах; перлит в сталях) – двухфазная.

Видимое изображение вырисовывают с левой стороны страницы в круге диаметром 30 – 35 мм или в квадрате со стороною 25 – 30 мм. Структурные составляющие указывают стрелочками. Справа от зарисовки идет описание структуры.

Материалы и принадлежности

· Образцы железа, стали, чугуна, полированные.

· Образцы железа, стали, чугуна и цветных металлов, протравленные.

Порядок выполнения работы

1. Получить образцы, записать их марку и химический состав (таб-лица А.1).

2. Изучить изображение полированной поверхности стали и чугуна, зарисовать в кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм и описать ее.

3. Протравить образцы или получить протравленные образцы.

4. Изучить микроструктуру протравленных образцов, зарисовать и описать ее (отдельные структурные составляющие указываются стрелками, а справа от микроструктуры дается описание видимого в микроскоп изображения).

	Одна структурная составляющая – зерна железа. Форма зерен равноосная (полиэдрическая), цвет светлый.
	Одна структурная составляющая – зерна железа. Форма вытянутая, структура волокнистая.
	Одна структурная составляющая – твердый раствор цинка в меди. Форма зерна равноосная.
	Две структурные составляющие: α-твердый раствор меди в алюминии (светлые зерна); CuAl₂ – химическое соединение меди с алюминием (темные включения).
	Три составляющие: α-твердый раствор меди и сурьмы в олове (темный фон); SnSb – химическое соединение (светлые включения правильной формы); Cu₃Sn – химическое соединение (светлые включения продолговатой формы).
	Две структурные составляющие – феррит: α-твердый раствор углерода вα-железе (светлые зерна); перлит – механическая смесь феррита и карбида железа Fe₃C пластинчатого строения (темные зерна).
	Две структурные составляющие: α-твердый раствор кремния в алюминии (светлые зерна); эвтектика – механическая смесь α-твердого раствора и кремния (темный фон).

а - железо; б - деформированный металл; в - латунь Л96; г - дуралюмин Д1;

Металлографический микроскоп – это оптический световой прибор для изучения непрозрачных структур в отраженном свете. Он широко применяется в металлургической и металлообрабатывающей промышленности для контроля качества сплавов и металлов.

Металлографический микроскоп – это оптический световой прибор для изучения непрозрачных структур в отраженном свете.

Современные модели представляют собой высокотехнологичные устройства, которые используют математический анализ получаемого изображения. Являются незаменимым инструментом в металлографии – одной из отраслей металловедения, которая изучает структуру металлических материалов с использованием оптических приборов.

Особенности и назначение металлографических микроскопов

Данный тип приборов широко используется в металлографических исследованиях, благодаря чему микроскопы получили другое название – металлургические или промышленные. Глубокое изучение структуры сплавов позволяет с высокой точностью определить характеристики материала. Известен как один из методов определения прокаливания стали.

Грамотная подготовка образца позволяет тщательно изучить внутреннюю структуру шлифа. Для выявления структуры используют метод травления и полирования шлифа.

С целью анализа структуры металла применяют 4–5%-й раствор азотной кислоты в этиловом спирте. После травления на поверхности образца образуется пленка, которая затрудняет исследования. Травление выполняют сразу после полирования.

После проведения подготовительных работ проводят исследование, в результате которого можно получить следующую информацию:

Тип и характер дефектов в структуре металла.
Структура кристаллизации (зерен) металла.
Внешние качества – шероховатость и плоскость.
Наличие и тип неметаллических частиц.

По сравнению с биологическими микроскопами металлографические устройства имеют более сложную конструкцию, что оказывает влияние на стоимость приборов.

Отдельного описания заслуживают объективы. Они характеризуются повышенным рабочим расстоянием и способностью эксплуатации без покровного элемента. Кроме того, данный узел параллельно выполняет функции конденсатора.

Особенности изучаемой структуры требуют мощного источника освещения, без которого сложно рассчитывать на положительный результат, особенно в случае необходимости проведения микрофотографирования.

Окуляр металлографического микроскопа способен проводить только четвертую часть проходящего света (до 25%). Металлические образцы отражают очень мало света. Именно низкий коэффициент отражения является причиной повышенного уровня освещения.

Металлографические приборы представлены как прямыми, так и инвертированными моделями.

В качестве методов исследования используют различные виды освещения:

темное поле;
светлое поле;
поляризация;
ДИК (дифференциально-интерференционный контраст).

Устройство микроскопов

Особенности конструкции влияют на характер изучения образцов. Известно несколько видов металлографических аппаратов:

инвертированные;
прямые;
инспекционные.

При работе с инвертированным металлографическим микроскопом отсутствует необходимость в фокусировке образца, поскольку вся поверхность будет находиться в поле зрения оператора. Для изучения образцов это достоинство имеет решающее значение.

Прямые модели более универсальны. Они могут быть усовершенствованы установкой мощных биноклей с увеличением до 150х, поворотной бинокулярной насадкой, имеющей широкий угол поворота (до 360º), а также устройствами промежуточного увеличения.

Для микрофотографий производят камеры для микроскопов независимо от типа конструкции.

Таким образом, инвертированные металлографические микроскопы имеют меньшую стоимость, зато прямые обладают широкими возможностями по изучению структуры.

Для исследования продукции микроэлектроники применяют инспекционные металлографические микроскопы. Они отличаются нижним расположением предметного столика микроскопа и наличием фотоаппаратуры с высоким линейным увеличением (80–100х).

Инспекционные микроскопы не предназначены для работы с иммерсией. Как правило, они комплектуются высокоапертурным фокусирующим объективом, что позволяет добиться полного увеличения 2000х.

Рассмотрим устройство металлографического микроскопа на примере модели ММ2.

Он состоит из следующих элементов:

колонка (1);
труба (2);
предметный столик (3);
осветитель (4).

Винт (5) укрепляет каретку предметного столика.

Винт (6) отвечает за вертикальное перемещение объектива с целью фокусировки.

Крепежные элементы (7) держат трубу аппарата с помощью винтов (8).

Винт (9) фиксирует сам крепежный элемент, выполненный в виде рожек.

Окуляр на схеме обозначен цифрой 11.

На переходной штанге (12) крепится осветитель. Винтом (13) штанга крепится к колонке, а винтом (14) к ней присоединяется осветитель. Источник света работает от безопасного напряжения 12В. Винтом (15) выполняют вертикальную фокусировку положения осветителя, а винтом (16) – горизонтальную. Изучаемый образец (17) устанавливают на предметный столик, подготовленной (шлифованной и протравленной) стороной вниз, после чего производят вертикальную фокусировку объектива.

Сферы применения оборудования

Как было сказано выше, основной сферой использования рассматриваемых устройств является металлургия. Кроме того, подобные металлографические микроскопы применяют в следующих сферах деятельности:

минералогия;
криминалистика;
геологические исследования;
археология;
микроэлектроника.

А также прочие области, в которых требуется глубокое изучение структуры материала.

Чем могут отличаться микроскопы друг от друга

Современная оптическая промышленность предлагает пользователям широкий выбор устройств. Рассмотрим основные типы микроскопов:

Монокулярный. Наверняка многие видели простейшие модели на школьных уроках биологии и химии. Основное предназначение – поверхностное изучение различных образцов в лабораторных условиях.
Бинокулярные. Более продвинутая модель для анализа образцов под действием проходящих лучей в светлом поле. Отличаются глубокой контрастностью и большим уровнем увеличения. Существует множество насадок, призванных повысить заводские характеристики. Данные модели можно встретить в различных медицинских учреждениях.
Тринокулярные. Современные устройства для глубокого изучения структуры материалов. Тринокулярные стереоскопические микроскопы применяют для реализации методов флуоресцентных исследований в различных сферах деятельности.
Специальные. Выпускаются под определенные задачи в конкретных лабораторных условиях. Могут иметь любой тип конструкции.
Цифровые микроскопы. Еще один продукт современных технологий. В основе действия лежит метод анализа изображений, полученных с помощью цифровой аппаратуры. Комплект оборудования состоит из микроскопа и компьютера. Требует специального программного обеспечения.

Цены на распространенные модели в России

Металлографический микроскоп – надежный инструмент для анализа структуры различных металлов, способный выявить даже незначительные дефекты. А вы когда-нибудь участвовали в исследовании металла с помощью металлографических приборов? Поделитесь своими впечатлениями в блоке комментариев.

В разных областях промышленности необходимым условием разработки и выпуска металлических изделий является всестороннее изучение их микроструктуры. На разных этапах производства технологи исследуют характеристики сырья, заготовок, деталей и конечных продуктов, что позволяет успешно совершенствовать свойства материалов и своевременно выявлять дефекты. Последние годы задачи подобных исследований все чаще поручают оптической технике и, в частности, металлографическому микроскопу, который используется для исследований непрозрачных объектов в отраженных поверхностях.

Назначение устройства

По большей части такие аппараты задействуются в сферах, предполагающих выполнение тех или иных операций с металлами. В частности, их применяют геологи, археологи, металлурги и специалисты из разных областей приборостроения и электроники, где важен точный анализ проводников. Какую же информацию дает микроскоп для металлографических исследований? Данный прибор позволяет в отраженном свете формировать структурную конфигурацию размещения зерен материала, фиксировать наличие в нем инородных частиц, определять характеристики поверхностного слоя и т. д. С точки зрения дефектологии и неразрушающего контроля, это крайне важная информация, дающая представление об изъянах внешней структуры изделия с мельчайшими подробностями о размерных параметрах, кристаллическом строении и даже о некоторых химических свойствах. К примеру, таким методом анализа выявляются мельчайшие раковины, трещины, непровары и прочие дефекты.

Конструкция аппарата

Базовое устройство прибора состоит из трех частей, к которым относится осветительный модуль, центральный блок и стол. Осветительная часть представляет собой лампу или фонарь, который фиксируется на регулируемом поворотном кронштейне, а также имеет собственную энергетическую подводку. В эту же часть металлографического микроскопа входит группа светофильтров с разными цветами. Что касается центрального блока, то в нем размещается сразу несколько функциональных компонентов, среди которых призменная оптическая система, осветительный тубус, предметные столики, регуляционные механизмы, окулярные насадки и вспомогательные средства для организации технических операций в процессе работы. Вся вышеописанная инфраструктура размещается на несущей базе – столе микроскопа, который содержит оптическую скамью и разного рода ящики с тумбами, в которых хранятся принадлежности аппарата.

Принцип действия

Главная задача прибора заключается в обработке параметров излучения, отражаемого поверхностью объекта. Для этого применяется вышеупомянутая оптическая система, фиксирующая малейшие изменения апертурной диафрагмы на фоне регуляции параметров освещения объекта. В некотором смысле рабочим фактором замера выступает ход лучей, который по-разному себя проявляет в светлых и темных полях. Например, при исследовании в светлом поле лучи, поступающие от лампы, проходят через диафрагмы (полевую и апертурную) и направляются к отражательной пластине. Последняя, в свою очередь, отражает характеристики исследуемой структуры, частично переправляя свет и на целевое изделие с помощью объектива.

При наблюдении предметов в темном поле оптический металлографический микроскоп взаимодействует с параболической зеркально-отражающей поверхностью, кольцевой диафрагмой и откидной линзой. Крайние пучки излучения, минуя диафрагму, направляются к кольцевому зеркалу, охватывающему пластину с отражателем. С этого момента зеркало начинает отражать свет на конденсор с перенаправлением лучей в плоскость объекта. Изображение сформируется на основе характеристик отраженных лучей, прошедших через объектив и попавших в оптический тубус.

Характеристики металлографического микроскопа

Рабочий процесс аппарата характеризуется двумя группами параметров – это показатели объектива и окуляра. К основным рабочим параметрам объектива относятся:

Кратность увеличения – от 11х до 30х в условиях светлого поля, и от 30х до 90х при исследованиях в темном поле.
Численная апертура – от 0,17 до 1,3.
Фокусное расстояние – в среднем от 2,4 до 23 мм.
Свободное расстояние – от 0,13 до 5,4 мм.

В случае с окуляром металлографического микроскопа стоит выделить две ключевые характеристики:

Фокусное расстояние – от 12 до 83 мм.
Линейное поле зрения – от 8 до 20 мм.

Инструкция по эксплуатации

Перед использованием прибора необходимо отрегулировать станинную или рабочую платформу конструкции, открыть апертурную диафрагму, настроить механические крепежные узлы и передвинуть коллектор анализа к лампе. Если используется портативный металлографический микроскоп, то оптимальной комбинации настроек окуляра и объектива поможет добиться программное обеспечение, так как переносные модели устройства предусматривают возможность подключения к компьютерным станциям непосредственно в лабораторных условиях. Так или иначе, к началу работы рекомендуется устанавливать шкалу увеличения в диапазоне от 500 до 1000 апертур. Далее можно переходить к сфетофильтрам, которые подбираются по характеристикам объективов-ахроматов. В данном случае универсальным решением будет поправка на средние тона видимой части. С апохроматами не сочетается только желто-зеленый светофильтр. После настройки запускается процесс оптической обработки данных формируемого изображения, графические материалы которого в дальнейшем отправляются на расшифровку в соответствии с задачами анализа.

Заключение

4 – рукоятка подачи объектива; 5 – визуальный тубус; 6 – рукоятка диафрагмы темного поля; 7 – иллюминатор; 8 – предметный стол; 9 – винты перемещения стола; 10 – клеммы; 11 – осветитель; 12 – рукоятка стопорного устройства осветителя; 13 – рукоятка диска с набором светофильтров; 14 – рукоятка грубой подачи стола; 15 – матовая пластинка в рамке; 16 – анализатор; 17 – корпус центральной части.

б) – вид сзади: 1 – стопорная рукоятка грубой подачи; 2 – рукоятка окуляра; 3 – центровочные винты полевой диафрагмы; 4 – рукоятка полевой диафрагмы; 5 – фотоокуляр; 6 – рамка с дополнительными линзами; 7 – оправа осветительной линзы; 8 – кольцо апертурной диафрагмы; 9 – винт смещения апертурной диафрагмы; 10 – стопорный винт; 11 – осветитель; 12 – центровочные винты; 13 – кожух центропризмы

Основные системы микроскопа: оптическая, осветительная с фотографической аппаратурой и механическая.

Оптическая система микроскопа включает объектив и окуляр, от которых зависит увеличение микроскопа и ряд вспомогательных элементов (призмы, зеркала, линзы и пр.).

Объектив, представляющий собой сложное сочетание линз, дает действительное увеличение обратного изображения микроструктуры микрошлифа.

Окуляр состоит из нескольких линз и предназначен для увеличения изображения, полученного объективом и преобразования его из обратного в прямое. В таблице 1 содержатся характеристики объек-

тивов для микроскопа МИМ-7 и создаваемые им увеличения.

Таблица 1 – Увеличение микроскопа МИМ-7

Обозначение объектива	окуляры
на матовом стекле	при визуальном наблюдении
7 x	10 x	15 x	7 x	10 x	15 x	20 x
=23,2 А=0,17	(70)	(60)
=13,9 А=0,30	(115)	(100)
=8,2 А=0,37
=6,2 А=0,65	(260)	(250)	(650)
=2,77 А=1,25	(1440)
=2,8 А=1,00	(1350)	(1440)

Примечание: увеличения, поставленные в скобки применять не рекомендуется

В осветительную систему микроскопа входят: источник света, серия линз, светофильтров и диафрагм. Источником света является электрическая лампа (17 B), включаемая в сеть через понижающий трансформатор.

Часть света, излучаемого лампой 1 (рис. 2), проходит через коллектор 2 на зеркало 3, далее через светофильтр 4, апертурную диафрагму 5, линзу 6, полевую диафрагму 8, пентапризму 9, линзу 10 поступает на пластину 11. Пластинка 11 полупрозрачная, пропускает около 2/3 светового потока и лишь около 1/3 его отражает на объектив 12, который фокусирует лучи на поверхности микрошлифа 13. Отраженные от объекта лучи проходят через объектив 12, плоскопараллельную пластинку 11, ахроматическую линзу 14, зеркало 18, окуляр 19 и попадают в глаз наблюдателя. Для фотографирования окуляром 19 и зеркалом 18 выдвигают тубус и лучи проходят через один из трех фотоокуляров 15 на зеркало 16 и фотопластинку или матовое стекло 17. Экспонирование осуществляют с помощью фотозатвора 7. Полевая диафрагма 8 служит для ограничения наблюдаемого объекта.

При работе в темном поле вместо линзы 10 устанавливается линза 22 и включается диафрагма 23. Пройдя линзу 22, свет идет параллельным пучком, т.к. на пути луча стоит диафрагма 23, то на зеркало 25 падает пучок лучей в виде светового кольца. Отразившись от зеркала 25, лучи падают на внутреннюю зеркальную поверхность параболического зеркала 24 (ЭПИобъектива). Отразившись от параболического зеркала, лучи концентрируются на предмете.

Качественное изображение микроструктуры обеспечивается, когда общее увеличение оптической системы не превышает её полезного увеличения, которое для видимого света в данной системе равно 500. 1000 апертур взятого объектива. Качество изображения зависит и от степени коррекции ошибок изображений (геометрической или хроматической аберрации).

Рисунок 2 – Оптическая схема хода лучей в микроскопе МИМ-7

(при работе в светлом поле):

1 – лампа; 2 – коллектор; 3, 16, 18, 25 – зеркала; 4 – светофильтры (синий, желто-зеленый, оранжевый, зеленый); 5 – апертурная диафрагма; 6, 10, 22 – линза; 7 – фотозатвор; 8 – полевая диафрагма; 9 – пентопризма; 11 – отражательная пластинка; 12 – объектив; 13 – плоскость предмета; 14 – ахроматическая линза; 15 – фотоокуляр; 17 – матовая пластинка; 19 – окуляр; 20 – вкладной анализатор; 21 – поляризатор; 23 – диафрагма; 24 – параболическое зеркало

Общее увеличение микроскопа (V₀) равно произведению увеличений объектива (V_об) иокуляра (V_ок):

где l – оптическая длина тубуса, м.;

F_об – фокусное расстояние объектива, м.;

F_ок – фокусное расстояние окуляра, м.

Разрешающая способность оптической системы микроскопа (RС, м -1 ) – это величина, обратная минимальному расстоянию между двумя точками, когда они еще видны раздельно

где d_min – минимальное расстояние между двумя точками, когда они еще видны раздельно, м.;

n – коэффициент преломления между объектом и фронтальной линзой объектива;

a – половина отвесного угла фронтальной линзы объектива;

l – длина волны света, м.;

А – числовая апертура.

Чем меньше абсолютное значение a, тем выше RC системы, достигающая максимума при А = 1,5 и l = 6 ×10 -7 м.:

RС_m_ах = 2×1,5 / (6×10 -7 ) = 5×10 8 (м -1 ).

Микрошлифы обычно просматривают в воздушной среде (n = 1). Поместив между объективом и фронтальной линзой объектива среду c большим показателем преломления (например, каплю кедрового масла, n =1,52), можно достичь максимального увеличения и разрешающей способности.

Максимальное полезное увеличение микроскопа (V_П) – это увеличение, при котором выявляются детали структуры:

где RC_Г – максимальная разрешающая способность человеческого глаза, м -1 :

В рассматриваемом случае V_П = 5×10 8 / (3×10 4 ) = 1500.

Читайте также: