Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические основы материаловедения» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика». Жиляков Д.Г., Горожанкина О.В

микрорельеф. Поэтому при наблюдении в микроскоп сильнее растворившиеся элементы структуры из-за тени и более низкого коэффициента отражения представляются более темными, а нерастворившиеся или слаборастворившиеся – более светлыми.

Важно, чтобы условия подготовки объекта иссследования (нагрев и деформация при вырезке шлифа и его шлифовке, появление оксидных и других пленок травления) не меняли структурное состояние материала. Так можно осуществлять бездеформационную резку на электроискровых станках, а механическую полировку заменять электрополировкой, проводить исследование шлифов в среде инертных газов или в вакууме при высоких и низких температурах с использованием специальных приставок к металлографическому микроскопу.

Основные системы оптического микроскопа. Все металлографические микроскопы (оптические) позволяют изучать непрозрачные тела в отраженном свете.

Микроскоп включает в себя следующие основные системы: оптическую, осветительную с фотографической аппаратурой и механическую.

Оптическая система и увеличение микроскопа. Оптическая система включает объектив, окуляр и ряд вспомогательных оптических элементов (зеркала, призмы, линзы и т.д.).

Расстояние между фокусами объектива и окуляра называется оптической длиной тубуса . О длине тубуса можно примерно судить по расстоянию между опорной плоскостью объектива и верхним краем тубуса микроскопа, где находится окуляр. Совершенство изображения, создаваемого микроскопом (его резкость и контрастность) зависит от степени устранения оптических недостатков – сферической и хроматической аберраций.

Сферическая аберрация обусловлена различным преломлением лучей по краям линзы и в ее центре, и поэтому лучи не сходятся в одной точке, что ухудшает четкость изображения.

Хроматическая аберрация обусловлена неодинаковым преломлением в линзе лучей различного цвета, которые не сходятся в одном фокусе, что также ухудшает четкость изображения.

9

Уменьшение сферической аберрации достигается комбинацией двух линз – выпуклой (собирательной) и вогнутой (рассеивающей), имеющих одинаковую, но различно направленную сферическую аберрацию. Хроматическая аберрация уменьшается комбинацией линз из различных сортов стекла с различными показателями преломления. Для устранения аберраций объективы имеют ряд коррекционных линз (выпуклых и вогнутых) из различных сортов стекла.

Объекты металлографических исследований не прозрачны, поэтому в металлографических микроскопах формирование изображения осуществляется в отраженных лучах света. На рис. 2 представлен металлографический микроскоп МИМ-7. Свет от источника 13 проходит через светофильтр 14 и преломившись в призме далее через апертурную и полевую диафрагму, попадает в преломляющую систему, которая направляет его через объектив на поверхность шлифа 16 , отразившись от которой (рис. 2,б), свет возвращается через объектив и тубус 5 окуляра, попадая в глаз исследователя или, отразившись от зеркала (при выдвинутом тубусе), на матовое стекло 2 фотокамеры.

Сюда следует отнести и такие приемы, как использование светофильтров, поляризованного света, косого освещения шлифа, получения изображения в сильно отраженных лучах (темнопольного изображения).

Оптическая система микроскопа может дать четкое изображение объекта исследования, если его поверхность находится на определенном расстоянии от объектива, равном фокусному расстоянию (рис. 3,б). Установка поверхности шлифа на этом расстоянии осуществляется вначале винтом грубой настройки 12, до появления изображения в объективе, а затем, после его фиксации, винтом точной настройки 4 (рис. 3,а).

Выбор нужного места на шлифе производится горизонтальным перемещением предметного столика 10 микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Расстояние между фокусами объектива и окуляра называются оптической длиной тубуса l (для микроскопа МИМ-7, l =250 мм).

10

Максимально полезное увеличение микроскопа, т.е. увеличение, при котором выявляются детали исследуемой микроструктуры, определяется по формуле

где d1 – максимальная разрешающая способность человеческого глаза, равная 0,3 мм; d – максимальная разрешающая способность оптической системы.

Естественно, чем меньше d, тем больше полезное увеличение микроскопа.

Величина, равная минимальному расстоянию между двумя точками, при котором точки различаются раздельно, называется разрешающей способностью оптической системы d. Значение d определяется условиями дифракции света и выражается в условиях прямого освещения формулой

d = 2nsin , (5)

где - длина волны света (для белого света = 6 10-4 мм); n – коэффициент преломления среды между объективом микроскопа и шлифом (для воздуха n = 1, для кедрового масла n = 1,52); - угловая апертура объектива, равная половине угла, под которым виден зрачок объектива из точки предмета, лежа-

щей на оптической оси (отверсный угол) ( max = 730). Величина nsin =A называется числовой апертурой объ-

ектива. Числовая апертура влияет на четкость изображения и определяет разрешающую способность микроскопа, которая возрастает при увеличении А.

На практике просматривают микрошлиф в воздушной среде с обычными (сухими) объективами. Для получения больших увеличений (от 600 до 2000 раз) между поверхностью объектива и рассматриваемым шлифом создают иммерсион-

11

ную среду, имеющую высокий коэффициент преломления. Каплю кедрового масла наносят на верхнюю поверхность линзы иммерсионного объектива. Тогда

Общее увеличение микроскопа Nм равно произведению увеличений объектива Nоб и окуляра Nок :

где L - оптическая длина тубуса в мм (расстояние от фокальной плоскости объектива до фокальной плоскости окуляра; в микроскопе МИМ-7 L=250 мм);

Fоб, Fок - фокусное расстояние объектива и окуляра (в мм) соответственно.

Примечание. Так как обычно Fок на самом окуляре не указывается, а указывается его увеличение Nок (на торцевой поверхности, например, 15х), то второй сомножитель в формуле (1) подставляется в готовом виде.

Фокусное расстояние объектива Fоб и его числовая апертура А указаны на боковой поверхности объектива.

Чтобы получить четкое изображение объекта, необходимо выполнить следующее условие: общее увеличение не должно превосходить полезное увеличение. Для оптического микроскопа полезное увеличение находится в пределах 500 1000 апертур взятого объектива.

Если, например, взят объектив с апертурой 0,65, то максимальное полезное увеличение оптической системы составит 650. Так как взятый объектив дает увеличение в 40 раз, то уве-

12

личение окуляра не должно быть более 15 раз. В противном случае мы получим размытое, нечеткое изображение.

Рис.3. Микроскоп вертикальный металлографический МИМ-7: 1 - фотокамера, 2 - матовое стекло, 3 - корпус, 4 –

микрометрическая подача объектива, 5 – визуальный тубус, 6

– анализатор, 7 – иллюминатор, 8 – столик, 9 – клеммы, 10 – рукоятки перемещения стола, 11 – кожух пентапризмы, 12 – рукоятка грубой подачи стола, 13 – осветитель, 14 – светофильтр, 15 – диафрагма, 16микрошлиф

13