МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД ИСЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомиться с технологией приготовления микрошлифов, с устройством металлографического микроскопа и работой на ней.

Оборудование: металлографический микроскоп, установка для приготовления микрошлифов, травители.

Объект исследования: микрошлифы металлов и сплавов.

Одним из методов исследования металлов является микроско­пический или микроанализ. Микроскопический метод применяется для изучения строения металлов с помощью металлографического микроскопа. Впервые этот метод применён в 1831 г. русским металлургом П.П. Аносовым.

Структура металлов, наблюдаемая под микроскопом, называет­ся микроструктурой. Она представляет собой изображение очень малого участка поверхности, составленное из отраженных от него световых лучей.

Наилучшей отражающей способностью обладает ровная полированная поверхность (Рис.1). Поэтому для проведения микроанализа необходимо приготовить специальный образец с ровной поверхностью, называемый микрошлифом. Приготовление микрошлифа состоит в вырезании образца, его шлифовке и полировке. Образец должен быть вырезан из такого места изделия или заготовки, которое представляет в данном исследовании наибольший интерес.

Рис.1

Быстрота и удобство подготовки микрошлифа зависят в значительной степени от размеров образца. Удобной является либо цилиндрическая форма образцов диаметром 10-12 мм, и высотой 0,7-0,8 диаметра, либо прямоугольная сечением 12х12 мм и высотой 10-15мм (Рис.2).

В случае небольших размеров исследуемых образцов (проволока тонкий лист, мелкие детали), для приготовления микрошлифов их зажимают в струбцины, заливают в легкоплавкие материалы (сера, бакелит, полистирол, этакрил и т.д.).

Рис.2

Вырезанный ножовкой, карборундовым кругом или на токарном станке, образец затачивается (заторцовывается) на абразивном круге не допуская перегрева поверхности, далее образец шлифуется на наждачной шкурке с постепенным переходом от шкурки с крупным зерном к шкурке с мелким зерном.

Шлифование производится вручную или на механическом станке с вращающимися дисками. Шлифуют до полного исчезновения рисок предыдущей обработки. При переходе на более мелкозернистую шкурку образец очищают от наждачной пыли, поворачивают на 90° и снова шлифуют до исчезновения рисок предыдущего направления. После тонкого шлифования образец промывают струей воды для удаления частиц металла и абразива и подвергают полированию до полного исчезновения рисок и получения зеркальной поверхности.

Механическое полирование производят на специальном полировальном станке с кругом, обтянутым сукном или фетром. Сукно периодически смачивают полировальной жидкостью. Полировальнымисоставами являются взвешенные в воде мелкие порошки окиси алюминия, окиси хрома, окиси железа и окиси магния. Чаще для полирования применяют окись хрома и окись алюминия (на 1л воды 10-15 г окиси хрома или 5 г окиси алюминия).

После полирования образец промывают водой, полированную поверхность протирают ватой, смоченной спиртом, и сушат промоканием (НЕ ВТИРАНИЕМ!) фильтровальной ватой. Для выявления микроструктуры полированную поверхность подвергают травлению реактивами. Наибольшее распространение для травления черных металлов получил 4%-ый раствор азотной кислоты в спирте.

При освещении протравленного микрошлифа на металлографическом микроскопе лучи света будут по-разному отражаться от различно протратившихся структурных составляющих. Таким образом, на разнице в состоянии поверхности и количестве отраженных лучей и основано выявление структуры сплавов (Рис.3).

Для исследования микроструктуры приготовленного шлифа используют металлографические микроскопы. Они изображают объект в отраженном свете и поэтому могут использоваться для исследования строения непрозрачных предметов.

Рис.3

Металлографический микроскоп состоит из оптической системы, оптического устройства и механической системы. Принципиальная схема металлографического микроскопа представлена на рис. 6.

Подготовленный соответствующим образом микрошлиф 1 помещается 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 лампы 3, коллекторной линзы 4, апертурой 5 и полевой 7 диафрагм, вспомогательных линз 6, 8 и полупрозрачной пластинки 9.

Основными характеристиками качества микроскопа являются разрешающая способность и увеличение.

Разрешающая способность микроскопа (d) (способность различать мельчайшие частицы раздельно) характеризуется формулой:

 

,

Где,

λ – длина волны света в ангстремах (для обычного белого света λ=6000Ȃ);

А - числовая апертура объектива.

Чем короче длина волны и чем больше апертура, тем более мелкие частицы будут различимы в микроскопе.

Числовая апертура линзы объектива определяется уравнением:

 

,

Где,

N – коэффициент преломления среды между предметом и объективом;

φ – половина отверсного угла объектива.

Отверсным углом называется угол АВ (рис. 4), образованный краевыми лучами ОА и ОВ. Практический отверсный угол объектива не превышает 144° и, таким образом, , а .

При коэффициенте преломления воздуха, равном 1, наибольшее значение числовой апертуры

 

Рис.4

А при применении кедрового масла с коэффициентом преломления n=1,52 наибольшее значение числовой апертуры

 

 

Вещество, которое заполняет пространство между объективом и предметом, называется иммерсией, а объективы пригодные для работы в такой среде, называются иммерсионными объективами.

Обычно для освещения шлифа применяется белый свет, для которого можно применить λ=0,55 мкм.

При применении иммерсионного объектива с числовой апертурой А=1,44, разрешающая способность микроскопа

 

 

Рис.5

Рис.6

Увеличение микроскопа равно произведению соответствующих увеличений объектива и окуляра. Основное увеличение обеспечивается объективом, оно может достигать 100. Объектив увеличивает рассматриваемую структуру. Увеличение окуляра обычно не превышает 20. Окуляр увеличивает лишь изображение, получаемое от объектива.

Рис.7