Лабораторная работа №2 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.

Н

аилучшей 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.

Б

Рис.1

ыстрота 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.).

В

Рис.2

ырезанный 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. Полировальными составами 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 1 л 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.

П

ри 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.

М

Рис.3

еталлографический 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.

О

тверсным 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

У

Рис.5

Рис.6

величение 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