Методическое пособие 200

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

Механическая система микроскопа Механическая система микроскопа включает штатив, ту-

бус, предметный столик с винтами его перемещения. Шлиф устанавливается на предметный столик по центру отверстия в сменной подкладке, через которую лучи света попадают на шлиф и, отражаясь от него, направляются на другие элементы оптической системы.

Для получения изображения шлиф, установленный на столике, наводят на фокус с помощью макрометрического винта, который поднимает или опускает столик, обеспечивая приблизительную фокусировку. Точная фокусировка обеспечивается микровинтом, один оборот которого смещает объектив к шлифу на доли миллиметра.

Оптические микроскопы по устройству делятся на вертикальные (МИМ-7, ММР-4, ММУ-3 и др.) и горизонтальные (МИМ-8М), МИМ-9 и др.).

Задание

1.Ознакомиться с задачами и возможностями оптического микроанализа.

2.Ознакомиться с приемами приготовления микрошли-

фов.

3.Ознакомиться с принципиальной схемой и устройством микроскопа МИМ-7.

4.Настроить микроскоп на рассмотрение структуры микрошлифов.

5.Определить максимальное полезное увеличение микроскопа.

6.Определить общее увеличение микроскопа при данной комбинации объектива и окуляра.

7.Просмотреть и зарисовать структуру различных мате-

риалов.

8.Объяснить, каким образом выявляется микроструктура (зерна, границы зерен и другие элементы).

9.Составить отчет о работе

14

Контрольные вопросы

1. Каковы задачи и возможности оптической микроско-

пии?

2.Методика приготовления микрошлифа?

3.С какой целью осуществляется химическое или электролитическое травление и полирование микрошлифов? Объясните механизм формирования контраста.

4.Из каких основных элементов состоит оптическая система микроскопа?

5.Расскажите об устройстве микроскопа МИМ-7.

6.Назовите дефекты оптики и способы их устранения или уменьшения.

7.Какие объективы и окуляры Вам известны?

8.Дайте определение разрешающей способности систе-

мы.

9.Какие методы микроскопического исследования объектов Вам известны?

Лабораторная работа №3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение методик определения различных механических

свойств металлов.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Испытания материалов методом определения твердости, а также методом статического растяжения образцов относятся к наиболее распространенным видам определения основных механических свойств (твердости, прочности и пластичности).

15

Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера. Эта формулировка пригодна не для всех существующих методов оценки твердости. Разнообразие этих методов и разный физический смысл чисел твердости затрудняют выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление пластической деформации, сопротивление металла разрушению. Способы определения твердости делят на статические и динамические - в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания.

Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно приготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалины, выбоины, вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены.

Испытание на твердость по Роквеллу. При измерении твердости по Роквеллу индентор - алмазный конус с углом при вершине 1200 и радиусом закругления 0,2 мм или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма) - вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0 и общей Р = Р0 + Р1, где Р1 – основная нагрузка.

Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой (рис. 4).

16

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость определяют по двум «шкалам» - А и С. При измерении по шкале А: Р0 = 10 кг; Р1 = 50 кг; Р = 60 кг. По шка-

ле С: Р0 = 10 кг; Р1=140 гк; Р=150 кг.

Единица твердости (0,002 мм – цена деления шкалы индикатора твердомера Роквелла) по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.

Рис. 4. Положение индентора при определении твердости по Роквеллу

При использовании в качестве индентора стального шарика число твердости HR определяют по шкале В, т.е. при Р0 =

10 кг, Р1 = 90 кг, Р=100 кг.

Твердость по шкале В измеряется на изделиях малой толщины и средней прочности. Твердость по шкале С является показателем качества закалки и цементации. Определение твердости по шкале А применяется для изделий из сверхтвердых сплавов или с тонким закаленным слоем.

По шкале А измеряют твердость в пределах 70-85 единиц, по шкале В – 25-100, по шкале С – 20-67.

Условия испытания и применяемые инденторы приведены в табл. 1.

17

Таблица 1 Условия измерения твердости и применяемые инденторы

Порядок выполнения работы при измерении твердости

HR:

1)в зависимости от предложенного образца выбрать режим измерения твердости;

2)установить необходимый индентор и нагрузку;

3)установить образец на стол прибора;

4)вращением маховичка по часовой стрелке приложить предварительную нагрузку, совместив малую стрелку индикатора с красной точкой;

5)установить большую стрелку на 0 черной шкалы;

6)приложить основную нагрузку;

18