3. Измерение микроскопических объектов при помощи окулярных и объективных микрометров

Окулярный микрометр (окуляр-микрометр) представляет собой обычный окуляр, в который вставлена (между линзами) круглая тонкая стеклянная пластинка со шкалой (длиной 5 мм) с делениями через 0,1мм.

Рис.4.Объективный микрометр

Объективный микрометр (объект - микрометр) имеет стеклянную или металлическую пластинку (рис.4), на которой нанесена шкала (длиной обычно 1 мм) с делениями через 0,01 мм (10 мкм).

При помощи окуляра - микрометра измеряют микроскопические объекты - величину зерен, глубину цементованного и азотированного слоев, и др. В связи с тем, что увеличение микроскопа зависит от комбинации окуляра и объектива, цена деления окуляра - микрометра будет зависеть от того, в паре с каким объективом рассматривается в окуляре - микрометре микрошлиф. Поэтому необходимо для каждого объектива в отдельности определить цену деления окуляра - микрометра.

3.1 Определение цены деления окуляр - микрометра.

Окуляр - микрометр используют для измерения линейных размеров разнообразных микроскопических объектов. В комплекте оптики микроскопа МИМ-7 для этого приспособлен окуляр 7. Вращая головку глазной линзы такого окуляра, получают резкое изображение его шкалы на фоне микроструктуры.

Прежде чем проводить измерение микрообъектов, необходимо определить цену деления окуляр - микрометра. Цена деления окуляр - микрометра зависит от увеличения объектива: она тем меньше, чем больше увеличение объектива. Цену деления объектива окуляр – микрометра определяют для каждого сочетания объектива и окуляра при помощи объект - микрометра.

Объект - микрометр помещают на предметном столике микроскопа. Наводку на резкость шкалы объект - микрометра осуществляют с помощью макро- и микровинтов. Резкость изображения шкалы окуляр - микрометр достигается вращением оправки глазной линзы окуляра.

После наводки на резкость, изображение шкалы объект – микрометра совмещают с изображением шкалы окуляр – микрометра (рис.5).Это достигается перемещением предметного столика и поворотом всего окуляр - микрометра в окулярном тубусе. При совмещении шкал подсчитывают число делений объект - микрометра, укладывающихся в некоторое число делений окуляр - микрометра. Цену деления окулярной шкалы определяют следующим соотношением.

Рис.5. Совмещение шкалы объект – микрометра и шкалы окуляр – микрометра.

где N_об. и N_ок. – число совмещенных делений объект - и окуляр – микрометров; 0,01 – цена деления (мм) объект – микрометра.

3.2. Определение размера зерна

сплавы, имеющие мелкие зерна обладают более высокими механическими свойствами: прочностью, пластичностью и вязкостью. Поэтому размер зерна зависит от состава и технологического процесса изготовления сплава (условий выплавки, разливки, обработки давлением, термической обработки) и могут быть не одинаковыми в различных плавках одного и того же состава, то во многих случаях необходимо экспериментальное определение их размеров.

Величина действительного зерна, т.е. зерна, которое имеет сплав в условиях эксплуатации и которое образуется при принятой обработке, определяется на микрошлифах путем травления. Для выявления структуры углеродистых, легированных сталей и чугунов наиболее часто используют реактивы:

1. Спиртовой раствор азотной кислоты (реактив Ржешотарского) - азотная кислота (плотность 1,4) 1-5 мл, этиловый спирт 100 мл.

2. Спиртовой раствор пикриновой кислоты (реактив Ижевского) - пикриновая кислота (кристаллическая) 4 г, этиловый спирт 100 мл.

Зерна попадают в плоскость шлифа произвольными сечениями. Поэтому даже если бы зерна имели в пространстве идеально одинаковую форму и размеры, их сечения плоскостью шлифа все равно были бы не одинаковыми.

Основными параметрами размера зерен металла, однофазного сплава, а также любой фазы является среднее число зерен в единице площади шлифа (N_cp) средняя площадь сечения зерна в плоскости шлифа (F_cp) и средний линейный размер зерна (Д_ср).

Для приближенной оценки размера зерна применяют сравнение исследуемой структуры с эталонными структурами при 100 - кратном увеличении. При этом размер зерен характеризуется условным порядковым номером (баллом) эталонной структуры, соответствующей определенной F_cp (или N_ср).

Большой точностью отличается широко известный метод Джеффриса. На матовом стекле микроскопа или на микрофотографии подсчитывают число зерен внутри квадрата или круга с известной площадью. Для этого удобно использовать картонный шаблон с квадратным отверстием.

Приведенное число зерен внутри квадрата

N=N₁+0,5N₂+1,

где N₁ - число зерен, целиком располагающихся внутри квадрата, N₂ - число зерен, пересеченных сторонами квадрата.

Коэффициент 0,5 учитывает, что сторона квадрата, пересекает ряд зерен, оставляет по обе стороны от себя статистически одинаковые суммарные площади зерен, т.е. каждое пересеченное зерно принадлежит квадрату своей 0,5 частью. Зерно, попавшее в вершину квадрата, принадлежит ему на ¹/₄ часть, а так как таких вершинных зерен четыре, то их вклад в величину N составит 1.

Увеличение микроскопа или размер квадрата выбирают так, чтобы N=10-20, чтобы не сбиваться со счета. Общее число зерен, подсчитанное в разных участках шлифа должно быть не менее 150 -200. При подсчете следует учитывать все зерна, в том числе и самые малые, т. к. они в действительности могут оказаться случайными сечениями крупных зерен. Зная площадь квадрата на матовом стекле (Q мм²), легко подсчитать действительную площадь на шлифе – Q/M², где М – линейное увеличение микроскопа на матовом стекле.

Среднее число зерен в единице площади шлифа, получаем делением приведенного числа зерен в квадрате (N) на его действительную площадь (Q/M²)

N_ср=N· M²/Q (1/мм²)

Средняя площадь зерна

F_cр=Q·10⁶/N·M² (мкм²)

Величина F_ср всегда меньше максимальной площади сечения зерна в объеме шлифа.

Линейный размер зерна часто характеризуют величиной, называемой средним диаметром (Д_ср). Но следует отметить, что зерна не сферичны. Как правило, они имеют форму многогранников. При выборе характерного линейного размера таких тел имеется неопределенность. Линейным размером многогранника является длина его ребра, расстояние между противоположными гранями др. Для характеристики среднего линейного размера зерна в объеме можно использовать диаметр сферы, вписанный в многогранник, и его условно называть диаметром зерна. Приближенно величину Д_ср рассчитывают, исходя из измеренного по способу Джеффриса числа зерен в единице площади шлифа.

(мкм)

Средний линейный размер зерна однофазного сплава матричной фазы в многофазном сплаве, а также средний линейный размер частиц фаз и участков структурных составляющих любой формы часто определяют прямо в плоскости шлифа методом произвольных секущих, измеряя отрезки секущих, приходящиеся на изучаемые микрообъекты (всего измеряют 100-300 таких отрезков).