Microscopul Metalografic

1.1 Aspecte teoretice

Microscoapele metalografice sunt microscoape optice, la care se analizeaza în lumina reflectata materialele opace, cum sunt materialele metalice, ceramice, compozite, etc.

1.1.1 Principiul de functionare

Schema optica de principiu a unui microscop metalografic se prezinta în fig. 1.1 si contine doua lentile: obiectivul îndreptat catre obiect si ocularul în dreptul ochiului.

Lumina reflectata de obiect (suprafata probei metalografice) trece prin obiectiv, care formeaza o imagine intermediara marita si rasturnata. Aceasta imagine este apoi marita de ocular, formând o imagine virtuala vizibila cu ochiul, sau o imagine reala proiectata pe un ecran de proiectie, film sau placa fotografica.

1.1.2. Caracteristici optice

Caracteristicile optice ale microscoapelor sunt:

- puterea de marire;

- apertura obiectivului;

- puterea de rezolutie;

puterea de rezolutie verticala.

a) Puterea de marire (marirea liniara ) a microscopului este data de raportul dintre marimea imaginii si marimea obiectului. Se determina ca produs al maririlor proprii ale obiectivului si ocularului utilizate:

M = Ir /O = ( Ir / Ii ) x ( Ii / O ) =M_ob x M_oc (1.1)

Marirea obiectivului se calculeaza cu relatia:

Mob = L / Fob (1.2)

unde L= 160....250 mm este lungimea optica a tubului microscopic; Fob - distanta focala a obiectivului (mm).

Marirea ocularului este data de relatia:

unde d = 250 mm este distanta vederii normale, de la care prin conventie un obiect este vazut în marime naturala; Foc-distanta focala a ocularului (mm).

Ocularele si uneori obiectivele au gravata pe montura marirea proprie. La unele microscoape (MIM 7) pe montura obiectivului este gravata distanta focala. În acest caz se calculeaza mari 22422h720w rea obiectivului cu relatia (1.2) în functie de lungimea tubului optic. Maririle microscopului sunt în general prezentate tabelar în Cartea tehnica a aparatului, functie de obiectivele si ocularele asociate.

Pentru masuratori de precizie, se utilizeaza micrometrul obiectiv.

b) Apertura obiectivului (deschiderea sa numerica) este un indicativ al capacitatii obiectivului de a strânge razele de lumina reflectate de proba.

Apertura se calculeaza cu relatia:

A = n · sin a (1.4)

unde: n - indicele de refractie al mediului dintre obiect si obiectiv, n=1 pentru aer, n=1,518 pentru ulei de cedru; n_max= 1,734 pentru lichid refrigerent (monobromnaftalina).

a - semiunghiul conului de lumina, de divergenta maxima, care patrunde în obiectiv de la proba (fig. 1.2).

Constructiv, a_max= 72⁰ si deci apertura maxima în aer este 0,95. Rezulta ca obiectivele cu apertura mai mare de 0,95 trebuiesc utilizate cu lichide de imersie, cel mai des folosit fiind uleiul de cedru.

Apertura este o caracteristica importanta a obiectivului care îi determina puterea de rezolutie. De asemenea alegerea ocularului se face în corelatie cu apertura obiectivului.

Conform regulei lui Abbe, marirea microscopului trebuie sa fie cuprinsa între 500 si 1000 ori apertura obiectivului utilizat:

500 A < M < 1000 A (1.5)

De exemplu, obiectivul cu apertura 0,30 si marire 15x poate realiza mariri ale microscopului între 150-300x. Rezulta ca se pot asocia oculare cu mariri proprii cuprinse între 10-20x. Ocularele cu mariri mai mici nu utilizeaza pentru ca sterg din puterea de rezolutie a obiectivului, cele cu mariri mai mari nu pot da detalii suplimentare.

c) Puterea de rezolutie (de separare) este definita prin distanta d minima dintre doua puncte, pentru care obiectivul da imagini distincte. Se calculeaza cu relatia:

d = 0,61 x l/A    (1.6)

unde: l este lungimea de unda a luminii folosite. l mm pentru lumina albastra, 0,6 mm pentru lumina alba si 0,8 mm pentru lumina rosie.

Puterea de rezolutie maxima (d_min) este de 0,15 mm când se foloseste lumina albastra, imersie în lichid refrigerent si obiective cu a maxim.

Considerând puterea de rezolutie a ochiului d1 = 0,3 mm, rezulta ca marirea maxima a microscopului metalografic este:

Mmax = d1 / dmin = 2000 (1.7)

d) Puterea de rezolutie pe verticala (adâncimea câmpului) reprezinta distanta maxima dintre doua plane paralele cu suprafata de observatie, pentru care toate punctele se observa distinct.

Adâncimea câmpului este invers proportionala cu apertura si puterea de marire. De exemplu:

Pentru obiective cu A = 0,30 si M = 300rezulta d = 0,8 mm ; pentru A = 0,95 si M = 1000; d = 0,075 mm.

De aceea proba metalografica trebuie sa prezinte suprafata plana, fara relief, bine lustruita si cu atac metalografic cu atât mai slab cu cât marirea este mai mare.

1.1.3 Parti componente

Orice microscop este format din: sistemul optic, sistemul de iluminare, sistemul mecanic de reglaj.

1.1.3.1 Sistemul optic

Sistemul optic cuprinde obiectivul si ocularul.

Obiectivul este un sistem compus convergent, format dintr-o lentila plan-convexa care realizeaza imaginea marita a obiectivului si o serie de lentile care corecteaza defectele primei lentile. Cele mai frecvente defecte sunt aberatia cromatica si de sfericitate.

- acromatice, corectate pentru zona centrala (galben verde) a spectrului, se folosesc cu filtru galben-verde si material fotografic ortocromatic. În lumina alba marginile unei structuri incolore au o irizatie rosie;

- semiapocromatice (cu fluorina), cu corectie ameliorata fata de obiectivele acromatice si se utilizeaza pentru microfotografiere. În lumina alba marginile unei structuri incolore au o irizatie verde.

- apocromatice, corectate pentru întreg spectrul. Se folosesc fara filtru si cu orice material fotografic. Imaginea nu prezinta irizatii marginale.

Aberatia de sfericitate este determinata de curbura suprafetelor lentilelor si apare în conditiile fasciculelor largi de lumina. Razele centrale sunt mai putin refractate decât cele marginale. Se formeaza o serie de imagini în plane succesive, ceea ce conduce la o luminare neuniforma. Aberatia de sfericitate se elimina prin asocierea unei lentile concave cu alta concava, astfel încât aberatiile sa se compenseze.

Ocularul este o lentila plan convexa, care mareste imaginea intermediara data de obiectiv si corijeaza unele defecte optice. Ocularele pot fi:

- obisnuite, tip Huygens, care nu corecteaza imaginea data de obiectiv. Se asociaza cu obiective acromatice;

- de compensatie, asociate cu obiective apocromatice, carora le corecteaza defectele ramase. Realizeaza o imagine clara si plana;

- de proiectie sau fotooculare, utilizate cu obiective apocromatice sau semiapocromatice. Asigura o imagine clara pe ecranele de proiectie si pe microfotografii.

1.1.3.2 Sisteme de iluminare

Sistemul de iluminare se compune din sursa de lumina, diafragme, lentile, prisme, filtre de lumina.

Sursa de lumina poate fi o lampa cu incandescenta sau cu arc electric alimentata printr-un transformator de tensiune.

Iluminarea probei metalice poate fi perpendiculara sau oblica (fig. 1.3).

Iluminarea perpendiculara, numita si "în câmp luminos " reda suprafetele plane luminoase, iar cele înclinate întunecate. Iluminarea oblica, sub unghi de incidenta mic, determina suprafete plane usor întunecate, iar suprafetele înclinate partial luminoase. În cazul iluminarii oblice multilaterale sub unghi mare de incidenta, numita "în câmp întunecat" suprafetele plane apar întunecate, iar cele înclinate - luminate.

La microscoapele moderne, cu obiective care au mariri proprii mari ( peste 10 ori) si distanta focala mica, iluminarea se face prin obiectiv.

Diafragmele utilizate sunt de apertura si de câmp. Diafragma de apertura permite reglarea aperturii si deci a luminozitatii probei. Diafragma de câmp limiteaza zona analizata în câmpul ocularului. Pentru contrast maxim, se recomanda deschiderea minim permisa a diafragmelor.

, cât si obiectivul transmit imaginea sursei de lumina si a diafragmei de apertura pe suprafata analizata.

Filtrele de lumina au rolul de a îmbunatati calitatea imaginii. Alegerea lor depinde de: tipul obiectivului, sursa de lumina, materialul analizat, placa fotografica. Obiectivele acromatice corectate pentru domeniul galben - verde al spectrului, necesita filtrul galben - verde. Filtrul gri neutru reduce intensitatea sursei de lumina fara a-i modifica culoarea. Filtrul bleu da cea mai buna putere de rezolutie vizuala. Filtrele de lumina slabesc anumite domenii din spectrul luminii albe, fara a realiza o lumina perfect monocromatica. Astfel filtrul galben absoarbe mai puternic capatul albastru al spectrului decât pe cel rosu.

1.1.3.3 Sistemul mecanic de reglaj

Orice microscop prezinta un stativ pe care sunt dispuse sistemul optic, de iluminare si masuta cu proba.

Sursa de lumina si diafragmele au posibilitati de centrare fata de axul optic, ceea ce asigura o iluminare perpendiculara, uniforma. Prin dezaxarea diafragmei de apertura se realizeaza iluminarea oblica.

In scopul punerii la punct a imaginii exista sisteme de reglare rapida si fina a distantei proba - obiectiv.

Schimbarea câmpului analizat se poate face cu ajutorul unor suruburi micrometrice. Acestea deplaseaza masa dupa doua directii perpendiculare.

Masuta poate fi inferioara, sub obiectiv si în acest caz proba trebuie sa prezinte suprafata de cercetat paralela cu suprafata masutei. In caz contrar proba se preseaza pe o placuta în plastilina, cu ajutorul presei de mâna. Se realizeaza astfel paralelismul suprafetei de observatie cu cea de asezare si clarul imaginii în tot câmpul. Masuta superioara, deasupra obiectivului permite utilizarea probelor de orice forma.

1.1.4 Metode optice de analiza

a. Microscopia în câmp luminos este cea mai utilizata în metalografie, pentru analiza calitativa si cantitativa a structurii materialelor metalice ( marirea peste 100X).

b. Microscopia oblica se utilizeaza mai ales în analiza macroscopica (marirea sub 100X) a materialelor metalice la stereomicroscop si mai putin, în analiza microscopica a structurii, pentru evidentierea unor aspecte de relief ale suprafetei.

c. Microscopia în câmp întunecat are ca scop evidentierea microreliefului suprafetei metalografice: constituenti structurali polifazici, incluziuni nemetalice transparente, fisuri etc. , care apar puternic luminati pe fond întunecat. De asemenea se vad culorile naturale ale unor constituenti structurali, la care în câmp luminos, culorile sunt denaturate prin reflexii si absorbtii necontrolate. Astfel oxidul de cupru apare albastru în câmp luminos, în timp ce în câmp întunecat apare la culoarea naturala rosu granat.

Analiza în câmp întunecat necesita iluminarea din afara obiectivului cu ajutorul unei oglinzi plane obturata central si a unei oglinzi parabolice atasata obiectivului.

d. Microscopia în lumina polarizata foloseste iluminarea perpendiculara cu lumina polarizata plan prin introducerea în circuitul optic a unei prisme Nicol - polarizorul.

Lumina reflectata de proba trece printr-un al doilea Nicol - analizorul. Daca materialul analizat este puternic anizotrop, se reduce planul de polarizare si câmpul analizatorului apare luminat. Pentru extinctie totala trebuie rotit analizorul sau proba cu un numar de grade specific fiecarei substante.

În acest mod se pot identifica constituentii anizotropi, cum sunt: grafit, incluziuni nemetalice de FeS , CoS, NiS, oxid de aluminiu, oxidul de fier (Fe₂O₃₎.

1.2 Descrierea lucrarii

Lucrarea are ca scop cunoasterea partilor componente si reglarea microscopului metalografic MIM 7

Microscopul metalografic MIM 7 prezentat în figura 1.4 (fabricat în Rusia) este un microscop vertical, cu masuta superioara, pentru analiza microstructurii materialelor în câmp luminos, întunecat, lumina polarizata si fotografiere pe placi fotografice.

Sursa de lumina este un bec de proiectie cu caracteristici 17V si 110W, alimentat printr-un transformator de la reteaua de 220V.

Obiectivele si ocularele microscopului permit mariri de la 60X la 1440X pentru observare vizuala si de la 70X la 1350X în cazul fotografierii.

Obiectivele sunt acromatice, iar ocularele sunt obisnuite, Huygens pentru mariri de ordinul 7X, 10X, 15X si de compensatie pentru marire 20X. la fotografiere se folosesc fotooculare. În tabelul 1.1 se prezinta maririle date de microscop.

Pentru studiul în câmp luminos circuitul optic parcurge reperele 1.16 din fig. 1.5. Operatiile necesare sunt :

- conectarea aparatului la priza. Se verifica tensiunea de 9V la transformator;

- centrarea masutei fata de axa a obiectivului, cu ajutorul suruburilor 37;

- asezarea probei pe masuta cu suprafata de analizat în jos si fixarea cu cleme 38. La obiective cu apertura mai mare de 0,37, proba se aseaza pe masa pe suportul metalic cu deschiderea maxima;

- alegerea ocularului si a obiectivului , din cutia cu accesorii, necesare maririi propuse, cu ajutorul tabelului 1.1, respectiv regula lui Abbe. Montarea ocularului se face în lacasul tubului ocular 43. Pentru a monta obiectivul, se deblocheaza pârghia de blocare a deplasarii rapide a mesei. Apoi, cu tamburul de reglare rapida se ridica masa la pozitia limita superioara. Se monteaza obiectivul, cu partea filetata în jos, în locasul practicat în iluminatorul central 40. În cazul obiectivelor cu imersie se aplica o picatura de ulei de imersie pe lentila obiectivului;

- punerea la punct a imaginii, se face prin reglaj grosier, apoi fin. Initial se aduce butonul micrometric de reglaj fin 45 pe pozitia zero. Apoi se coboara suportul masutei cu ajutorul tamburului de deplasare rapida, pâna când reperul rosu de partea dreapta a suportului mesei coincide cu cel de pe corpul aparatului. În momentul aparitiei imaginii în câmpul ocular, se blocheaza suportul mesei cu pârghia 36. Urmeaza reglajul fin prin butonul micrometric 45, pâna la obtinerea unei imagini clare;

- centrarea sursei de lumina. Se deschide la maxim diafragma de apertura si se aseaza pe montura o sticla mata sau o foita subtire de hârtie. Cu ajutorul suruburilor de centrare 27 se aduce imaginea filamentului formata pe foita de hârtie, în pozitie centrala fata de deschiderea diafragmei de apertura. Prin deplasarea dispozitivului de iluminat pe ghidaje, dupa blocarea pârghiei 52, se realizeaza concentrarea razelor pe foita de hârtie. Aceasta asigura intensitatea luminoasa maxima si uniforma;

- centrarea si alegerea diafragmei de apertura. Se introduce lentila de câmp întunecat 20. Se închide diafragma prin rotirea inelului 29. Se deblocheaza surubul 53 si se roteste montura diafragmei pâna la centrarea ei în câmpul ocularului.- Se verifica pozitia de zero a surubului 28 de dezaxare a diafragmei de apertura. Se reintroduce lentila de câmp luminos 10. Marimea diafragmei se stabileste experimental în functie de luminozitatea structurii analizate. O deschidere mai mica dubleaza contururile; una prea mare reduce contrastul;

- centrarea si alegerea diafragmei de câmp. Se închide diafragma de câmp prin actionarea pârghiei 32. Se urmareste în ocular centrarea diafragmei, prin actionarea concomitenta a suruburilor de centrare 33. Se deschide apoi diafragma numai pâna la disparitia marginilor din câmpul ocular;

- analiza metalografica, care începe de la mariri mici pentru imagini de ansamblu si continua la mariri mai mari pentru detalii;

- dupa terminarea lucrarii se întrerupe curentul de la întrerupator si de la priza. Se scot obiectivul si ocularul, acoperindu-se locasurile cu capace de protectie. Piesele se aseaza în cutia cu accesorii, iar corpul aparatului se acopera cu husa.

Pentru analiza în câmp întunecat schema optica este prezentata în figura 1.6. Operatiile necesare sunt : deschiderea diafragmelor de câmp si de apertura, introducerea în circuit a lentilei de câmp întunecat 20 si a diafragmei de câmp întunecat 21.

Pentru studiul în lumina polarizata ( fig.1.5) se introduce polarizatorul 24 pe montura 30 a diafragmei de apertura. Se monteaza analizorul 25 în deschiderea practicata în iluminatorul central. Planul de polarizare se modifica prin rotirea analizorului în pozitiile 0⁰-nicoli paraleli si 90⁰- nicoli încrucisati.

Fotografierea se face pe placi fotografice. Se pune la punct imaginea în câmp luminos. Prin levierul 54 se aduce în circuit fotoocularul, se deschide burduful care acopera placa mata 47. Se extrage tubul ocular la limita pentru a proiecta imaginea pe placa de sticla mata. Dupa clararea imaginii prin surubul de reglaj fin 45 se înlocuieste sticla mata cu caseta încarcata cu placa fotografic a si se face expunerea prin fotoobturatorul 31.

1.3. Conditii de lucru

Metoda de analiza: în câmp luminos ; în câmp întunecat ; în lumina polarizata

Probe metalografice: slefuite, lustruite, cu atac metalografic.

Aparatura: microscopul metalografic

1.4. Mod de lucru

Se vor identifica partile componente ale microscopului metalografic studiat si reglajul pentru diferite metode de analiza. Se vor nota: caracteristicile optice, partile componente, schema optica si reglajul microscopului analizat în câmp luminos, întunecat si lumina polarizata.