Микроскопы металлографические

Для исследования микроструктуры металлов используются металлографические микроскопы. Металлографический микроскоп позволяет рассматривать непрозрачные тела в отраженном свете. В этом основное его отличие от биологического микроскопа.

По расположению оптических систем и устройств различают вертикальные и горизонтальные микроскопы. Вертикальные микроскопы МИМ–6 и МИМ–7 при визуальном наблюдении дают увеличение 60–1440 раз, что позволяет изучать детали структуры с минимальным размером 0,2 мкм. Горизонтальные микроскопы МИМ–8 обеспечивают увеличение до 1350 раз при визуальном наблюдении и до 2000 раз – при фотографировании.

Изображение предмета увеличивается в микроскопе дважды: в объективе и окуляре. Поэтому общее увеличение микроскопа N_n равно произведению увеличения объектива n_об на увеличение окуляра n_ок:

. (1.1)

Главное увеличение, или максимально полезное увеличение, микроскопа обеспечивается объективом. Оно определяется разрешающей способностью объектива. Разрешающая способность объектива − минимальное расстояние, на котором две близлежащие точки ещё видны отдельно.

Окуляры предназначены для увеличения изображения, полученного объ­ективом, а также для исправления оптических недостатков объективов.

 

Рис. 1.3. Микроскоп МИМ–7:

1 – фонарь осветителя, 2 – нижний корпус микроскопа с фотокамерой, 3 – верхний корпус
микроскопа, 4 – визуальный тубус, 5 – осветительный тубус, 6 – предметный столик,
7 – микрометрический винт, 8 – макрометрический винт для вертикального перемещения
предметного столика, 9 – стопорное устройство для макровинта, 10 – винты для перемещения предметного столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях

 

Микроскоп МИМ–7 (рис. 1.3) состоит из осветителя 1, нижнего корпуса с фотокамерой 2, верхнего корпуса 3, визуального тубуса 4, осветительного тубуса 5, предметного столика 6.

Осветительная лампа 1 питается через трансформатор, понижающий напряжение в пределах 6−18,5 В. Секционный переключатель служит для изменения напряжения на зажимах лампы. Контроль за режимом работы лампы ведётся по вольтметру.

Справа в корпусе выведен винт микроскопической фокусировки микроскопа на объект 8. На верхнем корпусе укреплён визуальный тубус 4, который при визуальном наблюдении вдвигается в корпус до упора, при фотографировании выдвигается до отказа и осветительный тубус 5,
в верхнем срезе которого в посадочное отверстие вставляется объектив.

Предметный квадратный столик перемещается в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях вращением винтов 10.

Рабочая высота предметного столика устанавливается совмещением рисок на кронштейне и на корпусе вращением рукоятки механизма грубой наводки на резкость 8. Для фиксации выбранного положения предметного столика служит рукоятка 9.

Оптическая схема металлографического микроскопа показана на рис. 1.4. Лучи от осветителя 1, преломляясь призмой 2, проходят через объектив 3, отражаются от микрошлифа 4, вновь проходят через объектив 3, преломляются призмой 5 и через окуляр 6 попадают в глаз наблюдателя.

Рис. 1.4. Оптическая схема металлографического микроскопа МИМ-7:

1 – осветитель, 2, 5 – преломляющие призмы, 3 – объектив, 4 – микрошлиф, 6 – окуляр

Конструкция оптических микроскопов включает в себя устройства, позволяющие выполнять измерения размеров объекта: объект-микрометр и окуляр-микрометр.

Объект-микрометр – пластина, на которую нанесена шкала длиной
1 мм, разделенная на 100 равных частей.

Окуляр-микрометр – окуляр, в который вставлена пластинка с линейкой, при помощи которой можно определить величину зерна, глубину слоя (азотирования, цементации), размер микродефектов.

Цена деления окуляра-микрометра зависит от увеличения объектива. Для определения цены деления окуляра-микрометра на предметный столик микроскопа устанавливается объект-микрометр. После наведения на фокус в поле зрения микроскопа видны шкалы объекта-микрометра и окуляра-микрометра. Совместив обе шкалы, можно определить, сколько делений шкалы объекта-микрометра совмещается с делениями шкалы окуляра-микрометра. На рис. 1.5 показана схема определения цены деления окуляра микроскопа. При данном объективе 40 делений окуляра-микрометра, видимых в поле зрения микроскопа, совмещаются с 16 делениями объекта-микрометра.

Цену деления окуляра-микрометра рассчитывают по формуле

; (1.2)

где Ц_об – цена деления шкалы объекта-микрометра (Ц_об = 1/100 = 0,01 мм),

мм; М – число делений объекта-микрометра; Н – число делений окуляра-микрометра.

Рис. 1.5. Схема определения цены деления окуляра-микрометра

 

Проведение испытаний

Для определения средней величины зерна существует несколько методов, среди которых наиболее распространенным является метод площадей. Измерение этим методом величины зерна производится на предложенном для опыта микрошлифе с помощью металлографического микроскопа подсчетом количества зерен по вертикали и горизонтали. Диаметры зерна по вертикали и горизонтали рассчитываются по формуле

, (1.3)

где К – количество делений шкалы окуляра-микрометра в данном опыте;
N – число зерен, пересекаемых центральной линией шкалы.

Далее определяется средний диаметр зерна

. (1.4)

Затем площадь среднего диаметра зерна

. (1.5)

Для удобства классификации зерну в зависимости от его размера присваивается номер в соответствии с ГОСТ 5639–82 (табл. 1.1).

 

Таблица 1.1

Характеристики (параметры) структуры стали с разной
величиной баллов

 

Номер зерна (баллы)	Средняя площадь зерна, мм^2	Среднее число зерен на площади 1 мм^2 шлифа	Среднее число зерен в 1 мм^2	Средний диаметр зерна, мм
по расчету	условный
	0,128			0,352	0,313
	0,064			0,250	0,222
	0,032			0,177	0,167
	0,016			0,125	0,111
	0,008			0,088	0,0788
	0,004			0,060	0,0553
	0,002			0,041	0,0391
	0,001			0,031	0,0267
	0,0005			0,022	0,0196
	0,00025			0,015	0,0138
	0,000125			0,012	0,0099
	0,000062			0,0079	0,0069
	0,000031			0,0056	0,0049
	0,000016			0,0039	0,0032
	0,000008			0,0027	0,0023

 

1.6. Влияние размера зерна поликристаллических материалов
на их механические свойства

Механические свойства металлических сплавов в большой степени зависят от величины зерна. Так, зависимость предела текучести σ_т от размера (диаметра) зерна d описывается отноше­нием

,

где σ₀ и k − постоянные величины для данного металла.

Влияние размера зерна d на условный предел текучести σ₀₂ и предел выносливости σ_-1 низкоуглеродистой стали показано на рис. 1.6а. Практическое значение этой закономерности определяется тем, что чем мельче зерно, тем труднее развивается хрупкая трещина. В то же время мелкое зерно понижает ударную вязкость (КCU) и порог хладноломкости
(рис. 1.6б).

Зависимость твердости образцов из низкоуглеродистой стали с карбидными частицами различной степени дисперсности представлена на рис. 1.7. Характер зависимости показывает, что с увеличением размера частиц твердость значительно уменьшается.

Рис. 1.6. Влияние величины зерна d на условный предел текучести σ₀₂, предел

выносливости σ_-1 (а) и ударную вязкость KCU (б) низкоуглеродистой стали:

1 − мелкое зерно (0,04 мм); 2 − крупное зерно (0,09 мм)

 

 

а)	б)

Рис. 1.7. Зависимость твердости от величины зерна: а – глобулярный карбид в ферритной матрице (сталь 0,8% С), б – пластинчатая фаза структур перлитного типа (сталь 0,8% С)

 

 

Порядок выполнения работы

Подготовка микроскопа к визуальному наблюдению

· Установить объектив и окуляр соответственно выбранному увеличению.

· Винтами установить отверстие съёмной шайбы над объективом.

· Над отверстием съемной шайбы установить микрошлиф полированной поверхностью вниз.

· Поворотом стопорного винта освободить макрометрический винт.

· Вертикальным перемещением предметного столика, вращая макрометрический винт, найти изображение микрошлифа и застопорить механизм грубой подачи.

· С помощью микрометрического винта произвести фокусировку микроскопа на объект.

Определение цены деления

Для определения цены деления окуляра-микрометра необходимо:

· подготовить микроскоп к наблюдению;

· установить объект-микрометр на столик микроскопа таким образом, чтобы стекло со шкалой было направлено в сторону объектива, а пучок света проходил через центр стекла;

·изображение шкалы объекта-микрометра отыскать в поле зрения окуляра, для чего, удерживая рукоятки грубой подачи, освободить стопор этого механизма; непрерывно наблюдая в окуляр, плавно и медленно вращая рукоятку, добиться появления шкалы в поле зрения окуляра.

Добившись изображения шкалы объекта-микрометра в поле зрения окуляра, необходимо:

·установить шкалы объекта-микрометра и окуляра-микрометра параллельно друг другу (поворотом окуляра вокруг оси);

·винтами предметного столика добиться частичного наложения шкал и совмещения в одну линию начальных или любых других штрихов обеих шкал;

·не меняя положения столика, отыскать другую пару штрихов, принадлежащих разным шкалам, совмещающихся в одну линию;

·подсчитать число делений шкалы объекта-микрометра М и окуляра-микрометра Н, находящихся между двумя парами совмещенных в линию штрихов;

·определить цену деления окуляра-микрометра по формуле (1.2).