Microscopul Metalografic

Aspecte teoretice

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

Principiul de functionare

Schema optica de principiu a unui microscop metalografic se prezinta in figura 1 si contine doua lentile: obiectivul indreptat catre obiect si ocularul in dreptul ochiului.

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

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 = I_r /O = ( I_r / I_i ) x ( I_i / O ) =M_ob x M_oc (1)

Marirea obiectivului se calculeaza cu relatia:

M_ob = L / F_ob (2)

unde: L= 160.250 mm este lungimea optica a tubului microscopic; F_ob - distanta focala a obiectivului (mm).

Marirea ocularului este data de relatia:

M_oc = d / F_oc (3)

unde d = 250 mm este distanta vederii normale, de la care prin conventie un obiect este vazut in marime naturala; F_oc-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. In acest caz se calculeaza marirea obiectivului cu relatia (2) in functie de lungimea tubului optic. Maririle microscopului sunt in general prezentate tabelar in 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 strange razele de lumina reflectate de proba.

Apertura se calculeaza cu relatia:

A = n sin a (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 in obiectiv de la proba (fig. 2).

Constructiv, a_max= 72⁰ si deci apertura maxima in 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 ii determina puterea de rezolutie. De asemenea alegerea ocularului se face in corelatie cu apertura obiectivului.

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

500 A < M < 1000 A (5)

De exemplu, obiectivul, cu apertura 0,30 si marire 15x, poate realiza mariri ale microscopului intre 150-300x. Rezulta ca se pot asocia oculare cu mariri proprii cuprinse intre 10x si 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      (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 cand se foloseste lumina albastra, imersie in lichid refrigerent si obiective cu a maxim.

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

Mmax = d1 / dmin = 2000 (7)

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

Adancimea campului este invers proportionala cu apertura si puterea de marire. De exemplu:

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

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

3 Parti componente

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

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.

Aberatia cromatica se datoreaza dispersiei luminii albe la trecerea prin lentila. Indicele de refractie este invers proportional cu lungimea de unda. In consecinta, se formeaza o serie de imagini monocromatice dispuse in plane succesive (violeta cea mai apropiata, rosie cea mai indepartata). Cum punerea la punct a imaginii se face pe una din imaginile monocromatice, se produce micsorarea claritatii imaginii, deformarea ei si colorarea marginilor. Eliminarea aberatiei cromatice se realizeaza prin utilizarea luminii monocromatice si a obiectivelor corectate. Dupa gradul de corectie, obiectivele sunt:

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

- apocromatice, corectate pentru intreg 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 in conditiile fasciculelor largi de lumina. Razele centrale sunt mai putin refractate decat cele marginale. Se formeaza o serie de imagini in plane succesive, ceea ce conduce la o luminare neuniforma. Aberatia de sfericitate se elimina prin asocierea unei lentile concave cu alta concava, astfel incat 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.

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. 3).

Iluminarea perpendiculara, numita si 'in camp luminos ' reda suprafetele plane luminoase, iar cele inclinate intunecate. Iluminarea oblica, sub unghi de incidenta mic, determina suprafete plane usor intunecate, iar suprafetele inclinate partial luminoase. In cazul iluminarii oblice multilaterale sub unghi mare de incidenta, numita 'in camp intunecat' suprafetele plane apar intunecate, iar cele inclinate - luminate.

La microscoapele moderne, cu obiective care au mariri proprii mari (peste 100 ori) si distanta focala mica, iluminarea in camp luminos si oblica se face prin obiectiv. Analiza in camp intunecat necesita iluminarea din afara obiectivului cu ajutorul unei oglinzi plane obturata central si a unei oglinzi parabolice atasata obiectivului asa cum se va vedea la microscopul MIM7 ( fig.6b).

Diafragmele utilizate sunt de apertura si de camp. Diafragma de apertura permite reglarea diametrului fasciculului de lumina si deci a luminozitatii probei. Diafragma de camp limiteaza zona analizata in campul ocularului. Pentru contrast maxim, se recomanda deschiderea minim permisa a diafragmelor.

Lentilele si prismele, cat si obiectivul transmit imaginea sursei de lumina si a diafragmei de apertura pe suprafata analizata.

Filtrele de lumina au rolul de a imbunatati 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 decat pe cel rosu.

3.3 Sistemul mecanic de reglaj

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

Prin sisteme surub - piulita, sursa de lumina si diafragmele au posibilitati de centrare fata de axul optic, ceea ce asigura o iluminare perpendiculara, uniforma.

Iluminarea oblica se realizeaza prin dezaxarea diafragmei de apertura.

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

Schimbarea campului analizat se poate face cu ajutorul unor suruburi micrometrice, care deplaseaza masa cu proba dupa doua directii perpendiculare.

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

4 Metode optice de analiza

a. Microscopia in camp luminos, (fig. 3a), este cea mai utilizata in metalografie, pentru analiza calitativa si cantitativa a structurii materialelor metalice (marirea peste 100x).

b. Microscopia oblica (fig.3b), se utilizeaza mai ales in analiza macroscopica (marirea sub 100x) a materialelor metalice la stereomicroscop si mai putin, in analiza microscopica a structurii, pentru evidentierea unor aspecte de relief ale suprafetei.

c. Microscopia in camp intunecat, (fig.3c), are ca scop evidentierea microreliefului suprafetei metalografice: constituenti structurali polifazici, incluziuni nemetalice transparente, fisuri etc. , care apar puternic luminati pe fond intunecat. De asemenea se vad culorile naturale ale unor constituenti structurali, la care in camp luminos, culorile sunt denaturate prin reflexii si absorbtii necontrolate. Astfel oxidul de cupru apare albastru in camp luminos, in timp ce in camp intunecat apare la culoarea naturala rosu granat.

d. Microscopia in lumina polarizata foloseste iluminarea perpendiculara cu lumina polarizata plan, prin introducerea in circuitul optic a unei prisme Nicol - polarizorul. Lumina reflectata de proba trece printr-un al doilea Nicol - analizorul. Atunci cand materialul analizat este izotrop, la pozitia incrucisata a nicolilor (planele de polarizare perpendiculare) se produce extinctia fasciculului de lumina si materialul apare intunecat. Daca materialul analizat este puternic anizotrop (structuri cristaline necubice), la reflexia pe suprafata acestuia se roteste planul de polarizare si campul analizatorului apare luminat. Pentru extinctie totala trebuie rotit analizorul sau proba cu un numar de grade specific fiecarei substante. In acest mod se pot identifica constituentii anizotropi, cum sunt: grafit, incluziuni nemetalice de FeS , CoS, NiS, oxid de aluminiu, oxidul de fier (Fe₂O₃) etc.

In figura 4 se prezinta aspectul structurii unei probe din otel cu 0,25%C, alcatuita din graunti cristalini de ferita si perlita, analizata in camp lumnos si intunecat. Aspectul structurii este determinat de faptul ca dupa pregatirea probei, grauntii monofazici de ferita, au suprafata plana, in timp ce grauntii de perlita, care sunt un amestec mecanic a doua faze, prezinta relief.

a). b).

Fig 1.4. Aspectul structurii otelului cu 0,25%C analizat in camp lumnos (a) si intunecat (b).