Microscopul optic metalografic

La cercetarea structurii metalelor si aliajelor se folosesc diferite tipuri de microscoape, care permit evidentierea detaliilor constitutive.

Cercetarea structurii probelor metalice se face in lumina reflectata. Indiferent de tipul constructiv, microscopul metalografic este format din : sistemul de iluminare, sistemul optic cu accesoriile de fotografiat si sistemul mecanic de reglare.

1. Sistemul optic

Sistemul optic se compune din obiective, oculare, prisme, oglinzi. Atat obiectivele cat si ocularele sunt formate din lentile, care in ansamblu se comporta ca un sistem pozitiv si convergent.

Schema de principiu si formarea imaginii intr-un microscop metalografic este prezentata in figura 1.

Inerent constructiei, o lentila prezinta o serie de imperfectiuni care provoaca aberatiile cromatice si de sfericitate. Aberatia cromatica se datoreaza dispersiei si refractiei neegale a diverselor lungimi de unda formate la trecerea razei de lumina alba printr-o lentila pozitiva.

Daca lungimea de unda a radiatiei este mica , indicele de refractie al sticlei va fi mai mare si se vor forma focare diferite ( violet mai apropiat si rosu mai indepartat-figura 2. a ) .

Figura 1. Schema de principiu

a unui microscop metalografic

Eliminarea aberatiei cromatice se poate face prin folosirea luminii monocromatice, sau prin construirea obiectivelor speciale. De obicei, se recurge la construirea obiectivelor acromatice sau apocromatice. Obiectivele acromatice sunt construite pentru corectarea partii centrale a spectrului si anume, galben-verde ( figura 2. b ), iar cele apocromatice pentru corectarea aproape a intregului spectru ( figura 2. c ) . Se recomanda ca obiectivele acromatice sa fie intrebuintate pentru mariri mici cu filtre galben-verzui si pentru fotografieri cu materiale fotosensibile ortocromatice.

Obiectivele apocromatice se intrebuinteaza la mariri puternice, cu orice filtre si orice material fotografic. Obiectivele apocromatice prezinta o importanta aberatie de sfericitate si de aceea se recomanda folosirea lor impreuna cu oculare de compensatie.

Aberatia de sfericitate se formeaza din cauza suprafetelor curbe ale lentilelor, razele ce trec prin marginea lentilei vor fi refractate mai

Figura 2 ( a, b, c ) . Aberatii cromatice ale lentilelor .

a-reprezentarea schematica a aberatiei cromatice;

b-corectarea aberatiei cromatice de lentile acromatice;

c-corectarea aberatiei acromatice de lentile apocromatice .

mult decat cele centrale.

Pentru a se micsora aberatia de sfericitate se recomanda folosirea obiectivelor formate din lentile convexe si concave, care prezinta aberatii de sfericitate egale, dar de sens opus. Ocularele maresc imaginea primara data de obiectiv si corecteaza unele erori optice. Ocularele pot fi : obisnuite, de compensatie, de proiectie. Ocularele obisnuite se folosesc impreuna cu obiectivele acromatice, cele de compensatie cu obiectivele apocromatice, iar cele de proiectie se intrebuinteaza pentru microfotografii.

Microscopul metalografic este dotat cu mai multe obiective si oculare de diferite mariri.

2. Sistemul de iluminare

Sistemul de iluminare se compune din sursa de lumina, lentile, filtre colorate, diafragme. Sursa de lumina poate fi formata dintr-o lampa de incandescenta, sau dintr-un arc electric. Alimentarea sursei de lumina se face, de obicei, prin inter- mediul transformatoarelor de tensiune ( obisnuit 6 sau 12V ) . Iluminarea verticala se realizeaza atunci cand razele cad perpendicular pe suprafata probei ( figura a ) , iar iluminare oblica, cand razele cad oblic pe suprafata probei ( figura b ) .

Figura 3 ( a, b ) . Schema de iluminare a probelor metalografice :

a-iluminare verticala ; b-iluminare oblica

Iluminarea verticala poarta denumirea de iluminare in camp luminos( deoarece adanciturile de pe un obiect perfect plan apar intunecoase ), iar cea oblica, in camp intunecos ( deoarece razele reflectate de suprafetele plane ies din afara tubului microscopului, iar denivelarile apar luminoase ) .

In metalografie se foloseste aproape exclusiv iluminarea in camp luminos. Iluminarea verticala se poate realiza fie prin prisma cu

Figura 4 ( a, b ) . Iluminarea verticala a probelor metalografice

a-prin prisma; b-prin lame .

reflectie totala ( figura 4. a ), fie prin lame cu fete paralele ( figura 4. b ). Se observa ca folosirea lamei cu fete paralele permite utilizarea intregului camp de observatie.

Iluminarea oblica se realizeaza cu ajutorul obiectivului ( 1 ) inconjurat de o oglinda concava perforata ( 2 ), oglinda ce reflecta razele luminoase ( figura 5. ) .

Sistemul mecanic de reglare .

Microscopul optic are un stativ, un tub vizual, nu ecran fotografic, masuta de obiecte, suruburi micrometrice, ansamblu ce formeaza sistemul mecanic de reglare. Masuta de obiecte se poate deplasa in doua directii perpendiculare si per- mite deplasarea probei si studierea ei in diferite zone. Pentru obtinerea unei imagini clare se face focalizarea deplasand obiectivul ( sau masuta ) cu ajutorul unui surub micrometric.

Figura 5. Schema iluminarii oblice .

4. Calitatile microscopului optic metalografic

Calitatile microscopului sunt determinate in ultima instanta de caracteristicile lentilelor folosite in constructia obiectivelor si ocularelor. Cele mai importante caracteristici ale microscopului sunt : puterea de marire, apertura, puterea de separare, adancimea de patrundere si planeitatea imaginii campului.

Puterea de marire este o proprietate caracteristica obiectivului. Imaginea data de obiectiv este apoi marita de catre ocular.

Puterea de marire a microscopului va fi data de produsul puterilor de marire ale ocularului si obiectivului

M_v= ( L /F_ob ) ( l /F_oc ) =250L / ( F_ob F_oc )

In cazul fotografierii, marirea imaginii proiectoare se calculeaza cu relatia :

M_p= ( D M_oc M_ob ) /l

in care : D este distanta de proiectie [mm]; M_oc , M_ob - puterea de marire a ocularului si a obiectivului.

Puterea de marire a microscopului se poate controla cu ajutorul placilor de control, care au diviziuni din 0,01 in 0,01 mm.

Apertura caracterizeaza puterea de strangere a razelor de catre lentilele folosite. Apertura unui obiect se calculeaza cu relatia :

A=n sin j

in care : n este indicele de refractie al mediului dintre proba si obiectiv ( n=1 pentru aer, n=1,5 pentru ulei de cedru ) ;j -jumatate din unghiul deschiderii conului de lumina.

Calitatea obiectivului este mai ridicata daca n si j au valori mai mari. Din motive de fabricatie, valoarea cea mai mare pentru j este 72^o. Pe montura obiectivului este gravata valoarea aperturii. Puterea de separare reprezinta de fapt finetea redarii detaliilor de catre un sistem optic. Puterea de separare d este caracterizata prin distanta minima dintre doua puncte din obiect care apar distinct in imagine. Puterea de separare se calculeaza cu relatia :

d=l/2A=l/ ( 2n sinj [mm],

in care : l este lungimea de unda folosita, mm.

Puterea de separare a microscopului metalografic in cazul folosirii luminii albe ( l mm; n=1,5 ) pentru ulei de cedru si j=90^o ( valoarea maxima teoretica ) rezulta :

D=0,6 / ( 2 1 ) =0,2 [mm].

Puterea de separare a ochiului omenesc este d₁=0,3 mm si ca atare marirea totala a microscopului va fi :

M_v=d₁/d=0,3 / ( 0,2

Acest prag poate fi depasit, daca se utilizeaza lumina ultravioleta. Adancimea de patrundere sau puterea de separare verticala, reprezinta posibilitatea obiectivului de a reda clar imaginea unor puncte ce se gasesc in plane diferite. Puterea de separare verticala este invers proportionala cu marirea si cu apertura, de unde rezulta ca examinarea microscopica la mariri mari trebuie facuta la probe slab atacate cu reactivi metalografici.

5. Utilizarea microscopului optic metalografic .

Proba metalografica, pregatita si atacata este asezata pe masa port-obiect si luminata cu un fascicul de raze in camp luminos. Imaginea va evidentia forma, natura si marimea constituentilor structurali sau fazele structurale.

Formatia omogena a structurii, atat din punct de vedere a compozitiei, cat si a proprietatilor porta numele de faza, iar formatiunea de sine statatoare, constitutiva, reprezentativa, se numeste constituent structural.

Figura 6. Structura Figura 7. Structura

metalografica metalografica

a fierului pur. MOx500  a cuprului pur. MOx500

Constituentii structurali pot fi omogeni ( o singura faza ) sau eterogeni( mai multe faze in amestec ) .

Faza poate fi formata din cristale ale componentelor aliajelor, din solutii lichide sau compusi chimici si intermetalici.

Componentele metalice ( sau nemetalice ) apar in structura sub forma de cristale poliedrice. De exemplu, structura fierului este alcatuita din graunti poliedrici, de culoare deschisa, actul metalografic evidentiaza limitele acestora ( figura 6. ) .

Figura 8. Alama. Solutie

solida a MOx500

La unele metale ( Cu, Ni, Fe g ) daca se supun deformarii plastice se formeaza in grauntii cristalini plane de alunecare, de-a lungul carora au loc deplasari reciproce a unor parti din cristal ( macle ) . In figura 7. se prezinta imaginea cristalelor de Cu si maclele formate.

Solutiile solide se formeaza atunci cand componentele aliajului prezinta solubilitate in stare solida. Solutia solida se noteaza cu a b g etc. sau A ( B ) , adica component B dizolvat in A. In functie de proprietatile componentilor, solutiile solide pot fi de insertie si de substitutie, iar solubilitatea totala sau limitata.

Structura este poliedrica sau poliedrica cu macle. De exemplu, Zn se dizolva in Cu si formeaza solutia solida a

Caracteristic solutiilor solide este faptul ca se pastreaza reteaua cristalina a dizolvantului, cristalizeaza, respectiv se topesc in interval de temperatura; in general, proprietatile lor sunt functie de natura componentelor, de raportul lor cantitativ, de marimea granulatiei, de starea structurala, etc.

Compusii chimici si inermetalici se formeaza atunci cand componentele aliajului sunt indepartate pe scara electrochimica si se noteaza prin A_xB_y (A_mB_n).

Daca indicii respecta legea valentei se formeaza compusi chimici, iar daca nu, se formeaza compusi inermetalici. Compusii chimici si intermetalici au retea de cristalizare proprie si cristalizeaza, respectiv se topesc la temperatura constanta.

Figura 9. Structura unui aliaj de antifrictiune :

solutii solide+compusi chimici+compusi intermetalici

MOx500.

Se caracterizeaza prin duritate ridicata, rezistenta ridicata la uzura, fragilitatea mare si rezistenta la coroziune si deci si la atacul metalografic. La microscop apar de culoare deschisa avand de obicei forme aciculare, forme de retea sau forme poliedrice ( geometric regulate ). De exemplu, in aliajul antifrictiune Sn-Sb-Cu se formeaza o serie de solutii solide si compusi Cu₃Sn si SnSb. Structura acestui aliaj va avea aspectul din figura 9., unde fondul inchis este un amestec de solutii solide, formatiunile aciculare sunt de compusul Cu₃Sn, iar cele cubice de compusul intermetalic SnSb.

De asemenea, un aliaj Fe-C cu peste 0,8% C ( otel hipereutectoid) are structura formata din perlita si compusul chimic Fe₃C ( cementita ) in retea la limitele grauntilor ( figura 10. ) .

Figura 10. Otel cu 1,2% C : amestec mecanic

Eutectoid +compusi chimici in retea. MOx500

Amestecurile mecanice sunt constituenti eterogeni formate din doua sau mai multe faze. Daca amestecul mecanic se formeaza in urma solidificarii poarta numele de eutectic, iar daca se formeaza prin descompunerea unei solutii solide, eutectoid; are proprietati intermediare fazelor constitutive. De exemplu amestecul mecanic eutectoid ferita si cementita porta denumirea de perlita caracteristic otelurilor. Perlita contine 0,8% C si apare la microscop ca o alternanta de lamele de culoare inchisa (ferita) si de culoare deschisa (cementita).

Tot la aliajele Fe-C apare si un amestec mecanic eutectic, denumit ledeburita.

Ledeburita contine 4,3% C, este caracteristica fontelor albe si este formata din perlita ledeburitica ( puncte sau zone inchise ) si cementita ledeburitica ( matrice alba ) ( figura 11. ) .

Figura 11. Fonta alba: Figura 12. Metoda . cu 4,3% C retelei pentru

amestec mecanic eutectic. MOx500.

Pentru a determina cantitatea fazelor sau constituentilor structurali se aplica metoda retelei. Se considera ca structura unui aliaj este formata din doua faze a si b ( figura 12. ) si pentru a le determina cantitatea se procedeaza in felul urmator :

-se traseaza linii verticale sau orizontale ( 5.10 mm ) ;

-se masoara lungimea liniei l₁ ;

-se masoara portiunea din linie care intersecteaza o anumita faza .

Rezultatele se trec intr-un tabel ( tabelul 4. ) .

Metoda prezentata da valori aproximative-eroarea fiind de 10.15% -dar fiind simpla si rapida este de foarte multe ori folosita pentru aprecieri cantitative ale fazelor structurale.