Металлографический микроскоп изучает металлы и сплавы

Обновлено: 04.10.2024

Ознакомление с методами металлографического анализа металлических материалов и контроля качества конструкционных материалов.

Оборудование и реактивы

Металлографический микроскопы и микроскринер, макрошлифы образцов для механических испытаний, исследований сварных соединений и видов изломов, 4-5% раствор азотной кислоты.

Состав, структура и классификация сталей

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода, в котором не превышает 2,14%, но не меньше 0,022%. Главным элементом стали является углерод, и это единственная примесь, которая специально вводится в сталь. С повышением содержания углерода прочность стали существенно возрастает из-за увеличения количества цементита в фазовом составе стали. Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.С увеличением содержания углерода в стали возрастает количество фаз, имеющих более высокую твердость (перлит, цементит). Следовательно, и изменяются механические свойства: возрастает твердость, предел прочности, текучести, уменьшается относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

Металлографический анализ

В процессе производства металла формируется структура, но одновременно возникают и частично «залечиваются» дефекты металлургического производства. Металлографический анализ предусматривает выявление дефектов, особенностей структуры и, как следствие, прогнозирование поведения металлов в эксплуатационных условиях.

Дефект – каждое отдельное несовершенство продукции или несоответствие требованиям, установленным нормативной документацией.

Термин «макроисследование» объединяет методы и способы контроля качества материала (детали, узла) невооруженным глазом или с помощью лупы. Понятие «микроисследование» связывает способы анализа микроструктуры материала с помощью оптического микроскопа. В совокупности обе названные группы методов составляют сущность металлографического анализа.

Макроскопическое исследование

Анализ обычно начинается с тщательного визуального осмотра состояния поверхностей детали и часто заканчивается получением макроснимка.

По поверхности излома, например, аварийной детали можно судить о степени однородности ее материала, установить, хрупок он или пластичен, как произошло разрушение – по границам или по телу зерен. Поверхность излома у хрупкого металла кристаллична. По ее плоскостям скола отдельных зерен можно определить размеры и форму зерен.

При упругопластической деформации под действием внешней силы необратимо изменяются форма и размеры изготовленной из металла детали или испытуемого образца. Во время этой деформации, которую обычно называют пластической, зерна металла под действием силы P расслаиваются на пачки скольжения. Образующиеся пачки смещаются друг относительно друга, что приводит к вытягиванию зерен в волокна (рис. 1).

Рис. 1. Схема пластической деформации отдельного зерна металла.

В волокнистой структуре металла между волокнами располагаются различные разделяющие волокна включения. Его прочность на разрыв вдоль волокон оказывается выше, чем поперек.Сильно окисленная поверхность излома может быть у деталей, работающих при высоких температурах (горячий излом).Под действием знакопеременных нагрузок возможно возникновение усталостного излома.

Дефекты сварных швов

По расположению различают дефекты наружные, внутренние и сквозные. По форме компактные и протяженные, плоские и объемные, острые и округлые. По размерам – мелкие, средние и крупные. По количеству – единичные и групповые.

При макроанализе сварных швов выявляются следующие поверхностные дефекты:

а) неравномерность ширины и высоты наплавленного металла, наличие углов, наплывов, седловин у стыковых швов и неравная величина катетов у угловых швов.

б) подрезы, представляющие собой углубления у кромки шва в основном металле, возникают при завышенном режиме дуги и уменьшают расчетное поперечное сечение материала, выступая одновременно в качестве концентраторов напряжений(рис.2.4);

в) кратеры возникают при обрывах дуги. Они снижают стойкость шва против коррозии и локально уменьшают расчетное поперечное сечение. Поэтому часто являются очагами появления трещин и преждевременного разрушения;

г) прижоги – дефекты в виде окалины или пленки окислов на поверхности сварного соединения, появляются от чрезмерного завышения теплового режима сварочной дуги или в результате неравномерного перемещения электрода. При прижогах металл из-за укрупнения зерна становится недопустимо хрупким.

Все названные выше дефекты сварных швов могут быть устранены подваркой, если таковая допускается техническими условиями. Однако факт наличия этих поверхностных дефектов служит обычно основанием для предположения о наличии в металле шва опасных внутренних дефектов схематически представленных на рис. 2.

Рис. 2. Типичные внутренние дефекты: поры и газовые раковины – (а), шлаковые включения – (б), непровары – (в), трещины – (г).

К типичным недостаткам у сварных соединений относятся:

а) газовые раковины и поры

б) шлаковые включения

в) непровар

1) Усадочные напряжения, превышающие предел прочности металла;

2) Жесткое закрепление свариваемых элементов;

3) Структурные напряжения, например, образование мартенсита;

4) Повышенное содержание углерода, серы и фосфора в металле;

5) Сварка при низкой температуре;

6) Дефекты шва, вызывающие местную концентрацию напряжений в металле шва;

7) Сосредоточение нескольких швов на небольшом участке изделия, вызывающее повышенные местные напряжения (концентрация напряжений).

Метод основан на применении оптических микроскопов, работающих по принципу отраженного света. Основные элементы мезоструктуры: зерно, фрагмент зерна, блоки, микровключения (их форма, размеры, количество и взаимное расположение), границы зерен, линии сдвига, полосы скольжения, микротрещины и микропоры.

Анализ мезоструктуры производится с помощью микрошлифов, рабочие поверхности которых в форме ровной площадки после тщательной шлифовки полируются до зеркального блеска. Затем они подлежат промывке чаще спиртом, и сушке обычной фильтровальной бумагой.

Действительную мезоструктуру анализируемого металла можно увидеть лишь после травления поверхности микрошлифа соответствующим реактивом. Реактив растворяет металл, прежде всего, по границам зерен. Дело в том, что здесь в тонком слое, не более 2-3 межатомных расстояний, атомы занимают компромиссное положение относительно кристаллических решеток контактирующих зерен. Меньший порядок взаимного расположения в совокупности с присутствием чужеродных примесных атомов и обусловливает обычно большую скорость растворения границ зерен химическими реактивами. При этом они, естественно, углубляются, как схематически показано на рис. 2.9, а, и световые лучи, попав на них, рассеиваются. Поэтому в поле зрения окуляра границы зерен выглядят в виде ажурного темного контура, окаймляющего сравнительно светлые зерна (рис. 2.9, б).

Рис. 2.9. Схема отражения световых лучей от поверхности шлифа (а) и видимой при этом зернистой структуры (б).

Неметаллические включения располагаются в виде тонких вытянутых линз или округлых разрозненных включений.

1.Сульфиды, шлак, окислы, силикаты, графит

2.Шлаковые включения образуются при больших скоростях сварки, при сильном загрязнении кромок и при многослойной сварке в случаях плохой очистки от шлака поверхности швов между слоями.

3.С увеличением содержания углерода в стали возрастает количество фаз, имеющих более высокую твердость (перлит, цементит). Следовательно, и изменяются механические свойства: возрастает твердость, предел прочности, текучести, уменьшается относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

4.Хорошее раскисление, полное расплавление добавок, достаточная выдержка металла в печи, подготовка печи, ковша и изложницы, и хорошее качество огнеупоров уменьшают количество включений.

Вывод

Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений.

Образование внутренних дефектов при сварке связано с металлургическими, термическими и гидродинамическими явлениями, происходящими при формировании сварного шва.

Трещины – наиболее опасные внутренние дефекты сварки. Они могут быть макроскопическими и микроскопическими, а по происхождению горячими и холодными.

Контрольные вопросы и задачи

1. Микроанализ (микроскопический анализ) представляет собой исследование структуры металла при больших увеличениях с помощью специального металлографического микроскопа, предназначенного для изучения металла.

Макроанализ заключается в изучении строения сплавов невооруженным глазом или с помощью небольших увеличений (до 30 раз) с помощью лупы.

2. Макроанализ: неравномерность ширины и высоты наплавленного металла, подрезы, кратеры, прижоги.

Микроанализ: неметаллические включения, рыхлоты и микротрещины.

3. При наблюдении в светлом поле лучи от источника света проходят через коллектор, теплофильтр, светофильтр, осветительную линзу, диафрагмы, ахроматическую линзу, отражаются от плоскопараллельной полупрозрачной пластины и направляются через объектив на объект. Лучи, отраженные от поверхности объекта, снова проходят через объектив, который проецирует совместно с дополнительной тубусной линзой изображение объекта в плоскость электронного приемника оптического изображения, отражаясь от светоделительной пластинки, а также в фокальную плоскость окуляров. С помощью системы призм изменяется направление оптической оси микроскопа. Призменный блок насадки разделяет пучок лучей и обеспечивает возможность бинокулярного наблюдения объекта.

4. С помощью микрошлифов, рабочие поверхности которых в форме ровной площадки после тщательной шлифовки полируются до зеркального блеска. Затем они подлежат промывке чаще спиртом, и сушке обычной фильтровальной бумагой

5. Реактив растворяет металл, прежде всего, по границам зерен. Дело в том, что здесь в тонком слое, не более 2-3 межатомных расстояний. Меньший порядок взаимного расположения в совокупности с присутствием чужеродных примесных атомов и обусловливает обычно большую скорость растворения границ зерен химическими реактивами. При этом они, естественно, углубляются, и световые лучи, попав на них, рассеиваются. Поэтому в поле зрения окуляра границы зерен выглядят в виде ажурного темного контура, окаймляющего сравнительно светлые зерна.

6. По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода – на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые; легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

7. Феррит и цементит

8. Применяющийся обычно для травления стальных микрошлифов 3-5%-ный раствор азотной кислоты в спирте растравливает только границу между ними. Поэтому под микроскопом их пластинки в перлитном зерне выглядят светлыми, а тончайшая граница между ними темной.

9. Структура сталей состоит из феррита и перлита,содержит от 0,15 до 0,8% углерода.С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита увеличивается. Количество феррита и перлита можно определить площадям этих составляющих на микрошлифе. Если сталь имеет состав 0,8% углерода, то структура – один перлит, так как 100% площади занято перлитом. Если часть площади занята ферритом (например, 40%), то можно составить пропорцию для определения процента содержания углерода: 100% Пл. – 0,8%с х=40% пл. – Х% С

Виды металлографических микроскопов, их особенности

Металлографический микроскоп – это оптический световой прибор для изучения непрозрачных структур в отраженном свете. Он широко применяется в металлургической и металлообрабатывающей промышленности для контроля качества сплавов и металлов.

Металлографический микроскоп – это оптический световой прибор для изучения непрозрачных структур в отраженном свете.

Современные модели представляют собой высокотехнологичные устройства, которые используют математический анализ получаемого изображения. Являются незаменимым инструментом в металлографии – одной из отраслей металловедения, которая изучает структуру металлических материалов с использованием оптических приборов.

Особенности и назначение металлографических микроскопов

Данный тип приборов широко используется в металлографических исследованиях, благодаря чему микроскопы получили другое название – металлургические или промышленные. Глубокое изучение структуры сплавов позволяет с высокой точностью определить характеристики материала. Известен как один из методов определения прокаливания стали.

Грамотная подготовка образца позволяет тщательно изучить внутреннюю структуру шлифа. Для выявления структуры используют метод травления и полирования шлифа.

С целью анализа структуры металла применяют 4–5%-й раствор азотной кислоты в этиловом спирте. После травления на поверхности образца образуется пленка, которая затрудняет исследования. Травление выполняют сразу после полирования.

После проведения подготовительных работ проводят исследование, в результате которого можно получить следующую информацию:

Тип и характер дефектов в структуре металла.
Структура кристаллизации (зерен) металла.
Внешние качества – шероховатость и плоскость.
Наличие и тип неметаллических частиц.

По сравнению с биологическими микроскопами металлографические устройства имеют более сложную конструкцию, что оказывает влияние на стоимость приборов.

Отдельного описания заслуживают объективы. Они характеризуются повышенным рабочим расстоянием и способностью эксплуатации без покровного элемента. Кроме того, данный узел параллельно выполняет функции конденсатора.

Особенности изучаемой структуры требуют мощного источника освещения, без которого сложно рассчитывать на положительный результат, особенно в случае необходимости проведения микрофотографирования.

Окуляр металлографического микроскопа способен проводить только четвертую часть проходящего света (до 25%). Металлические образцы отражают очень мало света. Именно низкий коэффициент отражения является причиной повышенного уровня освещения.

Металлографические приборы представлены как прямыми, так и инвертированными моделями.

В качестве методов исследования используют различные виды освещения:

темное поле;
светлое поле;
поляризация;
ДИК (дифференциально-интерференционный контраст).

Устройство микроскопов

Особенности конструкции влияют на характер изучения образцов. Известно несколько видов металлографических аппаратов:

инвертированные;
прямые;
инспекционные.

При работе с инвертированным металлографическим микроскопом отсутствует необходимость в фокусировке образца, поскольку вся поверхность будет находиться в поле зрения оператора. Для изучения образцов это достоинство имеет решающее значение.

Прямые модели более универсальны. Они могут быть усовершенствованы установкой мощных биноклей с увеличением до 150х, поворотной бинокулярной насадкой, имеющей широкий угол поворота (до 360º), а также устройствами промежуточного увеличения.

Для микрофотографий производят камеры для микроскопов независимо от типа конструкции.

Таким образом, инвертированные металлографические микроскопы имеют меньшую стоимость, зато прямые обладают широкими возможностями по изучению структуры.

Для исследования продукции микроэлектроники применяют инспекционные металлографические микроскопы. Они отличаются нижним расположением предметного столика микроскопа и наличием фотоаппаратуры с высоким линейным увеличением (80–100х).

Инспекционные микроскопы не предназначены для работы с иммерсией. Как правило, они комплектуются высокоапертурным фокусирующим объективом, что позволяет добиться полного увеличения 2000х.

Рассмотрим устройство металлографического микроскопа на примере модели ММ2.

Он состоит из следующих элементов:

колонка (1);
труба (2);
предметный столик (3);
осветитель (4).

Винт (5) укрепляет каретку предметного столика.

Винт (6) отвечает за вертикальное перемещение объектива с целью фокусировки.

Крепежные элементы (7) держат трубу аппарата с помощью винтов (8).

Винт (9) фиксирует сам крепежный элемент, выполненный в виде рожек.

Окуляр на схеме обозначен цифрой 11.

На переходной штанге (12) крепится осветитель. Винтом (13) штанга крепится к колонке, а винтом (14) к ней присоединяется осветитель. Источник света работает от безопасного напряжения 12В. Винтом (15) выполняют вертикальную фокусировку положения осветителя, а винтом (16) – горизонтальную. Изучаемый образец (17) устанавливают на предметный столик, подготовленной (шлифованной и протравленной) стороной вниз, после чего производят вертикальную фокусировку объектива.

Сферы применения оборудования

Как было сказано выше, основной сферой использования рассматриваемых устройств является металлургия. Кроме того, подобные металлографические микроскопы применяют в следующих сферах деятельности:

минералогия;
криминалистика;
геологические исследования;
археология;
микроэлектроника.

А также прочие области, в которых требуется глубокое изучение структуры материала.

Чем могут отличаться микроскопы друг от друга

Современная оптическая промышленность предлагает пользователям широкий выбор устройств. Рассмотрим основные типы микроскопов:

Монокулярный. Наверняка многие видели простейшие модели на школьных уроках биологии и химии. Основное предназначение – поверхностное изучение различных образцов в лабораторных условиях.
Бинокулярные. Более продвинутая модель для анализа образцов под действием проходящих лучей в светлом поле. Отличаются глубокой контрастностью и большим уровнем увеличения. Существует множество насадок, призванных повысить заводские характеристики. Данные модели можно встретить в различных медицинских учреждениях.
Тринокулярные. Современные устройства для глубокого изучения структуры материалов. Тринокулярные стереоскопические микроскопы применяют для реализации методов флуоресцентных исследований в различных сферах деятельности.
Специальные. Выпускаются под определенные задачи в конкретных лабораторных условиях. Могут иметь любой тип конструкции.
Цифровые микроскопы. Еще один продукт современных технологий. В основе действия лежит метод анализа изображений, полученных с помощью цифровой аппаратуры. Комплект оборудования состоит из микроскопа и компьютера. Требует специального программного обеспечения.

Цены на распространенные модели в России

Металлографические приборы пользуются огромной популярностью в нашей стране ввиду развития металлургической и металлообрабатывающей промышленности. Все модели можно условно разделить на три ценовые категории: бюджетную, среднюю, высокую. Заслуженным спросом пользуется продукция отечественной компании «Микромед», продукция которой имеет идеальное соотношение цены и качества.

Наиболее популярным представителем бюджетных моделей является «Микромед» ПОЛАР-1. По состоянию на декабрь 2018 года его стоимость составляет 150 тыс. рублей.

Средняя ценовая категория представлена металлографическим аппаратом «Микромед» МЕТ-2 по цене 258 тыс. рублей. Профессиональное устройство «Микромед» МЕТ-3 обойдется в 500 тыс. рублей.

Металлографический микроскоп – надежный инструмент для анализа структуры различных металлов, способный выявить даже незначительные дефекты. А вы когда-нибудь участвовали в исследовании металла с помощью металлографических приборов? Поделитесь своими впечатлениями в блоке комментариев.

Устройство металлографического микроскопа

Проводить наблюдение и исследование непрозрачных объектов в отраженном свете, а также их фотографирование сегодня возможно с использованием металлографического микроскопа. Устройство металлографического микроскопа состоит из двух систем – окуляра и объектива, которые представлены тремя системами: осветительной, механической и оптической. Более детально остановимся на каждой из них.

Осветительная система в микроскопе представлена лампой накаливания, линзами (они предназначены и используются для снижения рассеивания лучей света и улучшения качества полученного изображения), фильтрами (устраняют лучи определенной волны, повышая четкость получаемого изображения) и диафрагмой (ее предназначение в микроскопе связано с ограничением сечения луча света и регуляцией интенсивности освещения).
Что касается механической системы, то она представлена корпусом, предметным столиком с микрошлифом и тубусом с винтами, которые позволяют смещать предметный столик по горизонтали. Ну и, конечно же, оптическая система. На ее долю приходится основная роль и функция в микроскопе, ведь от того, какая оптика используется, будет зависеть качество получаемого результата.
Оптическая система представлена в микроскопе двумя преломляющими призмами, зеркалом, объективами и окулярами с фотокамерой, что позволяет делать снимки и сохранять их.

Металлографический микроскоп - принцип работы

Прежде чем приступать к работе на металлографическом микроскопе, хотелось бы, чтобы каждый знал последовательность действий, что позволит существенно продлить продолжительность его функционирования и поможет получить качественное изображение. Итак, исследуемый предмет помещают на середину предметного стекла так, чтобы полированная поверхность его была обращена непосредственно к самому объективу. После того, как объектив размещен, подсоединяют микроскоп к сети, при этом регулируют тот накал освещения, который требуется в конкретном случае. После установления необходимого освещения, с помощью винта производят фокусировку, поднимая или опуская предметный столик на определенную высоту. Во время всего этого исследователь проводит наблюдение в окуляры. Используя все микровинты, регулируя уровень диафрагмы и перемещая светофильтры, удается получить качественное изображение, при этом глаза не напрягаются и можно комфортно проводить исследование.

Схема металлографического микроскопа представлена в виде рисунка чуть ниже.

Используя металлографические микроскопы, вначале проводится анализ и исследование нетравленного шлифта, где определяются разного рода дефекты, патологические включения и удается идентифицировать присутствие графита в чугуне. После изучения нетравленного шлифта, исследователь приступает к исследованию протравленного шлифта, где дается полностью изучить и проанализировать строение металлов и сплавов.

Петрографический и металлографический микроскопы активно применяют в отраслях, где проводится анализ и изучение разного рода металлов. Использование его дает возможность формировать конфигурацию размещения зерен металлов в отраженном свете, выявлять в металлах патологические включения и инородных частиц, а также оценивать свойства и особенности поверхностного слоя.

Основная функция микроскопа направлена на обработку параметров излучения от поверхности исследуемого объекта.

При выборе микроскопа очень важно обращать внимание на основные его характеристики – это окуляр и объектив. При изучении объектива микроскопа важно знать:

какая кратность в нем увеличения (от 11 до 30 в светлом и от 30 до 90 в темном поле)
численная апертура (0.7 – 1.3)
фокусное расстояние (от 2.4 мм до 23 мм)
свободное расстояние (от 0.13 до 5.4).

А вот при характеристике окуляра очень важно обращать внимание на:

фокусное расстояние
линейное расстояние.

Петрографический, или как его еще называют, поляризационный микроскоп, помимо предметного столика имеет поляризующий фильтр и анализатор (поляризатор расположен под предметным столиком, а анализатор в тубусе выше объектива). Основное назначение данного микроскопа направлено на изучение различных пород и минералов в тонких срезах.

Использование металлографического микроскопа в металлургии и металлообрабатывающей промышленности для контроля за качеством сплавов и металлов в последнее время стало настолько актуальным и распространенным, ведь благодаря такому микроскопу удается изучать все непрозрачные структуры в свете, отраженном от них. Благодаря развитию и усовершенствованию моделей микроскопа удается сразу получить анализ изображения математический. Такие микроскопы являются одним из важных атрибутов в сфере металлографии. Данная отрасль в металловедении подразумевает в себе детальное изучение структуры металлических материалов с помощью целого набора оптических приборов. Именно благодаря таким микроскопам удается полностью провести анализ и исследование структуры разных металлов, их сплавов, изучить полностью структуру металлов и шлифта. После обработки сплавов, объект подлежит исследованию, которое позволяет оценить тип и наличие и характер дефекта в металле, структуру металла, а также его плоскость и шероховатость.

Металлографический микроскоп: типы и виды

По типу метода исследования различают металлографические микроскопы:

прямые: конструкции данного вида имеют высокую оптическую мощность, возможность наблюдения объекта под любым углом;
инвертированные системы: отличаются высоким разрешением, и более приемлемой ценой по сравнению с прямыми устройствами;
инспекционные: применяют для исследований микроэлектроники.

По типу оптической системы металлографические системы бывают: монокулярные, бинокулярные, тринокулярные, специальные и цифровые микроскопы металлографические.

По виду портативности различают стационарные (устанавливаются в лабораториях) и переносные микроскопические конструкции.

При использовании инвертированной модели микроскопа нет необходимости фокусировать образец, так как вся исследуемая поверхность материала находится в поле зрения. А вот прямые микроскопы имеют увеличение до 150 х, бинокулярную насадку, широкий угол поворота и устройства промежуточного увеличения. Из этого становится очевидным, что прямые микроскопы намного дороже инвертированных. Они между собой отличаются расположением объективов, насадкой и окуляром относительно исследуемому объекту.

Очень часто приходится прибегать к изучению продукции микроэлектроники. С этой целью используют инспекционные микроскопы металлографические, в которых предметный столик расположен снизу и есть фотоаппаратура с высоким увеличением.

Сферы применения металлографического микроскопа

Микроскоп для металлографии используется в таких основных областях:

Металлургическая промышленность и машиностроение.
Производства по металлообработке.
Научно – исследовательская деятельность.
Использование в криминалистике.
Геология и археология.
Применение микроскопа для электроники и микроэлектроники.

На сегодня в нашей стране существует несколько фирм производителей данных микроскопов, при этом каждая из них постоянно совершенствуется. Приобрести такой микроскоп может каждый прямо дома в интернет - магазине. Современные микроскопы имеют большое расстояние между поверхностью столика, объективом и оснащены большим ходом столика. Благодаря этому с помощью таких микроскопов удается проводить исследование крупных предметов. Помимо этого, практически все современные металлографические микроскопы оснащены фотокамерами, позволяющими фиксировать снимки и рассматривать и редактировать их на компьютере.

На сегодня нет ни одной лаборатории, которая занимается исследованием образцов металлов и изучением их свойств, металлографического микроскопа. Широкое использование в этой отрасли он получил благодаря своей универсальности, достоверности и прочности, ведь именно благодаря такому микроскопу ученые не только нашей страны, но и других стран, могут проводить анализ состава и структуры металлов, горных пород. С помощью таких микроскопов ученым удается исследовать:

непрозрачные объекты и полупрозрачные предметы
внутреннюю структуру горных пород и композитов
проводить точные измерения металлов, их состав, изучать поверхность и свойства.

Все микроскопы такого рода оснащены объективом под исследуемым материалом, что позволяет передвигать его, поворачивать и проводить осмотр со всех сторон. В среднем вес исследуемого образца металла не должен превышать 1000 грамм, хотя есть и модели, с помощью которых удается проводить исследование более тяжелых образцов.

На сегодня, с целью упрощения работы сотрудников лаборатории, все металлографические микроскопы поделили на цифровые и портативные, с помощью которых анализ металлов можно проводить непосредственно на месте (за пределами лаборатории).

Правила работы на микроскопе для исследования металлов

Прежде чем приступить к работе с ним, важно помнить, что такой микроскоп требует внимательного и аккуратного отношения, ведь он не просто очень хороший, он еще и дорогой. Итак, перед Вами оптический металлографический микроскоп. Внимательно проведите осмотр его наружный, посмотреть линзы (окуляр, объектив) и с помощью специальных таблиц рассчитать его увеличение. Затем, предметный столик расположить по центру с помощью винтов, расположить микрошлифт на столик таким образом, чтобы поверхность, которую предстоит исследовать, была обращена непосредственно к объективу. Сделав все это, очень важно правильно расположить микровинт - он должен быть на нуле и уже после всего этого можно смело вращать микровинтом и перемещать предметный столик, наводя резкость на исследуемом объекте. После таких исследований специалисты могут смело делать анализ о структуре, качестве и свойствах металла.

Устройство металлографического микроскопа любого типа, как теперь нам известно, состоит из источника света, конденсора, диафрагмы, пластинки, объектива, микрошлифта, призмы внутреннего отражения, окуляра, зеркала и фотоокуляра (есть во всех современных моделях). С помощью конденсора и диафрагмы происходит формирование узкого пучка света, а вот плоскопараллельная пластинка и призма обладают свойством изменять направление лучей света. Чтобы увеличить изображение необходимо воспользоваться объективом и окуляром.

Используя металлографический микроскоп можно не только оценить тип и характер дефекта в металле, но и структуру его (так называемые зерна металла), оценить его поверхность, шероховатость и присутствие в металле неметаллических структур. Если необходимо осуществить фотографирование объекта, то очень важно позаботиться о хорошем источнике света, так как металлы не способны хорошо отражать свет. С целью освещения используют темное, светлое поле, поляризацию или интерференционный контраст.

Те руководители, которым очень важен результат исследований и наблюдений, четко знают, что металлографический микроскоп должен быть от хорошего и качественного производителя, иметь отличную оптическую систему с максимальным увеличением. Если есть необходимость в работе за пределами лаборатории или цеха, то в таком случае не обойтись без портативного микроскопа, свойства которого немного уступают портативному, но все-таки он обладает хорошими показателями. Особой популярностью пользуются микроскопы цифровые профессиональные, так как они обладают высокой точностью измерений и исследований, имеют высокую производительность труда позволяют минимизировать затраты на документирование исследований.

Что такое металлография, этапы и методы исследований

Металлография — это оптический метод определения качеств металла под микроскопом с большим увеличением. Мы рассмотрим этапы экспертизы, используемое обордование для анализа металлов и сплавов.

Металлографией называют прикладной раздел металловедения, который занимается исследованием структуры и состава металлов и сплавов. Предметом ее изучения являются состав, форма, пространственное расположение, взаимосвязи, а также количественные и качественные характеристики микро— и макрокомпонентов, образующих физическую структуру металла. Основной инструментальный метод, применяемый в металлографии, — это визуальное изучение отшлифованных образцов исследуемого материала при большом увеличении.

По своей сути металлографический анализ универсален и может использоваться не только для изучения структурных особенностей металлов. Поэтому со временем его стали применять при исследовании других материалов, в том числе и неметаллических. Вследствие этого появились новые разновидности структурного анализа: керамография, пластография и пр., которые используют научные наработки, оборудование и инструментальные методы металлографии. Сейчас все эти направления объединены в единую научно-исследовательскую дисциплину, которая носит обобщающее название материалография.

Что такое металлографический анализ

Металлографические исследования должны не только определить физико-химические свойства металлического образца, но и описать такие эксплуатационные характеристики его материала, как твердость, пластичность, прочностные параметры, коррозионная стойкость и пр. Методы металлографии позволяют получить все эти характеристики путем изучения состава и структуры отполированных образцов металла под микроскопом при большом увеличении.

В случае неразрушающего контроля металлографические исследования проводят непосредственно на изделии, для чего применяют портативное оптическое оборудование. При разрушающем контроле из анализируемого участка детали или заготовки вырезают образцы, из которых затем изготавливают металлографические шлифы — тонкие пластинки с идеально отполированной поверхностью.

Чаще всего металлографию применяют при исследовании образцов из стали и чугуна, что связано с особенностями физической и металлургической структуры этих материалов. Еще одна область, где широко используется металлография, — это анализ специальных сплавов из цветных металлов: титана, тантала, циркония и пр. Кроме того, без металлографических исследований не обходится ни одна экспертиза трубопроводов и металлоконструкций, получивших повреждения в результате аварий и катастроф.

Этапы и методы исследований

Комплексное изучение физического состава и структуры металла проводится в специализированных металлографических лабораториях. Несмотря на большое разнообразие методик, предназначенных для различных металлов и сплавов, в общем виде все исследования в металлографии включают в себя следующие этапы:

Подготовка металлографических шлифов — тонких полированных металлических пластинок.
Различные виды травлений и иные виды обработки шлифов.
Изучение структуры образца под микроскопом.
Анализ полученных изображений и описание результатов.

Выбор того или иного метода металлографического анализа зависит от физико-химических характеристик исследуемого материала, среди которых одними из самых значимых являются размеры и контрастность его зерен.

Подготовка образцов

В металлографии при подготовке исследуемых образцов применяют лабораторное оборудование, разработанное специально для их шлифовки, полировки и травления. Шлифовально-полировальные установки представляют собой станки с круглым вращающимся столом, на который крепится абразивная бумага или нетканый материал, пропитанный шлифовальной суспензией. Металлографические шлифы крепятся на оснастку при помощи термореактивных полимеров или эпоксидной смолы, а точность их прижима к шлифовальному кругу контролирует электронная система управления.

После такой обработки отдельные структурные элементы металлографического образца хорошо видны даже невооруженным глазом, а другие становятся хорошо различимыми под оптическим микроскопом. Кристаллическая структура некоторых металлов не требует дополнительной химической обработки, т. к. хорошо проявляется в поляризованном свете. Для других материалов в металлографии обычно применяют химическое или электролитическое травление, которое делает более отчетливой структурную компоновку металлографического шлифа.

Оборудование

Размер зерен металлических материалов лежит в диапазоне от 1 до 1000 мкм. Поэтому при металлографических исследованиях применяют различные типы оборудования, обладающего соответствующей разрешающей способностью:

световые оптические микроскопы с различными типами подсветки;
просвечивающие электронные микроскопы;
сканирующие электронные микроскопы;
установки рентгеновской дифракции.

Применяемые в металлографии оптические микроскопы имеют разрешающую способность не более 0.2 мкм, при этом изучение образцов, как правило, производится при увеличении в диапазоне 50÷1000х. Также при металлографическом анализе применяют оборудование с гораздо меньшим увеличением, что позволяет включать в поле обзора крупные кристаллические образования, например, дендриты. Для повышения контрастности изображения микроскопы в металлографии оснащаются оптическими устройствами, позволяющими изучать объект в отраженном свете (по методу светлых или темных полей) и с подсветкой поляризованными лучами.

В случае невозможности получения надлежащих результатов с помощью оптического оборудования в металлографии применяют электронные микроскопы. К таким исследованиям прибегают гораздо реже, так как этот вид металлографического анализа значительно дороже и занимает больше времени. Кроме того, эти устройства имеют ряд технических ограничений.

У используемых в металлографии сканирующих электронных микроскопов при увеличениях менее, чем 500х, четкость изображений становится ниже, чем у световых. А просвечивающие, как правило, не предназначены для использования на увеличениях менее 2000х. Установки рентгеновской дифракции применяются в металлографии реже, т. к. являются узкоспециализированными и больше предназначены для определения доли различных фракций, имеющих разные кристаллические структуры.

Определение количественных показателей

Количественная металлография применяется для оценки геометрических параметров и пространственного расположения кристаллических элементов и примесей с использованием различных видов математического моделирования. Это могут быть как простые методы интерполяции, основанные на измерении толщины слоя или видимых линейных размеров частиц, так и построение стереометрических моделей. В последнем случае в металлографии используют стереологические методы, которые позволяют получать количественную информацию о трехмерном объекте путем обработки данных, полученных на основании геометрических характеристик его двухмерных срезов.

Сфера применения

Металлографический контроль является обязательным для тех видов оборудования, где металл подвергается воздействию высоких температур, критического давления и агрессивных сред. Сюда относятся установки, аппараты, трубопроводы и емкости в энергетике, нефтегазовой отрасли, химической и атомной промышленности. Существует не менее десятка ГОСТ, устанавливающих нормативные характеристики и порядок применения металлографии, и еще большее количество отраслевых инструкций, методик и регламентов. К примеру, металлографические способы оценки зернистости стали паропроводов высокого давления на электростанциях (t до 600 ºC, P до 200 атмосфер) регламентируется ГОСТ-5639. А в случае их аварийного выхода из строя отраслевой нормативный документ предписывает обязательное проведение металлографического контроля.

А приходилось ли кому-нибудь из вас сталкиваться с проверкой сварных швов металлографией? В каких случаях это применяется и как металлографические исследования соотносятся с дефектоскопией? Напишите, пожалуйста, о своем опыте в комментарии к этой статье.

Металлографический микроскоп

Металлографический микроскоп – это световой микроскоп общего назначения, предназначенный для исследований непрозрачных объектов в отражённом свете (согласно ГОСТ 28489 90).

Инвертированный металлографический микроскоп OMOS M-1000

По конструкции подразделяется на прямой и инвертированный. Работая с инвертированным микроскопом не придётся делать шлиф двух поверхностей образца, потому что вся выровненная поверхность будет в поле зрения, будет находиться в одной плоскости резкости, без необходимости фокусироваться при смещении образца. Если микроскоп используется для исследований, а не рутинной работы, этих преимуществ недостаточно. Прямой металлографический микроскоп универсален и может быть оснащён: объективами с увеличением до 150х, модулями промежуточного увеличения 0,5х, 1х, 1,5х, 2х (общее увеличение микроскопа равно произведению увеличения окуляров, всех промежуточных модулей увеличения и объективов), большинством методов контрастирования, доступным оптическим микроскопам. Прямой микроскоп отличается более низкой ценой, чем инвертированный микроскоп со схожим оснащением и большими возможностями по подбору комплектации под нужды исследователя.

Оснащённость металлографического микроскопа определяют объекты и методы исследования

Рисунок 1. Olympus BX53M

Многие конфигурации микроскопов для анализа шлифа металлов оснащаются осветителем отражённого света, широкопольными окулярами, объективами 50 крат с большим рабочим расстоянием. Для того, чтобы исследователь мог более детально рассмотреть дефект, используют модули промежуточного увеличения, либо окуляры с кратностью более 10х. В вышесказанном есть неточность – детальность, при использовании дополнительных увеличивающих линз не повышается, так как она зависит от апертуры объектива, и каждая линза в оптической системе рассеивает часть проходящего света. Именно поэтому, рекомендуется использовать просветлённую оптику, с максимальной хроматической и план коррекцией, а если требуются детализированные изображения объектов меньше 100 мкм – устанавливать объективы с кратностью 100х и выше.

В металлографических микроскопах применяются различные виды освещения и контрастирования: тёмное поле, косое освещение, поляризацию и ДИК

При методе косого освещения возрастает роль дифрагированных волн, а значит оттеняется рельеф объекта (для этого рельеф должен быть ярко выражен). В прямых микроскопах косое освещение достигается установкой призмой косого освещения между объективом и окулярами, либо смещением, относительно оптической оси, апертурной диафрагмы. На небольших увеличениях можно использовать внешние источники мощного света, например, с помощью 30Вт светодиодного осветителя со световодами типа «гусиная шея» можно настроить косое освещение при использовании объективов с большим рабочим расстоянием (фактически, до 20х-50х крат). У Olympus есть более продвинутая гибридная технология – DDF (направленное тёмное поле). При этой технологии, полый конус света подает на объект под углом, рассеивая свет даже на небольших изменениях рельефа.


Рисунок 2. а) Светлое поле б) Тёмное поле	Рисунок 3. Шлиф горной породы в поляризационном микроскопе BX53P

Используя метод тёмного поля, пользователь видит рассеянный свет от образца, поэтому все неровности становятся светлыми на однородном тёмном фоне. Этот метод даёт негативное изображение к светлопольному и выявляет: трещины, царапины, зёрна, структурные отдельности, отчётливо просматриваемые границы зёрен, непротравленные границы и включения на поверхности.

Поляризованный свет выявляет анизотропные оптические структуры, преломляющие свет. Изотропные кристаллы буду поглощать свет при «положении скрещения» поляризатора и анализатора, а анизотропные (не имеющие кубической решётки) будут контрастны на фоне металла. Поэтому, вращая градуированный поворотный анализатор и сверяясь со специальными таблицами, можно идентифицировать неметаллические включения, определить размер и структуру зерна, по углу поворота анализатора.

Метод дифференциально-интерференционного контраста (ДИК). На данный момент — это самый совершенный метод контрастирования. Достигается такое контрастирование с помощью призмы Номарского: неполяризованный свет поляризуется, попадая в оптический путь микроскопа. Плоскость поляризации света наклонена на 49° к плоскому объекту. Проходя через призму Номарского, поляризованный свет разделяется на два пучка, со взаимно ортогональной плоскостью поляризации. Это дает максимально контрастное изображение, на котором отчётливо видны все неровности и границы – рельеф поверхности.

Рисунок 4. a) Светлое поле b) Тёмное поле c) ДИК

Помимо выбора оптики и методов контрастирования, специалисты должны обращать внимание на выбор источника света. Лучшим выбором будет светодиодный источник света, потому что такие осветители дают мощный поток света, не искажающий цветовосприятие (см. рисунок 5). Для коротковолнового освещения образца следует использовать разные светофильтры.

Рисунок 5. Галогенное и светодиодное освещение

Наша компания предлагает для металлографии микроскопы: Olympus BX53M и Keyence VHX6000

BX 53 M интересен набором модулей, таких как: ARMAD (для регулировки высоты головки револьверов и осветителя), светодиодный осветитель ярче, чем 100Вт галогенная лампа, провставки для поляризации и ДИК и другими. Olympus BX 53 M и Keyence – это прямые микроскопы, которые подойдут для рутинной работы, которые могут быть роботизированы, чтобы автоматически определять содержание окислов, кристаллов и других включений на поверхности шлифов.

Читайте также: