ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Оптическая и электронная микроскопия для исследования структуры и микрорельефа поверхности из "Структура и износостойкость металла " Методы световой микроскопии позволяют исследовать особенности структуры твердых тел на границе раздела металл — окружающая среда. Применение световых микроскопов ограничено их относительно невысокой разрешающей способностью, определяемой числовой апертурой А и длиной волны света X = = 0,50 мкм. При этом исследование поверхности с глубоким микрорельефом требует использование объективов с малой апертурой, что еще больше снижает разрешение световых микроскопов ЧА ). Применение ультрафиолетового излучения ( = 0,21 мкм) в 2,5 раза повышает разрешающую способность светового микроскопа, но ряд побочных обстоятельств лимитирует их широкое применение [75]. [c.59] В последнее время наметились изменения в подходе к металлографическим исследованиям. Это связано с тем, что свойства технических сплавов зависят не только от качественных особенностей микроструктуры, но и от ее количественных характеристик в области оптической металлографии в этом направлении накоплен значительный опыт [94]. Разработаны принципы и методы количественной металлографии, созданы приборы и устройства для проведения различных измерений. Измерения обычно проводятся для получения данных о микроструктуре, относительном содержании микроструктурных составляющих, размерах и распределении составляющих фаз. Другой важной характеристикой, которую обычно требуется определить, является размер зерна металлов и сплавов. Можно упомянуть и специфическое структурное исследование — измерение двугранных углов для определения поверхностной энергии. [c.59] Одна из трудностей количественной металлографии заключается в том, что количественные параметры трехмерного объекта определяют исследованием его двумерных сечений. Эти и вопросам уделяют, существенное внимание, предложены определенные подходы в каждом отдельном случае. Так, оценка относительного содержания фаз в многофазных сплавах базируется на том, что объемная доля данной фазы равна относительной площади, занимаемой этой фазой в произвольном плоском сечении образца, или доле ее на произвольной линии, проходящей через образец сплава. Другим важным аспектом является нахождение распределения размеров частиц второй фазы. Существует ряд методов измерения и распределения сферических и несферических частиц по размерам. Величину зерна металлов обычно определяют измерением на плоских сечениях, используя сравнительный метод (анализ площадей зерен в плоском сечении) или метод средней длины пересекающего зерно отрезка. [c.60] В практике количественной металлографии уделяют большое внимание точности различных методик, используемых для. измерения и расчета действительных параметров пространственного строения металлов. Разработаны различные приборы и аппараты разной степени сложности и автоматизации для получения и регистрации соответствующих данных. В настоящее время выпускают автоматические приборы, из которых. следует отметить вычислительное устройство, анализирующее изображение Кван-тимет . Устройство сконструировано по модульному принципу (отдельные узлы-модули предназначены для выполнения определенных задач, что позволяет легко изменять специализацию прибора). На этом приборе можно измерять число, площадь, длину, периметр любых особенностей изучаемого объекта, а также длину среднего пересекающего отрезка, определять особенности формы и оптическую плотность исследуемого объекта. Прибор может работать как в проходящем свете, что важно для анализа частиц, находящихся в смазке, так и в отраженном. В конструкции используют специальное сканирующее устройство высокой разрешающей способности, применена новейшая логическая схема. Полученные прибором результаты могут быть выданы в различном виде от табулированных столбцов до перфорированных карт для быстрого ввода их в вычислительное устройство. [c.60] Электронный микроскоп в общем аналогичен оптическому или световому микроскопу, но с той разницей, что для освещения образца вместо световых лучей с длиной волны около 500 нм применяют поток электронов с эффективной длиной волны порядка 0,005 нм. Это означает, что электронный микроскоп потенциально может обладать в 10 раз большей разрешающей способностью, чем оптический. В действительности из-за ограничений, обусловленных конструкцией электронных линз и методикой приготовления образцов, возможно разрешение лишь около 0,2 нм, а в повседневной работе — около 1 нм. Существенное повышение разрешающей способности позволило наблюдать и измерять особенности структуры на атомном уровне. Для полного использования разрешающей способности необходимо обеспечить большое увеличение. Лучшие микроскопы обладают огромным диапазоном увеличений от 200 до 500 ООО. Однако часто электронно-микроскопические исследования ограничены не возможностями микроскопа, а качеством приготовленного объекта исследования. Остановимся на этом вопросе несколько подробнее.. [c.61] Исследования электронным микроскопом проводят как с помощью приготовленных реплик с исследуемых поверхностей, так и просвечиванием тонкой фольги, получаемой утонением массивного образца до 0,5—0,25 мкм, т. е. исследуют прозрачные для электронов образцы [75, 104]. [c.61] Несмотря на большой объем информации, которую можно извлечь из анализа реплик, совершенно очевидно, что метод реплик не позволяет исследовать структуру металла. В 1956 г. удалось произвести утонение образца коррозионно-стойкой стали для прямого просмотра в просвечивающем электронном микроскопе с этого времени большую часть исследований металлов проводят на фольге, получаемой утонением массивных образцов. Такие объекты изготовляют разными путями. Наиболее распространен метод электролитического полирования ( метод окна ). Различные методы приготовления объекта исследований требуют нежелательных механических, химических воздействий, вызывающих изменение структуры. При этом изменения особенно существенны в случае наличия градиентов по глубине металла, вызванных условиями испытания. При трении, как показано ниже (см. гл. IV), плотность дислокаций, например, по толщине поверхностных слоев от О до 3 мкм может изменяться на несколько порядков. Приготовление тонкой фольги в этом случае неизбежно приведет не только к количественному, но, возможно, и к качественному изменению характера структуры анализируемого объекта. Электронно-микроскопическое исследование, таким образом, не будет характеризовать состояние исследуемого образца (детали). [c.62] В какой-то мере указанный недостаток исследования пытаются преодолеть с помощью специальных приемов утонения образцов. Так, в работе [991 после утонения препарат для электронномикроскопических исследований имеет клиновидное сечение авторы полагают, что в этом случае нарушения структуры в процессе приготовления минимальны. [c.62] Новым шагом в электронно-микроскопическом исследовании является применение растровых электронных микроскопов (РЭМ) 175 ]. РЭМ не является обычным электронным микроскопом, в котором изображение создается электронными линзами с помощью электронов, прошедших через объект. В нем изображение строится по точкам — оно является результатом взаимодействия электронного пучка с поверхностью образца. Природа и интенсивность результата регистрируемого взаимодействия непосредственно определяют вид получаемого изображения и, следовательно, характер информации, которую оно содержит. Прибор относится 62. [c.62] Метод исследования с помощью РЭМ представляет особый интерес для анализа реальных поверхностей трения, имеющих обычно глубокий рельеф. Дело в том, что вследствие особенности конструкции РЭМ обладает чрезвычайно большой глубиной фокуса. При увеличении 500 глубина фокуса составляет 500 мкм (т. е. примерно в 10 —10 раз больше, чем в оптическом микроскопе), при увеличении 10 ООО она достигает 0,8 мкм. Эта способность РЭМ позволяет исследовать топографию поверхности при увеличении 20 000 40 000, т..е. намного больше, чем в оптической микроскопии. [c.63] В сканирующей электронной микроскопии исследуемую поверхность сканируют фокусированным пучком электронов, а контролируют интенсивность потока вторичных электронов. Сигнал детектора вторичных электронов моделирует растр электроннолучевой трубки, луч которой развертывается синхронно с фокусированным пучком электронов. Каждая точка растра (т. е. поверх-ностл, формирующей изображение) электронно-лучевой трубки (фактически телевизионной трубки) соответствует некоторой точке на поверхности образца. [c.63] Яркость изображения пропорциональна интенсивности потока вторичных электронов из соответствующей точки на поверхности. Как и в телевизоре, качество изображения зависит от интенсивности сигнала и числа линий развертки. [c.63] В РЭМ контрастность изображения регулируют в широком диапазоне. Изображения отличаются глубиной фокусировки четко видны как очень глубокие, так и очень высокие точки поверхности. В результате даже очень шероховатые поверхности дают удивительно ясные и объемные изображения. Чрезвычайно существенное преимущество растрового электронного микроскопа — трехмерное электронно-оптическое отображение элементов структуры. [c.63] Метод РЭМ очень эффективен в настоящее время его широко применяют как для наблюдения топографии поверхности, так и для определения состава поверхностного слоя [75, 60]. Изучение химического состава поверхности основано на зависимости числа рассеянных в обратном направлении электронов от атомного номера элемента. Это до некоторой степени сходно с выявлением двух разных фаз в оптическом микроскопе, основанном на различии их цветов или, в случае просвечивающей микроскопии, на различии коэффициентов поглощения. [c.63] Вернуться к основной статье