Микроскопия

Опубликовано в Металлография.

Практическим инструментом металлографии является микроскопия.
МИКРОСКОПИЯ – это общее название методов наблюдения в микроскоп (и применяемых при этом специальных методов освещения) мелких и мельчайших объектов и неразличимых человеческим глазом деталей строения таких объектов. Совокупность технологий и методов практического использования микроскопов также называют микроскопией.

 

(Микроскоп. Историческая справка, данные Большой Советской энциклопедии. Свойство системы из двух линз давать увеличенные изображения предметов было известно уже в 16-м веке в Нидерландах и Северной Италии мастерам, изготовлявшим очковые стёкла. Имеются сведения, что около 1590 г. прибор типа микроскопа был построен 3. Янсеном (Нидерланды). Быстрое распространение микроскопов и их совершенствование, главным образом, ремесленниками - оптиками, начинается с 1609-1610гг., когда Г. Галилей, изучая сконструированную им зрительную трубу, использовал её и в качестве микроскопа, изменяя расстояние между объективом и окуляром. Первые блестящие успехи применения микроскопа в научных исследованиях связаны с именами Р. Гука (около 1665г.; в частности, он установил, что животные и растительные ткани имеют клеточное строение) и особенно А. Левенгука, открывшего с помощью микроскопа микроорганизмы (1673-1677гг.). В начале 18-го века микроскопы появились в России; здесь Л. Эйлер (1762г.; "Диоптрика", 1770-71гг.) разработал методы расчёта оптических узлов микроскопа. В 1827г. Дж. Б. Амичи впервые применил в микроскопе иммерсионный объектив. В 1850г. английский оптик Г. Сорби создал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете. Широкому развитию методов микроскопических исследований и совершенствованию различных типов микроскопов во 2-й половине 19-го века и в 20-м веке в значительной степени способствовала научная деятельность Э. Аббе, который разработал (1872-1873гг.) ставшую классической теорию образования изображений несамосветящихся объектов в микроскопе. Английский учёный Дж. Сиркс в 1893г. положил начало интерференционной микроскопии. В 1903г. австрийские исследователи Р. Зигмонди и Г. Зидентопф создали т. н. ультрамикроскоп. В 1935г. Ф. Цернике предложил метод фазового контраста для наблюдения в микроскопе прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов. Большой вклад в теорию и практику микроскопии внесли советские учёные - Л. И. Мандельштам, Д. С. Рождественский, А. А. Лебедев, В. П. Линник.)
О микроскопии написано много, в основном применительно к биологическим объектам. Но наш объект – материалы.
Материалами человечество осознанно пользовалось с момента своего появления. До определенного времени их освоение носило исключительно практический характер, а знания доставались только опытным путем. Поэтому наблюдение и анализ могли производиться только глазом.
Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта т. н. расстояние наилучшего видения составляет 250 мм, минимальное разрешение составляет примерно 0,08 мм (а у многих людей - около 0,20 мм). То, что человек мог увидеть невооруженным глазом, т.е. то, что «лежит на поверхности», уже давно исследовано и описано.
Но любое развитие вызывает к жизни перемены. В какой-то момент оказывается, что те предметы, материалы, образцы, которые мы считали неизменными, цельными, имеют особенности, которые мы раньше не замечали. Или у них обнаруживается внутренняя структура, которая может влиять на их свойства. Следовательно, эту структуру надо изучать. И наш взгляд на материал меняется. Но меняется не только восприятие материала. Изменяются и инструменты, которыми мы пользуемся.
Микроскопия оперирует различными инструментами в разные времена.
Можно перефразировать известное изречение и сказать, что этапы микроскопии различаются не тем, что наблюдают, а тем, с помощью чего наблюдают и как фиксируют. Микроскопия в этом смысле шла рука об руку с развитием оптики и средств фотографии, начиная от рисунков Сорби и Чернова, когда кроме ручной графики не было никаких средств фиксирования микроскопического изображения, и заканчивая современными металлографическими комплексами с компьютерной фиксацией изображений.
В свое время «картинка» структуры была получена Сорби простой зарисовкой (рис.1,а). По данным Википедии: В 1863 году он первым в Англии использовал травление кислотой для изучения микроскопического строения железа и стали, определив точное количество углерода, которое необходимо стали для получения определенной прочности.  

1  2  3 
                      а                                б                                  в 

Рисунок 1. Пластинчатый перлит в стали: а – рисунок Сорби, б – фотография, в – цифровое изображение

4  5 
   

Рисунок 2. Дендриты в усадочной раковине (а), сталь, 145х; дендриты в системе титан-кремний, СВС-процесс, 2000х.

Изображения структуры, полученные фотографическим методом (рис.1,б), надежно служили металловедам и позволили сформировать современное металловедение как науку. На качественно новый, современный уровень металлографию вывело уже не только совершенствование оптических приборов, но и появление компьютерной техники. Она позволила не только увидеть еще больше деталей изображения (рис.1,в), но и качественно их зафиксировать. На рис.3а показан рисунок Д.К.Чернова, сделанный от руки, и дендриты, образовавшиеся при СВС-синтезе, зафиксированные видеокамерой. Об уровне можно судить хотя бы по тому, что в 1868г. Чернову это было сделано с простейшим (на наш сегодняшний взгляд) микроскопом и камерой-люцидой при увеличении 145 крат. Сегодня при микроскопических исследованиях нам доступно увеличение 2000 крат и более, что позволяет фиксировать более тонкие эффекты. Создание видеокамер можно рассматривать также как этап совершенствования средств наблюдения, поскольку видеокамера позволяет дополнительно повысить резкость изображения, особеннно на больших увеличениях. На рис. 3,а показано изображение структуры, снятое через видеокамеру в программе обработки изображений, а также так, как это видно в окуляр микроскопа (рис.3,б).

6   7 
                                      а                                             б

Рисунок 3. Структура стали ШХ15: а – съемка видеокамерой, б – так, как видно в окуляре микроскопа.

Микроскопы становятся все более простыми и удобными приборами для использования в различных областях науки и техники. Они являются необходимостью в современном исследовании, учебной и производственной деятельности.
Структуры, представленные на этом сайте, получены на отечественном оборудовании. О микроскопах белорусского производства читайте на сайте ОАО «Оптоэлектронные системы» http://www.optes.by