Vývoj mikroskopů Historie metalografie Jako první průkopník mikroskopických studií, anglický vědec dr. C. Sorby ze Sheffieldu, uveřejnil a popsal v roce 1864 první fotografie struktur naleptaných výbrusů. V květnu 1885 Sorby na shromáždění Iron and Steel Institute v Londýně zdůraznil význam mikroskopických pozorování na výbrusech. Poukázal na to, že všechny druhy železa a oceli jsou směsi dvou a více strukturních složek, jež je možno rozeznat mikroskopem. Za vlastní základ metalografie jsou uváděny práce německého profesora Adolfa Martense, který vydal v roce 1878 řadu pojednání o mikroskopickém pozorování železa. Své rozbory doprovázel ručně kreslenými obrázky struktur. K významným průkopníkům patří i dr. Wedding, který při metalografickém studiu prosazoval již první mikrofotografie. Později se dokonce mezi Martensem a Weddingem vyvinul spor o to, zda mají být při metalografickém studiu používány kresby nebo fotografie. Samozřejmě, že Weddingův názor měl správný směr, už jenom vzhledem k subjektivnímu vlivu kresliče. Velký pokrok zaznamenala metalografie v roce 1893, kdy na inženýrském kongresu v Chicagu Francouz F. Osmond předložil svou práci „Mikroskopická Obr 1. - Adolf Martens metallografie“. Pojednává zde o dosavadním studiu nově se tvořící vědy a navrhuje, aby se stanovily základní strukturní modifikace a pak se pokusy určilo, jak se mohou tyto struktury měnit v závislosti na chemickém složení a na působení teploty, tlaku a času. Specielně se zabývá i mikrostrukturou železa, způsoby osvětlování a jejich mikrofotografií. Vzájemnou dohodou byly ještě na tomtéž zasedání také poprvé ustáleny názvy typických strukturních složek železa tak, jak je navrhl Howe: ferit, perlit, cementit. K identifikaci a studiu jednotlivých strukturních složek později přibyly pojmy jako martensit, troosit, sorbit a austenit. K dalším badatelům, kteří se na těchto zásadních výzkumech podíleli, nesmíme zapomenout na tvůrce rovnovážného diagramu Angličana Robertse-Austena, ale také na angličana Steada, francouze Osmonda a německého mineraloga A. Ledebura a Behrense.
Obr 2. - První metalografická laboratoř francouze Florise Osmonda z roku1888
V roce 1897 uveřejnil francouzský chemik, fyzik a profesor Henry Louis Le Chatelier pojednání a dějích ve slitinách železa s uhlíkem, které považuje za tuhé roztoky. Zveřejněny jsou i výsledky prof. Austena s různými slitinami železa a uhlíku, dále pojednání barona Jüptnera „Přínosy k teorii rozborů železa a oceli“ a v roce 1899 Austenova „Pátá zpráva výboru pro výzkum slitin“. Tato studia soustředěná na samotný konec 19. století, byla v Evropě především francouzského, anglického a německého původu a zabývala se otázkou vzájemného vlivu železa a uhlíku. Přelom 19. a 20. století zaznamenal velmi rychlý sled výsledků dosažených jednotlivými badateli. Byly zkoumány děje při zahřívání a ochlazování slitin železa s uhlíkem a stanoveny kritické body a kritické teploty alotropické změny. Pojmenoval je Osmond jako body zahřívání AC1 , AC2 , AC3 ... a jako body ochlazování Ar1 , Ar1 , Ar1 ... V roce 1897 pak publikoval jako první prakticky použitelný rovnovážný diagram Roberts-Austen, který zachytil základní rysy soustavy. Dílem profesora E. Heyna je pak rozlišení stabilního a metastabilního stavu. Do oblasti posledního oddílu metalografické vědy pak patří hlavně studium nesprávného ohřevu a výzkum škodlivých příměsí jako jsou síra, fosfor, plyny apod. Nyní se metalografie rozvíjí jako technická disciplína a začínají se zřizovat první kvalitní metalografické laboratoře. Metalografické metody Přímé pozorování a hodnocení struktury materiálů jsou historicky prováděny od poloviny 19. století (r. 1864) a to zpočátku mikroskopem v odraženém světle. Metalografie má velký význam pro výrobu a zpracování kovů. Struktura kovů, slitin i nekovových materiálů je definována jako komplex fází a je v přímé vazbě s jejich užitnými a technologickými vlastnostmi. Přímé pozorování struktury je nejčastěji zprostředkováno viditelným světlem o vlnové délce 0,35 až 0,75 µm nebo zářením elektronovým. Podle typu použitého záření se dělí metalografická mikroskopie na světelnou a elektronovou. Makroskopické pozorování se provádí na upravené ploše vzorku do zvětšení přibližně 20krát a poskytuje přehledný obraz struktury. Vzorek se prohlíží pouhým okem, lupou nebo stereomikroskopem.
Mikroskopická pozorování poskytují informace o strukturních detailech na úrovni krystalického zrna. Pro pozorování se používá mikroskopů pracujících s odraženým světlem, neboť kovy jsou pro viditelné světlo neprůsvitné v jakýchkoliv tloušťkách [1]. Světelná mikroskopie Základním vybavením je světelný mikroskop. Zobrazovací systém mikroskopu je soustava čoček uspořádaná tak, aby bylo dosaženo požadovaného zvětšení, vysokého kontrastu strukturních částí, vysoké rozlišovací schopnosti a relativně velké hloubky ostrosti. Mikroskop se skládá z objektivu a okuláru. Objektiv zvětšuje přímo pozorovaný předmět, okulár zvětšuje obraz vytvořený objektivem. Světelná mikroskopie je nejstarší metodou hodnocení struktury kovů a má největší vypovídací schopnost. Dává o struktuře přehledné informace a je podkladem pro rozhodování o dalších metodách studia struktury. Příprava metalografických preparátů. Tato má svá pravidla, která zajišťují, aby se struktura vzorku v průběhu preparace nezměnila a nebyla jednotlivými operacemi ovlivněna. Operacemi přípravy preparátů jsou : odběr vzorku, označení vzorku, hrubé broušení, preparování vzorku, broušení, leštění, vyvolání struktury leptáním) [1]. Teplotní mikroskopie Používá se za účelem pozorování struktury za vysokých teplot, až do bodu tání a za teplot pod bodem mrazu. Tato umožňuje sledovat průběhy změn struktury při změně teploty (např. fázové transformace, růst zrna, rekrystalizační procesy, precipitační děje aj.) [1]. Přístroje a zařízení umožňují sledování : mikrostruktury za ohřevu do 1400°C a při podchlazení do – 180°C tvrdosti od – 180°C do 1100°C stárnutí do teploty 1000°C vypařování během ohřevu do 3000°C deformace během ohřevu do 1100°C a při podchlazení do – 180°C tavení a krystalizace fyzikální konstanty za ohřevu do 1300°C a při podchlazení do – 180°C Zařízeními pro světelnou teplotní mikroskopii jsou : tepelné mikroskopy nebo teplotní komůrky (jsou příslušenstvím velkých metalografických mikroskopů). • • • • • • •
Nedestruktivní metalografie Používá se v případě, že nelze z finálního výrobku odebrat příslušný metalografický vzorek (mostní a jeřábová konstrukce, chemická a tlaková nádoba, odlitek apod.). Zařízení připraví kvalitní metalografický výbrus v terénních i provozních podmínkách a to: broušením, leštěním a naleptáním místa na povrchu o velikosti 30 až 50 mm 2. Místo se pozoruje, event. fotografuje pomocí přiloženého mikroskopu [1]. Měření mikrotvrdosti Používá se k měření tvrdosti jednotlivých strukturních součástí a v rámci studia struktury tuhých látek. Význam má pro identifikaci fází ve struktuře, dává informace o rozložení difúzních vrstev, hloubkách vrstev povrchových úprav, o charakteru vzájemného ovlivňování fází na mezifázových rozhraních, pro měření tvrdosti tenkých předmětů apod. Mikrotvrdoměry jsou založeny obvykle na Vickersově identoru s rozsahem zatížení od 2g do 200g. Moderní mikrotvrdoměry jsou automatizovány, zatížení a rozložení vtisků lze naprogramovat, měření se provádí na obrazovce monitoru a výpočet mikrotvrdosti provádí počítač, včetně zakreslení schématu průběhu hodnot[1].
Kvantitativní metalografie Používá se k detailní analýze struktury a k přesnému hodnocení vztahů mezi strukturou a mechanickými, popř. fyzikálními vlastnostmi materiálu. Např. výskyt oxidických nečistot v oceli ovlivňuje pevnost. Kvantitativní metalografií lze stanovit množství nečistot a stanovit pak hodnotu, o kterou se pevnost jejich vlivem sníží. Stanovuje se tak množství jednotlivých fází ve struktuře, rozložení a množství armujících složek v kompozitních materiálech, velikost zrna aj. Tato metoda je již plně automatizována a využívá obecných zásad stereologie, tj. matematické metodiky k převodu obrazu získaného pozorováním v rovině na tvar a rozměr prostorový[1]. Elektronová mikroskopie Tato navazuje na mikroskopii světelnou, doplňuje ji a je dále rozvíjena pro potřeby chemické mikroanalýzy a analýzy fází. Má rozlišovací schopnost na úrovni rozměrů krystalických mřížek kovů a keramiky, tj. na rozměrové úrovni nanometrů. Elektronové optické systémy napodobují světelné optické systémy, včetně geometrických vad čoček a vad chromatických [1]. Transmisní elektronová mikroskopie Transmisní elektronové mikroskopy jsou v podstatě variantami světelných mikroskopů pracujících s průhledným vzorkem. Docílilo se u nich vysoké rozlišovací schopnosti použitím záření o výrazně kratších vlnových délkách. Uspořádání optických částí je stejné jako u světelných mikroskopů. Transmisní elektronová mikroskopie je založena na průchodu svazku urychlených elektronů stěnou pozorovaného vzorku, který musí být dostatečně tenký. Vzorky se používají ve formě replik (otisků) nebo tenkých folií [1]. Elektronová difrakce Náleží do oboru elektronové mikroskopie. Je využívána pro identifikaci fází submikroskopických částic a stanovení jejich krystalografické orientace vzhledem k matrici. Difrakce se realizuje přímo v elektronových mikroskopech. Pro polykrystalické látky se vytvoří spektrum kruhové, pokud svazek záření obsáhne větší počet zrn nebo částic. Pro difrakci na jediném krystalu nebo zrnu v polykrystalickém vzorku vznikne spektrum bodové [1]. Rastrovací elektronová mikroskopie Tato řádkovací elektronová mikroskopie se používá přibližně od r. 1965. Je doplňkem světelné mikroskopie pro pozorování masivních (neprozařitelných) vzorků. Touto metodou se dosahuje vysoké rozlišovací schopnosti, velkého zvětšení a velké hloubky ostrosti. Vzorek může mít relativně velké rozměry a není nutno jej preparovat, pokud je elektricky vodivý. Nevodivé vzorky, včetně nevodivých fází v kovech je třeba zvodivit, např. napařením kovu nebo uhlíku. Tato nutnost není třeba u enviromentálních a nízkovakuových režimů (ESEM, LV). Zařízení může pracovat s dalšími detektory, které umožňují získat informace např. o chemickém složení v mikroobjemech. Osvětlovací soustava je obdobná jako u mikroskopů transmisních. Elektronový svazek řádkuje a bod po bodu registruje údaje s povrchu vzorku[1]. Aplikace metod transmisní a rastrovací elektronové mikroskopie Rentgenové spektrum nese informace (energie, vlnové délky) o atomech prvků obsažených v interakční oblasti. Analýzou tohoto spektra pomocí spektrometru, lze získat kvalitativní a kvantitativní informace o obsahu jednotlivých prvků obsažených v interakční oblasti, na kterých bylo rentgenové záření buzeno. Podstata identifikace jednotlivých druhů atomů (chemická analýza) v mikroobjemu zasaženém svazkem primárních elektronů záleží tedy v analýze spektra, které je z této oblasti emitováno. Tato spektrální analýza se provádí dvěma způsoby. Buď na základě analýzy vlnové délky rentgenového záření (vlnově disperzní
mikroanalýza) nebo na základě analýzy energií spektrálních čar (energiově disperzní analýza) [1]. Mikroskopie v blízkém poli V klasické mikroskopii (v dalekém poli) se vzorek pozoruje vždy ze vzdálenosti velké v porovnání s vlnovou délkou světla či elektronu, a je zpravidla pozorován „najednou“, v jednom časovém okamžiku. Tato metoda však má své nevýhody, spočívající především v nízkém rozlišení. Volným prostorem se totiž nešíří vlny s prostorovou frekvencí větší než odpovídá vlnové délce použitého záření na vzdálenost vetší než odpovídá vlnové délce použitého záření λ, dále se uplatňují difrakční jevy na použitých optických prvcích. V dalekém poli tedy nelze získat obraz detailů menších než je λ. Takto určená rozlišovací mez se dá obejít pouze přiblížením detektoru či zdroje záření velmi blízko povrchu vzorku, na vzdálenost menší než λ – v blízkém poli pak bude rozlišení určováno nikoliv vlastnostmi záření, ale poloměrem sondy či detektoru (mírné zvýšení rozlišení – asi 2× – se dá docílit také zobrazováním v prostředí s vyšším indexem lomu). Teoreticky byl tento způsob navržen už roku 1928, ale první experimentální realizace proběhla v 70. letech v mikrovlnné oblasti. Princip je velice jednoduchý: těsným přiblížením vlnovodu, který je na konci zaostřen tak, aby z něj vycházející světlo mělo velmi malý průřez, se docílí jen malého rozšíření vycházejícího svazku před průchodem vzorkem a po průchodu se světelný svazek sice dále rozšiřuje, ale nese informaci pouze o malé části vzorku, kterou svazek prošel. Důležitým rozdílem oproti mikroskopii klasické je „rastrovaný“ charakter obrazu, protože sondou musíme pohybovat v přesně definované síti měřicích bodu a nikdy nezískáme obraz najednou – pro sestavení obrazu je zapotřebí paměťového zařízení. Druhou metodou, snažící se obejít klasický rozlišovací limit, je využití principu profilometru – tedy snímání povrchu pomocí tažení ostrého hrotu a detekce jeho interakce s povrchem (např. ohnutí nosníku, na kterém je hrot upevněn). Touto cestou se v 70. letech vydal Young, který sestrojil Topografiner umožňující trojrozměrné zobrazení povrchu s rozlišením přibližně 100 nm (přístroj byl založen na emisi elektronů). K vyšším rozlišením se nebylo možno dostat vzhledem k mechanické nestabilitě zařízení [2]. Jednou z metod mikroskopie v blízkém poli je skenovací tunelová mikroskopie. Mikroskopie atomárních sil (Atomic Force Microscopy - AFM) Již při měření povrchu metodou STM se ukázalo, že zde působí parazitní síla mezi hrotem a měřeným povrchem (vyjma elektrostatické), která způsobuje přitahování či odpuzování hrotu a tím mění skutečnou vzdálenost hrotu od vzorku (měří se totiž vzdálenost, která odpovídá napětí na piezokeramice v příslušném směru). Tato parazitní vlastnost se v roce 1986 dočkala svého uplatnění jakožto hlavního měřícího principu. Mezi sondou (hrotem) a vzorkem vždy působí nějaké síly, při malých vzdálenostech především van der Waalsovy, Pauliho odpudivé a čisté elektrické (je-li přivedeno napětí nebo působí-li náboje). Tyto síly způsobují přitahování nebo odpuzování hrotu, které je relativně snadno měřitelné. Prostorová závislost těchto sil pak umožňuje mapování topografie vzorku. Výhodou metody je možnost měřit i nevodivé vzorky, protože není třeba průchodu proudu [2]. Laserová konfokální mikroskopie Zásadním rozdílem mezi světelným mikroskopem a konfokálním mikroskopem je použití odlišných zdrojů světla. Konfokální mikroskop Olympus LEXT používá jako světelného zdroje laserový paprsek o vlnové délce 408 nm, zatímco světelný mikroskop využívá světelného zdroje, jenž vyzařuje světelný paprsek v širokém pásmu světelné délky. Z těchto rozdílů pak vyplývají fyzikální možnosti jednotlivých výše zmiňovaných druhů mikroskopů.
Rozlišovací schopnost klasických optických mikroskopů je omezena interferenčními jevy na cca 0,2 μm, přičemž tato hranice je v praxi obtížně dosažitelná a to zvláště u silnějších preparátů. Nepříznivě se projevuje jednak obvykle používané bílé světlo, které je směsí různých vlnových délek a také vliv parazitního osvětlení (z nezaostřených rovin přichází mnohem více světla než z roviny zostřené) [3]. Naproti tomu laserové záření, jenž je použito jako bodového světelného zdroje, umožňuje dosáhnout mimořádně ostrého a vysoce kontrastního obrazu, který svými obrazovými parametry umožňuje získat z pozorovaného obrazu velké množství informací. Svou velkou hloubkou ostrosti obrazu dokáže laserový konfokální mikroskop v určitém rozsahu zvětšení hodnotně nahradit elektronový řádkovací mikroskop, neboť zkoumané struktury nacházející se nad a pod rovinou fokusace nemají téměř žádný vliv na kvalitu výsledného obrazu. Hlavní a zásadní výhodou konfokální mikroskopie je možnost prostorové rekonstrukce mikroskopických objektů, která se vytvoří z několika desítek až stovek optických řezů jedním objektem, postupně snímaných při plynule se měnící hloubce zaostření (confocal = „mající společné ohnisko“; tímto termínem se označuje optické uspořádání, ve kterém jsou objektiv a kondensor zaostřeny na stejný bod [3]). Této význačné vlastnosti konfokálního mikroskopu lze s výhodou použít zejména při sledování povrchových vlastností materiálů, tzn. povrchové morfologie (obr.4), povrchových defektů (obr.5), indentačních zkoušek (obr.6), stop opotřebení při různých materiálových zkouškách (tribologických stop, vrypů při scratch testech, impaktů při impact testech) apod. Běžné konfokální laserové rastrovací mikroskopy zpravidla získávají 3D zobrazení tak, že skládají mnohonásobná zobrazení ploch, získaná z rastrovacích komponentů jejich výšek, po pravidelných submikronových krocích. LEXT naproti tomu používá inteligentní softwarovou funkci výpočtu ohnisek (CFO), která k vytvoření celé plochy vzorku vybírá pouze nejlepší ohniskové plochy. To nejen výpočetní operace velmi urychluje, ale rovněž zjišťuje nejlepší ohnisko pro každou jednotlivou vybranou plochu, což dává velmi kvalitní konečné zobrazení.
Obr.3 – Snímek křehkého lomu pořízeného pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu
Obr. 4 - Prostorová 3D rekonstrukce štěpné fazetky křehkého lomu
Obr. 5 - 3D znázornění povrchové dutiny z obr.2; bez znalostí informací vyplývajících z tohoto obrázku by bylo jen značně obtížné interpretovat orientaci povrchového defektu
Obr. 6 - Prostorová rekonstrukce HRC vtisku (Mercedes test) ve skutečných barvách provedeného do PVD vrstvy
Olympus LEXT překračuje rámec konvenční mikroskopie tím, že představuje velmi výkonný 3D metrologický nástroj, neboť u pozorovaných struktur lze změřit jejich velikost ve všech třech osách (obr.7,8,9). Měření v režimu 2D je možné v rozsahu šířky od 1,5 mm do 1 μm (1 zorné pole), což umožňuje provádět geometrické analýzy součástí, tzn. měření vzdálenosti definovaných bodů, měření úhlů a průměrů. V 3D režimu je možné měřit výšky v rozsahu 1 mm do 0,5 μm. Díky tomu je možné prostorové měření povrchu plochy nebo objemu. K dalším možnostem měření patří přesné určení drsnosti povrchu až do úrovně Rz 0,1 μm, liniová i plošná analýza drsnosti. Jelikož při měření drsností a profilů pomocí laserového konfokálního mikroskopu nedochází k destrukci ani ke kontaktu s měřeným povrchem, lze jím měřit různé tenké povlaky a značně profilově nerovnoměrné povrchy (např. křehké lomy). Opakovatelnost měření je do 0,020 μm s opakovatelností osy z do 0,052 μm. Pro účely zajištění jakosti nabízí Olympus LEXT analýzu drsnosti, měření výšky a objemovou analýzu.
Obr. 7 - Výška štěpné fazetky u křehkého lomu
Obr. 8 - Hloubka vtisku Mercedes testu provedeného u PVD vrstvy
Obr. 9 - Tribologická dráha opotřebení
Rozsah zvětšení laserového konfokálního mikroskopu Olympus LEXT se pohybuje od 120x do 14 400x s rozlišením 0,12 μm. Na rozdíl od řádkovacího elektronového mikroskopu není potřeba žádné vakuové komory, neboť vzorky se umisťují přímo na mikroskopický stolek, který je v případě modelu OLS30-CS150AS100 plně automatický, což umožňuje automaticky naskenovat celý povrch snímaného vzorku. Vzorek nemusí být vodivý a nedochází k jeho degradaci tak, jako u elektronového mikroskopu vlivem elektronového svazku. Výhodou oproti řádkovací elektronové mikroskopii je také možnost pozorovat zkoumaný objekt ve skutečných barvách (obr.6), neboť LEXT je první systém, který umožňuje získat nejen fixní, ale i simultánní zobrazení vzorků ve skutečných barvách tím, že kombinuje laserové 3D zobrazení s plnobarevným zobrazením ve světlém poli. Další velkou výhodou je možnost využít laserový paprsek společně s tradičními mikroskopovacími technikami (pozorování ve světlém a tmavém poli, polarizovaném světle a D.I.C interferenční kontrast), a to jak v režimu video – „živý“ obraz, tak i v režimu laserového konfokálního zobrazení. Tento nový konfokální laserový D.I.C režim je zvláště užitečný pro zvýraznění jemných texturových změn při analýze povrchů. Přednosti, které má konfokální mikroskopie oproti ostatním mikroskopickým metodám lze shrnout: • Vysoké axiální rozlišení při vysoké ostrosti obrazu • Možnost optických řezů a pozorování průhledných vzorků i pod povrchem • Konstrukce trojrozměrných obrazců • Bezkontaktní povrchová profilometrie (i málo odrazivých materiálů) • Možnost snímání barevného obrazu ve skutečných barvách
• • • •
Možnost pozorování nevodivých materiálů Možnost pozorování porézních materiálů – není potřeba vytvoření vakua Možnost použití obrazové analýzy Možnost využití klasických metod světelné mikroskopie (světlé a tmavé pole, nomarského diferenciální kontrast, fázový kontrast, polarizační a fluorescenční mikroskopie atd.) • Možnost pozorování živých exemplářů bez nutnosti jejich usmrcení. • Nedochází k degradaci vzorku • Jednoduchá výměna vzorků • Jednoduchá obsluha Z toho je tedy zřejmé, že konfokální mikroskopie tvoří logický přechod mezi optickou světelnou mikroskopií a elektronovou řádkovací mikroskopií. Bibliografické citace: [1] Machourek,V., Kříž,A., Podaný, P., Kraus, V. Metallographic Structures Database for Practice and Teaching. Soutěžní přehlídka studentských a doktorských prací FST 2006 [2] Laboratoř mikroskopie atomárních sil, Katedra experimentální fyziky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého [online] [cit 22.6.2006] Dostupné na < http://atmilab.upol.cz/texty.html > [3] Viková, M., Vik,M. Využití konfokální mikroskopie v materiálovém výzkumu.Textilie v novém tisíciletí.2006
