Микроструктурный анализ металлических сплавов

Металлические сплавы

Структурно-логический анализ учебного материала

Таблица 8 - Спецификация учебных элементов темы

№	Наименование элемента	Новое понятие	Опорное понятие	Уровень усвоения
	Металлические сплавы	O		II
	Микроструктурный анализ металлических сплавов	O		II
	Цель работы	O		II
	Приборы и материалы	O		II
	Основные положения	O		II
	Макроскопический анализ	O		II
	Микроструктурный анализ	O		II
	Устройство микроскопа	O		II
	Определение величины зерна	O		II
	Микроскопическое исследование структуры углеродистых сталей	O		II
	Цель работы	O		II
	Приборы и материалы	O		II
	Основные положения	O		II
	Компоненты в углеродистых сталях	O		II
	Железо	O		II
	Углерод	O		II
	Фазы в углеродистых сталях	O		II
	Жидкий сплав	O		II
	Феррит	O		II
	Аустенит	O		II
	Цементит	O		II
	Микроструктура углеродистых сталей	O		II
	Доэвтектоидная	O		II
	Эвтектоидная	O		II
	Заэвтектоидная	O		II
	Примеси в углеродистых сталях	O		II
	Маркировка углеродистых сталей	O		II
	Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества	O		II
	Стали конструкционные углеродистые качественные	O		II
	Низкоуглеродистые стали	O		II
	Среднеуглеродистые стали	O		II
	Высокоуглеродистые стали	O		II
	Стали углеродистые инструментальные качественные и высококачественные	O		II
	Микроструктура чугунов	O		II
	Цель работы	O		II
	Приборы и материалы	O		II
	Основные положения	O		II
	Белые чугуны	O		II
	Графитизированные чугуны	O		II
	Серые чугуны	O		II
	Высокопрочные чугуны	O		II
	Ковкие чугуны	O		II
	Чугуны с вермикулярным графитом	O		II

Граф учебной информации

____________________________1__________________________________________I

______2______________________10_____________________34_________________II

3___4___5________________11__12__13_______________35___36__37_________III

6__7___8___9________14__17__22__26__27_________________38_____39______IV

15__16______18__19_20__21__23__24_25__28__29_33_____40___41__42__43______V

_________________________________30__31__32___________________________VI

Краткий конспект теоретического материала

Микроструктурный анализ металлических сплавов

Цель работы

Ознакомиться с методами исследования металлических сплавов, приготовлением образцов для металлографического исследования.

Приборы и материалы

Коллекции макро- и микрошлифов, изломов. Металлографические микроскопы, лупы.

Основные положения

Макроскопический анализ

При макроскопическом анализе строение металлического сплава исследуют невооруженным глазом или с помощью лупы.

Макростроение сплава изучают на образцах или деталях, в изломе или на предварительно подготовленной поверхности, заключающейся в шлифовании и травлении. Такой образец называют макрошлифом.

Темплет – это макрошлиф изготовленный в поперечном сечении детали. Макроанализ находит широкое применение в промышленности, так как дает возможность выявлять раковины, шлаковые включения, трещины и другие дефекты строения сплава, химическую и структурную неоднородность.

Непосредственно по виду излома можно провести макроскопический анализ и установить многие особенности строения материалов, а в ряде случаев и причины их разрушения. Излом может быть хрупким и вязким.

По форме различают излом ровный или блестящий и с выступами, или чашечный. Первый вид излома характерен для хрупкого состояния, когда разрушение в условиях растяжения или ударного изгиба произошло без видимой пластической деформации, а второй – для вязкого излома. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение, происходит практически без предварительной пластической деформации, в нем можно различить форму и размер зерен металла. Хрупкий излом может проходить по границам зерен (межкристаллический) и по зернам металла (транскристаллический). В сталях хрупкий излом иногда называют нафталинистым, если он транскристаллический и имеет избирательный блеск.

При крупнозернистом строении сплава хрупкий межкристаллический излом называют камневидным.

Вязкий излом имеет волокнистое строение, форма и размер зерен сильно искажены. Ему предшествует, как правило, значительная пластическая деформация.

Под действием знакопеременных нагрузок возможно возникновение усталостного излома (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схематическое строение усталостного излома

Он состоит из очага разрушения 1 (места образования микротрещин) и двух зон – усталости 2 и долома 3. Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

Макроструктурный анализ проводится на макрошлифах.

Макрошлифы подвергают:

- глубокому травлению в концентрированных горячих кислотах для выявления волокнистого строения сплава, что важно для определения анизотропии свойств, различных внутренних дефектов металла;

- поверхностному травлению для определения химической неоднородности сплава (ликвации).

Чаще всего определяют общую химическую неоднородность сплава по сечению детали.

Конкретно для сталей распределение C, P, S зависит от количества этих элементов, процесса кристаллизации и обработки давлением. Для определения общей ликвации свежеприготовленный макрошлиф погружают на 2 мин. в 10 % раствор двойной медно-аммиачной соли соляной кислоты (CuNH4Cl2).

При травлении медь замещает железо и оседает на участках поверхности, обедненных S, P, C, защищает их от дальнейшего растравления. Места, обогащенные примесями, оказываются сильно протравленными. Затем макрошлиф промывают под струей проточной воды и осторожно снимают медь с поверхности ватным тампоном. Полученную картину зарисовывают или фотографируют.

Микроструктурный анализ

Микроструктурный анализ проводится с целью исследования структуры металлов и сплавов под микроскопом на специально подготовленных образцах. Методами микроанализа определяют форму и размеры кристаллических зерен, обнаруживают изменения внутреннего строения сплава под влиянием термической обработки или механического воздействия на сплав и микротрещины.

Микроструктурный анализ проводится на микрошлифах при приготовлении которых необходимо учитывать что:

– шлиф должен иметь минимальный деформированный слой;

– на поверхности шлифа не должно быть царапин и ямок;

– шлиф должен быть плоским (без «завалов»), чтобы его можно было рассматривать при больших увеличениях.

Шлиф – это образец с плоской отполированной поверхностью.

Изготовление шлифа механическим методом:

Вначале производят обработку образца на плоскость (заторцовку) с помощью круга. По краям следует снять фаску, чтобы при последующих операциях не порвать полировальное сукно. Затем производят шлифовку на специальной бумаге с разной величиной зерна абразива, уложенной на стекло. При переходе к следующему номеру бумаги образец разворачивают на 90º и шлифуют до тех пор, пока не исчезнут риски от предыдущей обработки. После шлифования на последней бумаге шлиф промывают в воде, чтобы частички абразива не попали на полировальный круг. После шлифовки производят полировку. Шлиф слегка прижимают к вращающемуся кругу, на который натянуто сукно. Полировальный круг все время смачивается суспензией – взвесью тонкого абразива в воде.

Абразивами для полировки служат окись алюминия (белого цвета), окись хрома (зеленого цвета) или другие окислы. Для полировки твердых материалов применяют пасту с алмазным порошком или алмазные круги. Полировку производят до получения зеркальной поверхности. После полировки шлиф промывают в воде или спирте, сушат полированную поверхность фильтровальной бумагой. Ее следует прикладывать к зеркалу шлифа, а не водить по нему. После полировки микроструктура, как правило, не бывает видна. Исключением являются сплавы, структурные составляющие которых сильно различаются по составу и твердости, в результате чего одни участки шлифа сполировываются больше, другие меньше, и на поверхности образуется рельеф.

Для выявления микроструктуры шлиф подвергают травлению – кратковременному действию реактива. Травитель и время травления подбирают опытным путем.

Механизм выявления структуры сплава довольно сложен. Те участки шлифа, которые сильно растравлены, кажутся под микроскопом более темными т.к., чем сильнее растравлена поверхность, тем больше она рассеивает свет и меньше света отражает в объектив.

В образце с однофазной структурой границы между зернами растравливаются сильнее, чем тело зерна, и под микроскопом видны канавки в виде темной сетки (рисунок 4). Разные зерна одной фазы попадают в сечение шлифа различными кристаллографическими плоскостями, которые травятся по-разному. Поэтому зерна одной фазы могут иметь различные оттенки.

Рисунок 4 - Выявление микроструктуры сплава

В многофазном сплаве различные фазы и структурные составляющие травятся по-разному. Смесь фаз подвергается не только простому химическому действию реактивов, но и электрохимическому травлению, т.к. смесь фаз является совокупностью микрогальванических элементов. Растворяются частички, являющиеся микроанодами по отношению к другим частицам – микрокатодам.

В результате такого сложного действия травителя выявляется микростроение образца. После травления шлиф промывают водой, сушат фильтровальной бумагой и ставят на столик микроскопа.

Устройство и работа микроскопа

Разрешающая способность глаза ограничена и составляет 0,2 мм. Разрешающая способность характеризуется разрешающим расстоянием, т.е. тем минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно. Чтобы увеличить разрешающую способность, используется микроскоп. Разрешаемое расстояние определяется соотношением:

μ = =

λ – длина волны света;

n – показатель преломления среды, находящейся между объективом и объектом;

α –угловая апертура, равная половине угла раскрытия входящая в объектив пучка лучей, дающих изображение.

Произведение n sinα =A – числовая апертурой объектива.

Эта важнейшая характеристика объектива выгравирована на его оправе. В большинстве исследований применяют сухие объективы, работающие в воздушной среде (n = 1). Объектив дает увеличенное про- межуточное изображение объектива, которое рассматривают в окуляр, как в лупу. Окуляр увеличивает промежуточное изображение объектива и не может повысить разрешающей способности микроскопа.

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра. Рекомендуется начинать микроанализ с использованием слабого объектива, чтобы вначале оценить общий характер структуры на большой площади. После просмотра структуры при малых увеличениях микроскопа используют объектив с такой разрешающей способностью, чтобы увидеть необходимые мелкие детали структуры.

Окуляр выбирают так, чтобы четко были видны детали структуры, увеличенные объективом. Собственное увеличение окуляра выгравировано на его оправе (например, 7х).

В металлографии микроанализу подвергаются непрозрачные для световых лучей объективы – микрошлифы, которые рассматривают в микроскоп в отраженном свете. Наводку на резкость осуществляют грубо, вращением макровинта. Тонкую наводку на резкость – вращением микровинта, который перемещает объектив по отношению к неподвижному предметному столику.

Для рассмотрения разных участков шлифа предметный столик вместе со шлифом перемещают винтами относительно неподвижного объектива в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Определение величины зерна

Величина зерна оказывает существенное влияние на свойства сплава. По методу «секущей» подсчет числа зерен на выделенной площади заменяется подсчетом стыков (границ) плоских зерен.

Для определения диаметра зерна d при данном увеличении микроскопа (100x) необходимо, используя окуляр (7x), имеющий измерительную линейку, посчитать на контрольном образце количество пересечении

границ с осью шкалы окуляра «секущей». Аналогичный расчет проводится в двух других полях зрения. При подсчете определяют среднее арифметическое значение числа пересечений. Диаметр зерна определяют по формуле:

d₃ =