Министерство образования и науки РФ

Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н.Туполева

Ильинкова Татьяна Александровна

«Металлографический анализ»

Учебное пособие

для направления 150700.62 «Машиностроение»

Казань – 2012 г.

Министерство образования и науки РФ

Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н.Туполева

___________________________________________________________

Кафедра материаловедения, сварки и структурообразующих технологий

УДК 621.78:669.71(077)

Ильинкова Татьяна Александровна «Металлографический анализ»

Учебное пособие

Для направления 150700.62 «Машиностроение»

Казань 2012

Автор-составитель: Ильинкова Т.А

Металлографический анализ/ Учебное пособие , Казан. нац. иссл техн. унт-т; Казань, 2012, 65 с.

Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного образования направления 150700.62 «Машиностроение»

Табл. ; Ил. ; Библ:

Содержание

Введение

Раздел 1. Современная классификация структур материалов ……….................5

Раздел 2. Техника и средства подготовки сталей и сплавов

к исследованиям …………………………………………. ……………………...9

Раздел 3. Основы оптической микроскопии……...………………………. .. 18

Раздел 4. Устройство оптического металлографического микроскопа……...23

Раздел 5. Исследование изломов……………………………………………. …31

Раздел 6. Металлография стали……………………………………….………..37

Раздел 6. ………………………………………………………………………….43

Раздел 7. ……………………………………………………………………….53

Раздел 8. …………………………………………………………………...........59

Раздел 9. ………………………………………………………………………..66

Раздел 10. ………………………………………………………………………68

Раздел 11. ………………………………………………………………………76

Введение

Металлография – это металлургическая дисциплина о структурах различных металлов и сплавов и закономерностях структурообразования. Металлография не охватывает всего разнообразия свойств металлов, эта наука, которая развивалась главным образом на базе производственного опыта и таких наук, как физическая химия и структурный анализ. Основоположниками металлографии являются инженеры П. П. Аносов (1799-1851) и Д. К. Чернов (1839-1921). Великий русский металлург Аносов на Златоустовском заводе впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Он разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Исключительно велико значение работ Чернова, всемирно признанного отцом металлографии. В 1868г. Чернов впервые указал на превращения в твердой стали при определенных температурах, сопровождающиеся тепловыми эффектами. В работах по кристаллизации стали и строению слитка Чернов изложил основные идеи теории затвердевания, не утратившие научного и практического значения и в настоящее время. Таким образом, металлография, термодинамика и физическая химия, вместе взятые, представили собой стройное учение о фазовом равновесии металлических систем, составляющие значительную часть современной металлографии.

Раздел 1. Современная классификация структур материалов

Под понятием структура (от лат. Structura – строение, расположение, порядок) подразумевается совокупность устойчивых связей рассматриваемого объекта. При исследовании материалов имеют в виде морфологию и внутренне строение. В большинстве случаев имеют дело с кристаллитами – реальными кристаллами. Структура реальных материалов – сложная динамическая система со свойствами нелинейности, неравновесности и необратимости.

Известно, что многие практически важные свойства кристаллов зависят не столько от правильного, периодического расположения атомов в объеме, сколько от различного типа нарушений этой периодичности. Исследование дефектов кристаллического строения является одной их важнейших задач современного материаловедения.

Реальные структуры материалов формируются в результате таких процессов, как первичная кристаллизация, пластическая деформация, фазовые переходы в твердом состоянии (вторичной кристаллизации или перекристаллизации) и рекристаллизации после деформационного упрочнения.

В металлографии размерный ряд структур традиционно подразделяют на четыре группы:

- Макроструктура (размеры крупных зерен, различные крупные включения, вид излома);

- Микроструктура (отдельные структурные составляющие в зеренном размере, дендриты, границы зерен);

- Субструктура (Структура внутри зерен, дислокации и их скопления, полигоны, ячейки, фрагменты);

- Субмикроструктура (точечные дефекты строения кристаллических решеток, размер решеток и их тип). Дополнительное название этой группы – рентгеноструктура, так как основным методом ее изучения является рентгеноструктурный анализ.

Однако успехи физики конденсированного состояния, механики твердого деформируемого тела и материаловедения привели к необходимости установления общего подхода к иерархии любых структур в этих науках.

Согласно представлениям, основанных на данных последнего времени целесообразно выделить три основных уровня исследования структуры материалов.

Макроструктурный уровень охватывает большие размерные интервалы (10^-3 – 10^-1 м) объемных дефектов и включает изломы, несплошности (поры включения), микротрещины, исследует дендритное и октаэдрическое строение, размеры зерен и их ориентацию, особенности структурных составляющих. Основной метод макроструктурных исследований реализуется на базе оптической микроскопии до увеличений

2 000х. Пластическая деформация на макроструктурном уровне описывается классической механикой с возможным учетом реальной структуры. Напряжения, вызывающие пластическую деформацию на макроструктурном уровне называют напряжениями первого рода, уравновешивающиеся в объеме всего образца (детали, заготовки и.т.п.).

Микроструктурный уровень включает дефекты строения кристаллических решеток (точечные и линейные дефекты) с малыми размерами (10^-10 – 10^-7 м). К этому уровню следует отнести и наноструктуры

(10^-9 м). Основными методами исследований микроструктурных дефектов (вакансий, смещенных и внедренных атомов, отдельных дислокаций) являются рентгеноструктурный анализ, высокоразрешающая трансмиссионная (просвечивающая) электронная микроскопия, туннельная и автоионная микроскопия и др. Эти современные методы исследования позволяют исследовать объекты при увеличениях до 2 000 000х.

Пластическая деформация на микроструктурном уровне описывается классической теорией дислокаций, которая успешно учитывает реальные микродефекты, но при этом значительные трудности возникают в количественных расчетах внутренних напряжений, которые называют напряжениями третьего рода, уравновешивающиеся в объеме кристаллической решетки.

Мезоструктурный уровень является промежуточным размерным интервалом (10^-7 – 10^-3 м) между макро и микроуровнями и одновременно связывает их в единый структурно-физический ряд.

Мезоструктура - это структура внутри зерна: дислокации и их ансамбли, дисклинации, блоки, фрагменты, ячейки, полигоны, их размеры и ориентация.

Основными методами исследований мезодефектов является просвечивающая электронная микроскопия, использующая увеличение объекта от 2 000 до 20 000х. Напряжения, вызывающие возникновение дефектов структуры на этом уровне – это напряжения второго рода, уравновешивающиеся в объеме зерна.

Методы исследования структур желательно использовать в связи с другими методами исследования свойств материалов: механическими, физическими и др.