Лабораторная работа 4 микроскопический анализ металлов и сплавов

Цель работы: ознакомление с микроскопическим анализом, овладение приемами работы на металлографическом микроскопе, методикой исследования микроструктуры металлов и сплавов, изготовлением шлифов.

Теоретические сведения

Микроанализ – это исследование металлов и сплавов при помощи оптических микроскопов с увеличением от 50 до 2000 раз, а также с применением электронного микроскопа с увеличением до 200 тыс. раз. Строение металлов, выявленное с помощью микроскопа, носит название микроструктуры. Изучение микроструктуры позволяет обнаружить дефекты строения, изменение внутреннего строения металла и сплава при механическом, термическом и других видах воздействия. Для выявления микроструктуры металлов готовят специальные образцы, называемые микрошлифами.

Микроанализ позволяет определить, находится ли сплав в литом состоянии или он подвергался обработке давлением, и какое влияние оказала пластическая деформация на его структуру. В катанной углеродистой стали отчетливо видно распределение неметаллических включений, вытянутых вдоль направления прокатки. Микроанализ позволяет отчетливо определить, подвергался ли сплав холодной деформации и находится ли он в наклепанном (упрочненном) состоянии или он был подвергнут последующему отжигу (рекристаллизации) для снятия наклепа. При этом отчетливо видно изменение формы и размера зерна. Микроанализом можно установить состояние, в котором находится сплав и во многих случаях определить, какой термической обработке он подвергался. Для этого сравнивают наблюдаемую структуру с той, которой должен обладать сплав согласно диаграмме состояния, или подвергают сплав дополнительной термической обработке, переводящей его в состояние равновесия (т. е. отжигу) и сравнивают полученную структуру с исходной. Микроанализ позволяет определить глубину слоя, подвергаемого химико-термической обработке.

Микроструктура металлов и сплавов характеризуется количеством, формой и расположением фаз и размером зерна, которые влияют на механические свойства сплавов. Микроанализ применяется для определения формы и размеров зерен, для выявления микродефектов металла - микротрещин, раковин, пористости, микровключений, ликвации.

С помощью металлографического микроскопа до травления на зеркальной поверхности шлифа можно наблюдать только дефекты (микротрещины, микропоры) и неметаллические включения (оксиды, сульфиды, нитриды, силикаты, графит) в чугунах. Для стали разработаны методы выявления природы неметаллических включений и оценка их количества. Количественная оценка может быть осуществлена путём подсчёта включений и путём сопоставления наблюдаемой под микроскопом картины со стандартными шкалами.

Для выявления микроструктуры полированную поверхность образца подвергают травлению. Однофазные структуры зерен различной кристаллографической ориентировки имеют различную степень растворения или окрашивания при воздействии реактива травителя. На участках стыков зёрен (граница зерна) скапливается наибольшее количество примесей, концентрируются искажения решётки, и поэтому травимость увеличивается. Такая структура при рассмотрении под микроскопом будет представлять зёрна различной окраски с ясно различимыми границами.

При освещении протравленного микрошлифа на металлографическом микроскопе лучи света будут по-разному отражаться от различно протравившихся структурных составляющих. Структурные составляющие, протравившиеся слабо, отразят в поле зрения микроскопа больше лучей света и, будут казаться светлыми; структурные составляющие, протравившиеся сильно, отразят в поле зрения микроскопа, вследствие рассеивания света, меньше лучей и будут казаться темными. Таким образом, на разнице в состоянии поверхности и количестве отраженных лучей и основано выявление структуры сплавов.

На рис. 2.1 дана схема, поясняющая видимость границ зерен под микроскопом, и микроструктуры металла с ясным очертанием границ зерен. Границы зерен травятся сильнее самих зерен, потому что поверхностные слои зерна обогащены примесями, что вызывает образование микрогальванических пар. Кристаллическая решетка у границ зерен находится в более искаженном и напряженном состоянии, чем в глубине зерна, поэтому в местах, соответствующих границам зерен, после травления получаются углубления. Вследствие рассеяния света в местах углублений, границы зерен кажутся темными.

Смеси кристаллов разных фаз (эвтектики, эвтектоиды) травятся быстрее, чем однофазные металлы, т. к. у них образуется больше электрохимических пар. В результате неодинаковой травимости фаз на поверхности образуется микрорельеф. При рассмотрении рельефной поверхности микрошлифа под микроскопом будет создаваться сочетание света и тени. Различные структурные составляющие, которые травятся по-разному, неодинаково отражают свет. Часто зерна одного и того же металла травятся по-разному, что объясняется тем, что в плоскости зерна находятся зерна с разной кристаллографической ориентировкой, а, следовательно, их химическая активность (травимость) разная.

а) распределение лучей света на зеркальной поверхности шлифа;

б) микроструктура металла с ясным очертанием границ зерен.

Рис. 2.1 - Схема, поясняющая видимость границ зерен под микроскопом