Основы практической металлографии. Учебное пособие

крупных фракций. В качестве абразива обычно применяют окись хрома; кроме этого, используют также окись магния и окись алюминия. Для получения качественных шлифов рекомендуется применять суспензию полировального порошка в мыльном растворе.

Вначале образец полируют в направлении, перпендикулярном следам рисок от шлифовки. После исчезновения рисок шлиф необходимо постепенно поворачивать в направлении, противоположном вращению диска. Процесс полирования должен продолжаться до исчезновения последних рисок, однако, не более 3–5 мин. При более продолжительном полировании на поверхности микрошлифа образуются выбоины, выкрашиваются хрупкие составляющие структуры, а вся поверхность покрывается мелкокристаллической плёнкой деформированного металла, который плохо поддаётся травлению. Такая плёнка искажает микроструктуру металла и может быть удалена последующим травлением и полированием.

Качественно подготовленный микрошлиф должен иметь плоскую поверхность без рисок от шлифовки, царапин и загрязнений. Нежелательны и «хвосты», появляющиеся в поле шлифа из-за выкрашивания хрупких составляющих.

При подготовке микрошлифов следует принимать необходимые меры для того, чтобы обеспечить наиболее полный сбор отходов, содержащих драгметаллы. Отходы шлифовальной шкурки и сукна следует собирать, периодически подвергать переработке и сдавать в установленном порядке.

2.1.3. Исследование нетравлёных шлифов Отполированный образец, прежде всего, нужно изучить под микроско-

пом в нетравленом состоянии. При этом можно определить наличие целого ряда дефектов, в том числе, пор, микротрещин, неметаллических включений и т. п. Иногда при полировке микрошлифов имеет место частичное выявление микроструктуры, которая также наблюдается под микроскопом.

При изучении неметаллических включений определяют их природу, количественное содержание и устанавливают закономерности их распределения.

Очень часто в повседневной практике исследование образцов ограничивается более узкой задачей, а именно: определением степени загрязнённости металла включениями, на основании чего судят о его качестве. Качественными признаками распознавания включений под микроскопом являются цвет, форма, размеры, способность отражения света и отношение к различным химическим реактивам.

Некоторые неметаллические включения (шлак, остатки флюса и др.) выявляются в виде тёмных пятен, при повороте микрометрического винта микроскопа слегка изменяется фокусное расстояние. При этом края микропор то сходятся, то расходятся, чего не происходит при рассмотрении других неметаллических включений.

Нетравлёные образцы рассматривают под микроскопом при двух увеличениях. Малое увеличение (50–120х) целесообразно для получения общего

11

представления об образце. Большое увеличение (500–1350х) позволяет детально изучить нетравленую поверхность. Строение и цвет неметаллических включений выявляют при большом увеличении, применяя при этом поляризационную и тёмнопольную микроскопию.

Довольно часто встречающиеся в сплавах серебра и золота включения закиси меди при микроскопическом исследовании в светлом поле имеют сероголубой цвет, а в поляризованном свете приобретают рубиновую окраску. Отмеченное свойство характерно только для закиси меди и позволяет отличить её от других включений. При микроскопическом исследовании загрязнённых закисью меди сплавов серебра и золота после их отжига в водородосодержащих средах характерным является исчезновение включений Cu2O на соответствующих участках шлифа и появление мелких трещин вследствие «водородной болезни».

Сульфидные и фосфидные включения Ag2S, Cu2S, Ag2P и Cu3P в светлом поле, как и закись меди, имеют голубоватый цвет. Отличить их от нее можно только в поляризованном свете. Иногда в сплавах на основе благородных металлов присутствуют включения силикатов (SiO2 и др.), которые при исследовании в светлом поле имеют вид круглых тёмных пятен со светлой точкой в центре. В поляризованном свете они же имеют вид ярко выраженного «оптического креста», подобного отпечатку индентора микротвердомера ПМТ-3.

По результатам анализа нетравлёных шлифов иногда можно установить степень годности металла для определённого назначения или причины отбраковки готового изделия.

2.1.4. Выявление структуры травлением Микроструктура сплавов характеризуется числом, размерами, формой,

взаимным расположением и количественным соотношением фаз и структурных составляющих. Обычно анализ микроструктуры сводится к выявлению границ между фазами или зёрнами однородного твёрдого раствора в случае однофазной структуры, а также к получению рельефа на поверхности образца и окрашиванию фаз или структурных составляющих.

Основными способами выявления микроструктуры являются химическое или электрохимическое травление.

Химическое травление. Под действием химических реагентов в чистых металлах и однофазных сплавах, прежде всего, выявляются границы между отдельными зёрнами; более длительное или более интенсивное действие реагента на отдельные зёрна приводит к выявлению блочной структуры, двойников, линий сдвига и фигур травления. В многофазных сплавах основная задача сводится к возможно более полному проявлению границ между разными по природе фазами и избирательному выявлению зёрен одной и той же фазы. Границы зёрен после травления обозначаются тонкими тёмными линиями. При увеличении продолжительности травления происходит растворение слоёв металла по зёрнам, границы зёрен становятся всё более углублёнными и широкими.

12

Травящий реактив наносят двумя способами: погружением образца в реактив или втиранием реактива ватным тампоном в поверхность микрошлифа. Поверхность образцов, долго лежавших на воздухе, перед травлением необходимо активизировать кратковременной полировкой и промыванием спиртом. Продолжительность травления зависит от состава реактива и от применяемого увеличения: чем меньше увеличение, тем дольше следует травить шлиф. Часто признаком выявление микроструктуры при травлении является слабое потускнение полированной поверхности.

После травления микрошлифов их промывают в проточной воде и сушат фильтровальной бумагой или подогретым сухим воздухом, затем образцы промывают спиртом; при этом удаляются остатки травителя, а поверхность шлифов полностью высыхает. Протравленные образцы, подлежащие длительному хранению, следует содержать в эксикаторах с силикагелем.

Справочник В.С. Коваленко 1 содержит 245 реактивов для химического травления металлографических шлифов, позволяющих выявлять разнообразные структуры многих металлов и сплавов. Приведём для иллюстрации некоторые реактивы.

№1 Наиболее употребительным реактивом для травления многих сталей и

чугунов является раствор химически чистой азотной кислоты в этиловом спирте. Продолжительность травления от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от природы и состояния металла, а также от концентрации реактива (от 0,5 до 6 %, чаще 4 %). В малоуглеродистых сталях реактив травит границы зёрен феррита, при кратковременном травлении (несколько секунд) хорошо выявляет третичный цементит, позволяя отличить его от феррита. В термически обработанных сталях выявляются структуры перлита, сорбита, троостита. Для травления закалённых углеродистых сталей рекомендуется заменить этиловый спирт на амиловый: в этом случае аустенит окрашивается в желтоватый цвет, сорбит и троостит в коричневый, мартенсит не травится.

№2 Реактив предназначен для определения структурных составляющих в за-

калённых сталях. Шлиф травят 2 секунды в растворе А (4 %-ный раствор пикриновой кислоты в этиловом спирте), затем 10 секунд в растворе Б (4 %-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте). После травления сорбит и троостит окрашиваются в коричневый цвет, мартенсит – в голубой, аустенит – в оранжевый.

Смесь растворов А и Б в соотношении 10:1 позволяет выявить структуру и глубину азотированного и цементованного слоёв, эвтектоидную структуру и иглы нитридов в азотированных сталях. Смесь этих растворов в равном соотношении применяется для выявления дислокаций в чистом железе.

13

№3 Для цветного выявления структуры борированного слоя в сталях приме-

няют реактив следующего состава: 2–5 (чаще 5) г пикриновой кислоты, 20–25 г едкого натра и 75–100 мл дистиллированной воды. Пикриновая кислота растворяется в заранее приготовленном растворе едкого натра в половинном количестве воды. Полученный раствор нагревают водяной баней и добавляют остальное количество воды до растворения всего осадка. Раствор не должен кипеть, чтобы избежать изменения его состава. Приготовленный реактив следует хранить в тёмной герметической посуде. Реактив должен сохранять щелочную реакцию, что проверяется лакмусовой бумагой.

Шлиф борированной стали травят в горячем реактиве 30–50 с, после этого борид железа FeB окрашивается в голубой цвет, а Fe2B – в жёлтый.

Этот же реактив применяется для изучения структуры чугунов и сталей. Шлиф травят погружением в нагретый до 60 раствор в течение 5–30 минут (или больше), иногда после травления чугуна в течение 20–25 мин шлиф оставляют на 5–10 мин в остывающем растворе. В результате реактив окрашивает цементит в тёмный цвет, не окрашивая феррита. При изучении термически обработанной стали троостит приобретает светло-серую окраску; отпущенный мартенсит становится темнее мартенсита закалки.

№4 Для выявления микроструктуры серебра, золота, платины и их сплавов

применяют реактивы следующих составов: 10 мл азотной кислоты и 100 мл соляной кислоты; или 10 мл азотной кислоты, 50 мл соляной кислоты и 60 мл дистиллированной воды. Реактив готовят за 24 ч до употребления. Шлиф травят погружением или, лучше, натиранием тампоном в течение 5–60 с и более.

Смесь соляной и азотной кислот представляет собой очень энергичный травитель. В различных вариантах она применяется для сплавов, на которые не действуют другие металлографические реактивы. Например, реактив, содержащий 10 мл азотной и 30 мл соляной кислоты («царская водка»), позволяет выявить границы зёрен и структуры высоколегированных и нержавеющих сталей аустенитного класса, а также сплавов на основе никеля и кобальта. Кроме того, царская водка применяется для изучения микроструктуры твёрдых растворов металлокерамических сплавов типа кобальт – карбид вольфрама (тантала, молибдена).

№5 Травление нержавеющих и жаропрочных сталей осуществляется реакти-

вом, содержащим 100 мл соляной кислоты, 20 г сульфата меди и 10 мл дистиллированной воды. Шлиф погружают в реактив на 1–2 мин с последующей промывкой водой (можно тёплой) и спиртом. Допустимо многократное травление с промежуточной полировкой, особенно для хромистых нержавеющих сталей. Кроме того, реактив можно нагреть до 50–70 С, а воду частично заменить спиртом.

14

Выявляются глубина азотированного слоя, структура поверхностного слоя и основы стали после электроискровой обработки, а также зёрна высокопрочных сталей мартенситного класса с добавлением синтола или других моющих средств (стиральных порошков). Реактив применим также для травления никелевых и кобальтовых сплавов.

№6 Для травления титана и титановых сплавов, а также циркония и его спла-

вов с бериллием, ниобием и др. применяют 1–2 %-ный водный раствор плавиковой кислоты. Травление осуществляют погружением или тампоном в течение 10–20 с, далее шлиф промывают тёплой водой. Образующийся на поверхности шлифа тёмный осадок можно удалить погружением в азотную кислоту на несколько секунд. Допустима частичная замена воды спиртом.

Похожий реактив позволяет выявлять структуру литых и деформируемых алюминиевых сплавов. При использовании 2–3 %-ного раствора плавиковой кислоты в течение 10–40 с алюминиевая основа не травится, соединения с железом и никелем окрашиваются в коричнево-жёлтый цвет, а с кремнием – в пурпурный. Более концентрированные растворы протравливают все интерметаллидные фазы.

№7 Микроструктура титана выявляется с помощью реактива, содержащего

10 мл плавиковой кислоты и 10 мл глицерина. Продолжительность травления – до нескольких минут, при этом альфа-фаза травится сильнее, чем бета-фаза.

№8 Азотированный слой сталей выявляется последовательным травлением в

двух растворах. Шлиф травят несколько секунд в растворе, содержащем 30 мл соляной кислоты и 10 мл азотной кислоты. Этот состав готовится непосредственно перед употреблением. После этого слегка полируется повторно и несколько секунд травится в растворе, содержащем 10 г хлорида железа (3+), 30 мл соляной кислоты, 10 мл азотной кислоты и 100 мл этилового спирта. Для ускорения травления во втором реактиве азотную кислоту можно заменить равным количеством 2–3 %-ного раствора плавиковой кислоты.

№9 Микроструктура некоторых цветных сплавов выявляется реактивом сле-

дующего состава: 50 мл 5–20 %-ного водного раствора персульфата аммония и 50 мл 5–20 %-ного водного раствора цианида калия. Травление осуществляется погружением или смачиванием тампоном в течение 0,5–3 мин для никеля, серебра, золота, палладия, иридия, осмия и их сплавов. Для усиления действия реактива добавляют 1–2 мл 3 %-ного раствора йодида калия в воде. Травление

15

в течение 20–40 с выявляет микроструктуру медных сплавов с золотом, серебром, палладием.

Электрохимическое травление. Это травление осуществляется при воздействии реагентов с приложением электрического тока. Схема установки для

рению участков, различающихся значениями потенциалов. Обычно структура сплавов выявляется при плотностях тока 0,001–0,2 А/см2; время травления варьируется от 5 с до 2–3 мин.

В ряде случаев этот метод наиболее эффективен по простоте применяемых средств и методики осуществления, по возможности более полного выявления деталей структуры, а также по быстроте и доступности для массового использования. Особенно удобно электрохимическое травление при выявлении структуры чистых металлов и металлических твёрдых растворов с высокой коррозионной стойкостью. В табл. 2.2 приводятся условия травления сплавов из благородных металлов.

Однако наряду с большими преимуществами процесс электрохимического травления имеет недостаток: режимы травления приходится корректировать в зависимости от условий обработки сплавов и т. п. Установленный режим необходимо строго выдерживать.

16

Таблица 2.2.

Составы реактивов и режимы электрохимического травления

2.2. Световая микроскопия

Изображение, создаваемое оптической системой, есть результат интерференции прошедших через неё световых пучков. Рассеянные на объекте исследования лучи, интерферируют, образуя дифракционные максимумы и минимумы. Направление дифракционных максимумов, характеризуемое углом , определяется соотношением между размером элемента структуры d и длиной световой волны (в вакууме):

(2.1)

dsin = (m )/n ,

где n – показатель преломления среды, m – порядок максимума. На рис. 2.2 показана схема формирования изображения в микроскопе, из которой можно получить условие разрешения элементов периодической или квазипериодической структуры с периодом d. Здесь: Fп и Fз – передний и задний фокусы объективной линзы, Fпр – фокус окулярной (или промежуточной) линзы; I-VI – элементы микроструктуры объекта. Точки 0, 1, 2 соответствуют нулевому, первому и второму дифракционным максимумам, если объект освещён параллельным пучком.

Чем меньше d, тем больше при том же порядке интерференции m. Оправой объектива ограничиваются попадающие в объектив интерференционные максимумы. Объект может быть разрешён, если в объектив попадают как минимум два интерференционных максимума. Разрешающая способность оптической системы определяется её апертурой. Угловой апертурой называется угол между крайними лучами конического светового потока, входящего в систему. На рис. 2.2 угловой апертурой является угол 2 . Элемент структуры с линейным размером d разрешается, если или

17

Минимальное значение d называют предельным разрешением, а обрат-

ную величину 1/d – разрешающей способностью.

Рис. 2.2. Схема образования изображения несамосветящегося объекта

Выражение, стоящее в знаменателе (2.2), называется числовой апертурой

– это произведение показателя преломления среды, находящейся между объектом и объективом, на синус апертурного угла, т. е. A = nsin . Эта величина является важнейшей характеристикой объектива. Максимальный отверстный угол объектива составляет 140°, соответственно не может превышать 70°. На

18

практике, для повышения разрешающей способности, применяют иммерсионные объективы. Между фронтальной линзой объектива и микрошлифом помещают иммерсионную жидкость – кедровое масло с высоким показателем преломления n = 1,51. Максимальная апертура «сухих» (при n = 1) объективов A = sin 70° = 0,94; апертура объективов с масляной иммерсией может быть до-

ведена до 1,43.

первый минимум отстоит от центра дифракционной картины на угол 1, определяемый следующим соотношением:

где D – диаметр отверстия (объектива). Тогда диаметр диска Эри dэ = 1,22 /A (рис. 2.3). В случае близкого расположения двух светящихся точек их дифракционные картины накладываются одна на другую, что приводит к сложному распределению освещённости в плоскости изображения.

Предел разрешения микроскопа определяется при сближении точек до такого расстояния, когда падение освещённости в промежутке между ними становится незаметным для глаза, и точки сливаются в одну. Для определения этого предела используется критерий Рэлея, согласно которому точки считаются разрешёнными, если расстояние между ними равно радиусу диска Эри. Другими словами, изображения двух близких точек можно видеть раздельно, если центр дифракционного пятна каждого из них пересекается с краем первого тёмного кольца другого (рис. 2.4). При выполнении критерия Рэлея освещённость между изображениями разрешаемых точек составит 74 % от освещённости в центре пятна, а угловое расстояние между центрами дифракционных пятен (максимумами освещённости) определится соотношением (2.3).

19

Расчёт, выполненный на основании средней чувствительности нормального глаза (минимально заметная разница в освещённости 4 %), дает наименьшее разрешаемое в микроскопе расстояние dmin = 0,51 /A.

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра. Увеличение объектива определяется выражением Nоб = /fоб, где – расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра (т. е. оптическая длина тубуса, обычно составляющая 250 мм), и fоб – фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра, подобно увеличению лупы, выражается формулой Nок = L/fок , где L = 250 мм – расстояние наилучшего зрения, и fок – фокусное расстояние окуляра.

Обычно объективы микроскопов имеют увеличения от 6,3 до 100, а окуляры – от 7 до 15. Поэтому общее увеличение микроскопа лежит в пределах от 44 до 1500.

Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличения микроскопа. Увеличение микроскопа, называемое полезным, определяет-

ся соотношением N = dгл/d, где dгл – минимальный размер, различимый невооружённым глазом (0,2 мм), d – предельное разрешение микроскопа, определяемое согласно (2.2). Несложный расчёт показывает, что полезное увеличение микроскопа с апертурой A находится в интервале 500 A – 1000 A. При таких увеличениях глаз различает все элементы структуры объекта, разрешаемые микроскопом. При увеличениях свыше 1000 A не выявляются никакие новые подробности изучаемой структуры, поэтому такие увеличения применяются только в микрофотографии.

Вертикальное разрешение h изображаемого объекта, называемое также глубиной фокуса есть свойство объектива, определяющее возможность резкого изображения деталей объекта в разных плоскостях. Вертикальное разрешение измеряется расстоянием между двумя предельными плоскостями, изображение которых удовлетворительно, что соответствует размеру кружка размытия порядка dгл:

где Nобщ – общее увеличение микроскопа.

Качество микроскопического изображения и, следовательно, разрешающая способность, во многом зависят от скомпенсированности присущих сферическим линзам искажений – аберраций. К наиболее существенным относятся сферическая и хроматическая аберрации, кома, астигматизм и дисторсия.

20