2. 5. Металлографические исследования

Как указывалось выше, механические свойства металлов и сплавов в большей мере зависят от их внутреннего строения – их структуры

Внутреннее строение металлов и сплавов изучают путем рентгеноструктурного или микроскопического анализа с применением оптического или электронного микроскопов.

Существует много разнообразных способов, при помощи которых изучают кристаллическое строение металлов. Они могут быть разделены на два вида: к первому относятся методы для изучения внутреннего строения кристаллов, ко второму – методы изучения внешних форм кристаллов, их совокупности.

Внутреннее строение кристаллов, т.е. расположение атомов в кристаллической решетке, изучают посредством рентгеноструктурного анализа, использующего рентгеновские лучи.

Усовершенствованные методики рентгеноструктурного анализа позволяют в настоящее время определить изменения в расположении атомов в зависимости от температуры, давления, состава, напряжений и т.д.

Металлографическим методом, называемым микроанализом, определяют размеры, форму и взаимное расположение кристаллов. Он осуществляется с помощью оптического микроскопа при увеличении от 50 до 2500 раз или электронного, увеличивающего в 5000-20000 раз.

Микроскоп для изучения внутреннего строения стали (микроструктуры) был впервые в мире применен в 1831 г. инженером П.П.Аносовым.

Так как все металлы – вещества непрозрачные для видимого света, то форму кристаллов, а также их размер и взаимное расположение изучают при увеличении в отраженных лучах света от поверхности микрошлифов, размеры которых ограничены примерно до 1 см.

Образец для микроанализа вырезают из того места детали или заготовки, которое является наиболее важным в эксплуатационных условиях. Образцы из мягких материалов вырезают пилой, фрезой или резцом (при этом следует избегать значительных давлений), образцы из твердых металлов вырезают – карборундовыми кругами.

Обработка микрошлифа состоит из следующих операций:

- Обработка плоскости личным напильником или абразивным кругом;

- Шлифование поверхности наждачными шкурками с уменьшающимися размерами зерен. Шкурка кладется на плоское стекло или полированную доску. При переходе от одного номера шкурки к другому, шлиф поворачивают на 90и шлифуют до полного удаления рисок предыдущей обработки. Иногда шлифуют образцы на вращающемся круге. Цветные металлы обрабатывают особыми способами, например, алюминий – шкуркой, натертой парафином; титан – на кожаном круге с наждачным порошком;

- Полирование образца до зеркального блеска выполняют на быстровращающихся дисках с замшей, фетром или сукном с применением пасты ГОИ;

- Готовый образец промывают водой, спиртом и сушат, используя фильтровальную бумагу.

- Травление микрошлифов слабыми спиртовыми или водными растворами кислот создает рельеф. При травлении растворы, в первую очередь, воздействуют на границы зерен, разрушая их, так как металл на границе зерен имеет более низкий электродный потенциал по сравнению с телом зерна, вследствие искаженного кристаллического строения и наличия примесей. Под действием электропроводного травителя образуются микроскопические гальванические пары, в которых разрушается металл (электрод) с более низким потенциалом. Механические смеси таких структур, как эвтектика, эвтектоид, разрушаются быстрее однофазных структур (чистых металлов), поскольку сложные структуры образуют большее количество гальванических пар.

В протравленном шлифе, разрушенные границы зерен и указанные механические смеси превращаются в углубления, и образуется микрорельеф. Свет, попадая в углубления микрорельефа, будет рассеиваться, и поэтому при наблюдении углубления будут казаться темными, а тело зерна – светлым.

Каким бы методом не исследовали структуру металла, следует помнить, что изучается разрез (шлиф) реального кристалла некоторого объема. Сетка, выявленная в плоскости, в действительности представляет собой сечение поверхностей разрезанных кристаллов.

Метод микроскопического анализа с применением оптического или, даже, электронного микроскопа дает много информации о строении кристаллов металла или сплава, но не позволяет установить, равномерно ли распределены атомы веществ, входящих в состав сплава.

Для исследования микроструктур применяются металлографические микроскопы, которые в отличие от биологических микроскопов, позволяют рассматривать непрозрачные тела при увеличении в отраженном свете. Металлографические микроскопы используются для изучения также горных пород, древесины, пластмасс и других непрозрачных тел. Современные оптические микроскопы позволяют получить увеличение до 2000 раз. Микроскоп имеет оптическую, осветительную и механическую систему для перемещения предметного столика с микрошлифом.

Оптическая система состоит из объектива, окуляра, набора линз, призм и светофильтров. Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра, что указывается на их металлических оправках. Увеличение окуляров: 7; 10; 15. Увеличение объективов: 9; 21; 40; 95. Возможны различные сочетания объективов с окулярами. В отличие от обычных окуляров, используются окуляры-микрометры, имеющие между линзами стеклянную пластинку со шкалой, цена деления которой 0,1 мм. С помощью такого окуляра можно определить размеры зерен, протяженность интересующих участков.

Осветительная система состоит из источника света, серии линз, светофильтров, диафрагмы. Источник света – лампа. Диафрагма ограничивает сечение светового пучка, а светофильтры отбирают лучи определенных цветов, наиболее легко воспринимаемых глазом наблюдателя. Отраженные от микрошлифа лучи передают созданное изображение через объектив на призму, направляющую лучи в окуляр к глазу наблюдателя.

Механическая система служит для перемещения предметного столика с микрошлифом относительно объектива в двух взаимно-перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости. С целью фокусировки предметный столик перемещают в вертикальном направлении.

В лабораторной работе используются металлографические микроскопы МИМ-5 и МИМ-7, набор микрошлифов сталей и чугунов, а также фотографии микрошлифов при увеличении в 300^х и 1000^х, выполненные на этих микроскопах.