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.

Усовершенствование методики рентгеноструктурного анализа позволяет 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 90 и 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.

3. Объект изучения

Микрошлифы сталей углеродистых доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных, а также чугунов белых, серых, ковких и высокопрочных.

4. Программа и методика

выполнения работы

4.1. Программа лабораторной работы

4.1.1. Изучить устройство и правила пользования металломикроскопом.

4.1.2. Исследовать под микроскопом структуры сталей и чугунов.

4.1.3. Зарисовать микроструктуры образцов (размер рисунков 30 30 мм), указать на рисунке название каждой структурной составляющей (например, феррит, перлит, цементит, хлопья графита)

4.1.4. Записать марку стали или чугуна каждого образца, расшифровать ее. При этом указать: какая это сталь (низко-, средне-, или высокоуглеродистая; доэвтектоидная, эвтектоидная или заэвтектоидная), какой чугун; указать свариваемость стали, дать качественную оценку механических свойств каждого образца и примерную область применения этого сплава.

4.1.5. В выводе по работе отразить: при каком увеличении наблюдали микроструктуры образцов, какая выявлена закономерность изменения структуры каждого последующего образца стали, с увеличивающимся содержанием углерода, как это влияет на изменение механических свойств стали. Указать, какой геометрической формы наблюдались графитовые включения в чугунах и каково влияние этих включений на прочностные свойства чугунов.