Мікроскопічне дослідження структури металів

Мета роботи:

1. Засвоїти методику мікроскопічного аналізу.

2. Отримати навички виготовлення зразків для мікроскопічного аналізу.

3. Проаналізувати структуру сталей і чавунів.

Загальні відомості

Дослідження структури металів має велике практичне значення, оскільки воно встановлює якість металу як конструкційної речовини. За допомогою мікроаналізу виявлятимемо розмір зерен, однорідність структури, наявність текстури (слідів пластичного деформування), якість термообробки і т.п.

Аналіз проводимо за допомогою мікроскопа у відбитому світлі (рис. 3). Метод світлого поля у відбитому світлі використовується для спостереження непрозорих об’єктів, наприклад, шліфів металів 4. Освітлення об’єкта здійснюється від освітлювача 1 й напівпрозорого дзеркала 2 зверху крізь об’єктив 3, який виконує одночасно роль конденсора. Зображення створюється у площині 6 об’єктивом, разом з тубусною лінзою 5, структура металу видна через розходження у відбивній здатності її елементів; на світлому полі виділяються неоднорідності, які розсіюють падаюче на них світло.

Яскравість відбитого світла залежить від стану поверхні, на яку падає світло, наприклад, на подряпині світло розсіюється, тому воно виглядає як темна смуга.

Мікроаналіз здійснюємо на зразках металу, поверхня якого спеціально приготовлена для розглядання у мікроскоп. Зразок металу, призначений до аналізу, має назву мікрошліфу. Для виготовлення мікрошліфу поверхню металу спочатку обробляють механічно (шліфуванням і поліруванням), а потім хімічно за допомогою хімічного реактиву. Це дозволяє, по-перше, диференціювати зерна за рахунок розчинення металу по межах зерен і, по-друге, відрізняти одну частину структури від другої за рахунок різного ступеня розчинення складових металу.

Шліфування та полірування здійснюється таким чином, щоб на поверхні не залишалося подряпин, шорсткості, для чого при обробці зразок повертають.

Для травлення поверхні використовують різні хімічні реактиви; для сталей і чавунів це розчин азотної кислоти в етиловому спирті, для мідних, алюмінієвих та інших сплавів існують спеціальні реактиви.

Порядок виконання роботи

Приготувати мікрошліф. Для цього зразок металу слід відполірувати на верстаті в такому порядку. На поверхню полірувального круга нанести шар пасти гойі. Ця паста складається з дрібних твердих часток оксиду хрому (зеленого кольору) зі зв’язуванням (парафін). На верстаті зробити полірування. На першому крузі здійснюється полірування, на другому – усунення слідів пасти.

Покласти зразок у розчин хімічних речовин згідно з природою металу. Для сталевих зразків використати 5 % - ний розчин азотної кислоти в етиловому спирті. Час протравлення триває від 10 до 20 сек. залежно від свіжості розчину та від стану зразка, тому слід періодично оглядати поверхню, її колір повинен бути слабкосірим.

Після полірування шліф промити водою і висушити фільтрувальним папером. Готовий шліф досліджувати в мікроскопі МІМ-7. За допомогою мікрогвинтів слід переміщувати шліф таким чином, щоб переглянути всю поверхню шліфу.

Зарисувати характерну структуру в журналі і позначити складові структури (перліт, ферит, цементит і т.д.), зробити підписи.

Запитання для самоконтролю

1. Як готується мікрошліф?

2. Для чого полірують поверхню зразка металу?

3. Чому потрібне хімічне протравлювання?

4. Дайте пояснення роботи мікроскопу.

5. Що таке структурна складова?

Лабораторна робота №4

Дослідження структур сталі (діаграма Fe – C)

Мета роботи:

1. Дослідити структуру сталі при зміні температури.

2. Набути вміння проводити аналіз структур сталі.

Загальні відомості

Сталі – це сплави заліза з вуглецем, в яких вміст вуглецю не перевищує 2%. Треба мати на увазі, що в будь-яких сталях, крім заліза і вуглецю, обов’язково містяться інші хімічні елементи у вигляді домішок: неминучих (Mn, Si), шкідливих (S, P) і випадкових (Cu, As), але при дослідженні структур сталі будемо вважати, що цих домішок немає.

Структури сталей подані на рис. 5.

На лінії ліквідуса (АСD) починається кристалізація сплавів (сталей і чавунів), на лінії солідуса ((AECF) кристалізація закінчується. Між цими лініями спостерігаються дві фази - рідка (розплав) і тверда (кристали аустеніту (до крапки С) і цементиту (після крапки С).

В області, обмеженій лініями AESGA, всі сталі мають структуру аустеніту, тобто твердий розчин вуглецю в γ-Fe (гранецентрована решітка). Завдяки поліморфному перетворенню заліза на лінії GS починається утворення фериту – твердого розчину вуглецю в α-Fe (об’ємно центровану решітку). Це область діаграми GSPG. На лінії GP весь аустеніт перетворюється на ферит. Оскільки з пониженням температури менше 727 ⁰С розчинність вуглецю зменшується, то на лінії PQ з решітки заліза починає виходити „залишковий” вуглець з одночасним утворенням цементиту. Таким чином, в області GPQG існує ферит, а нижче лінії PQ – структура складається з фериту й цементиту.

В

Рис. 5 - Діаграма стану „Залізо – вуглець” (Fe – C)

Коли в сталях вміст вуглецю перевищує 0,02 % (праворуч точки Р), в аустеніті залишається 0,8 % вуглецю при температурі 727 ⁰С. Саме при такій концентрації аустеніт починає перетворюватися на перліт. Перліт являє собою суміш кристалів фериту і цементиту (рис. 6). Лінія PSK (T = 727 ⁰С) – називається лінією перлітного перетворення, тому що нижче цієї температури аустеніт розпадається на перліт.

Сталі з концентрацією вуглецю 0,8 % відносяться до евтектоїдних, з меншою концентрацією – девтектоїдних, з більшою – заевтектоїдних.

У заевтектоїдних сталях при охолодженні нижче лінії ЕS розчинність вуглецю в аустеніті зменшується, тому він починає виходити з решітки заліза і утворює цементит вторинний (первинний утворюється в чавунах, третинний – у сталях ліворуч точки Р).

Після досягнення температури 727⁰С (лінія PSK) концентрація вуглецю сягає 0,8 % і аустеніт перетворюється на перліт і при нормальній температурі структура сталі складається з перліту та цементиту. Вторинний цементит утворюється на межах кристалів аустеніту, тому на шліфі він виглядає як сітка (рис. 7).

Порядок виконання роботи

Для дослідження структури сталей беруть певну кількість зразків, а саме доевтектоїдні, евтектоїдні та заевтектоїдні сталі.

Зразки треба відполірувати на верстаті, промити у воді, висушити за допомогою фільтрувального паперу, після чого помістити в хімічний розчин на 10 – 15 сек. Склад хімічного розчину такий: етиловий спирт й азотна кислота у співвідношенні 95:5. Після протравлення мікрошліф промити й висушити.

За допомогою мікроскопу МІМ-7 зробити спостереження структур сталей. Вигляд баченої структури занести в журнал і зробити її описання.

Визначення вмісту вуглецю

Мікроаналіз дозволяє визначити приблизно кількість вуглецю у сталі. Відомо, що в евтектоїдної сталі (у перліті) вуглецю міститься 0,8 %, тому коли відома кількість перліту в зразку, можна скласти пропорцію:

100 % перліту – 0,8 % С,

А % перліту – х % С,

де А – площа, яка зайнята перлітом.

Кількість перліту визначають на око. Наприклад, у полі зору бачимо, що площа, яку займає перліт, дорівнює приблизно 40 %. Тоді пропорція буде такою:

100 % перліту – 0,8 % С;

40 % перліту – х % С;

,

тобто сталь містить 0,32 % вуглецю.

На підставі отриманих результатів визначити марку сталі.

Запитання для самоконтролю

1. Що таке сталь?

2. Як класифікуються сталі?

3. Методика визначення вмісту вуглецю.

Лабораторна робота №5

Дослідження структури чавунів (діаграма Fe-C)

Мета роботи:

1. Ознайомитись зі структурними перетвореннями в чавунах.

2. Провести дослідження структур чавунів.

Загальні відомості:

Чавуни – це сплави заліза з вуглецем, які містять вуглецю більше 2,14 %.

Згідно з діаграмою Fe – C чавуни поділяються на доевтектичні (вміст вуглецю менше 4,3 %), евтектичні (С ≈ 4,3 %) і заевтектичні (С > 4.3 %). При охолодженні розплаву в доевтектичних чавунах (нижче лінії АС) спочатку кристалізується аустеніт, в заевтектичних (нижче лінії СD) – цементит первинний. На лінії ECF при постійній температурі 1147 ⁰С з рідкої фази утворюються кристали ледебуриту. Ледебурит - це суміш дрібних кристалів аустеніту і цементиту з концентрацією вуглецю 4,3 %. У точці С утворюється тільки ледебурит.

Таким чином, в доевтектичних чавунах структура складається з кристалів аустеніту в оточенні кристалів ледебуриту, в заевтектичних – кристалів цементиту в оточенні кристалів ледебуриту.

При подальшому охолодженні на лінії PSK (температура ≈ 727 ⁰С) при постійній температурі аустеніт перетворюється на перліт і при нормальній температурі в доевтектичних чавунах структура складається з кристалів перліту в оточенні кристалів ледебуриту, в заевтектичних – кристалів цементиту в оточенні кристалів ледебуриту.

На рис. 8 наведено криві охолодження: а) для доевтектичніх чавунів; б) для евтектичного чавуна; в) для заевтектичного чавуна.

Залежно від технології виготовлення розподіляють білі, сірі, ковкі й високоміцні чавуни. У білих чавунах вуглець знаходиться у складі хімічної речовини Fe₃C – цементиту. Цементит - дуже тверда структурна складова, але й дуже крихка. Ці чавуни не мають самостійного використання. Утворюються вони при швидкому охолодженні розплаву.

а б в

Рис. 8 - Криві охолодження чавунів: а) доевтектичного; б) евтектичного; в) заевтектичного

Сірі чавуни мають вуглець у вільному стані у вигляді графіту. Графіт являє собою утворення складної форми (пелюстки квітів), тому на поверхні вони виглядають як тріщини (рис.9, а). Сірий чавун утворюється внаслідок повільного охолодження розплаву. Маркування сірих чавунів складається з літер СЧ і числа, яке показує межу міцності при розтягуванні , наприклад СЧ 15.

а б в

Рис. 9 - Схеми структур чавунів: а) сірого; б) ковкого; в) високоміцного

Ковкі чавуни також містять вуглець у вільному вигляді, але включення графіту мають пластинчасту форму (рис.2, б). Для отримання ковких чавунів сірий чавун нагрівають до температури близько 1000 ⁰С, після чого повільно охолоджують. Маркування цих чавунів складається з літер КЧ і двох груп цифр, перша з яких показує межу міцності при розтягуванні, друга – пластичність: КЧ 30 – 6.

Високоміцні чавуни отримують шляхом легування розплаву натрієм. Включення графіту мають форму кульок (рис.2, в), що порівняно з сірим та ковким чавунами надає більшу міцність, оскільки відсутні концентратори напружень. Маркування цих чавунів також складається з двох літер ВЧ і позначенням межі міцності: ВЧ 80.

Чавуни мають низьку температуру плавлення (≈ 1147 ⁰С), малу усадку і поглинання газів, тому їх використовують для відливок (станини верстатів, корпусів приладів і т.п.).

Порядок виконання роботи

Для дослідження структури чавунів беруть зразки деталей, які виготовлені з різних марок чавунів. Треба зробити мікрошліфи за методикою, описаною в роботі № 2. Особливу увагу приділити ретельній підготовці поверхні шліфів, а саме, відсутності подряпин, забруднюючих часток і т.п.

Після підготовки шліфів розглянути структуру в мікроскоп. Зарисувати структуру в журналі, позначити марку чавуну. Таким чином переглянути всі зразки.

До кожної структури дати пояснення причини утворення даної структури та очікувані властивості.

Побудувати криву охолодження для даної марки чавуну з вказівкою структур, які утворюються в чавуні при його охолодженні від розплаву до нормальної температури.

Запитання для самоконтролю

1. Що називається чавуном?

2. Яке призначення графітизації?

3. Які види чавунів існують?

4. В якому стані може знаходитися вуглець в чавунах?

5. Що таке ледебурит, цементит?

6. Як маркуються чавуни?

7. Побудувати криву охолодження для чавуна з довільним вмістом вуглецю.

Лабораторна робота №6