Основы структурного анализа

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ОСНОВЫ МИКРОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА. ТИПИЧНЫЕ МИКРОСТРУКТУРЫ СПЛАВОВ И МИКРОСТРУКТУРЫ ОТОЖЖЕННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

Цель работы

Ознакомление с техникой приготовления шлифов для микроструктурного анализа, получение навыков работы на световом микроскопе. Получение навыков анализа типичных микроструктур сплавов двойных систем и микроструктур отожженных углеродистых сталей и чугунов.

Теоретическое введение

Основы структурного анализа

Разрешающая способность характеризуется разрешаемым расстоянием, т.е. тем минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно. Разрешаемое расстояние для невооруженного глаза составляет приблизительно 0,2 мм. Чтобы увеличить разрешающую способность, используют микроскоп.

Разрешаемое расстояние определяется соотношением:

где -длина волны света, формирующего изображение;

n - показатель преломления среды, находящейся между объектом и объективом;

α - угловая апертура, равная половине угла раскрытия входящего в объектив пучка лучей, формирующих изображение.

В большинстве исследований применяют сухие объективы, работающие в воздушной среде (n = 1). Для уменьшения разрешаемого расстояния используют иммерсионные объективы. Пространство
между объективом и объектом заполняют прозрачной жидкостью
(иммерсией) с большим показателем преломления. Обычно используют каплю кедрового масла (n = 1,51).

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений
объектива и окуляра. На металлографических микроскопах исследуют структуры металлов с увеличениями от х20 до х1200.

Рекомендуется начинать микроанализ с использования «слабого»
объектива, чтобы вначале оценить общий характер структуры на
большой площади. Затем выбирают объектив с такой разрешающей
способностью, чтобы увидеть необходимые самые мелкие детали
структуры.

Приготовление шлифов для микроструктурного
анализа

Основные требования, предъявляемые к металлографическому
шлифу: на его поверхности не должно быть царапин и ямок; шлиф
должен быть плоским (без «завалов»), чтобы можно было рассматривать его при больших увеличениях.

Шлиф, т.е. образец с плоской, отполированной механическим методом поверхностью, готовят следующим образом. Вначале обрабатывают образец «на плоскость» (заторцовка) с помощью напильника или наждачного круга. По краям шлифа следует снять фаску, чтобы при последующих операциях не порвать полировальное сукно. Затем проводят шлифовку на специальных бумагах с разной крупностью
абразива.

После шлифовки образец полируют на вращающемся круге, на
котором прикреплено сукно, фетр или шелк. Полировальный круг
все время смачивается водной суспензией - взвесью тонкого абразива в воде. Абразивами для полировки служат оксид алюминия (белого цвета) или оксид хрома (зеленого цвета). Для полировки твердых
материалов применяют пасту с алмазным порошком. Полирование
проводят до получения зеркальной поверхности. Затем шлиф промывают в воде или спирте и сушат полированную поверхность фильтровальной бумагой.

Для получения шлифов и выявления микроструктуры используют
также метод электролитического полирования, который обеспечивает более высокое качество поверхности с одновременным подтравливанием некоторых структурных составляющих.

Однако после полирования микроструктура не всегда выявляется.
В случае если структурные составляющие сильно различаются по
твердости, то одни участки шлифа сполировываются больше, чем
другие, и на поверхности образуется рельеф. В противном случае для
выявления микроструктуры шлиф подвергают травлению - кратковременному действию реактива. В образце с однофазной структурой границы между кристаллами растравливаются сильнее, чем тело кристаллов, и канавки травления проявляются под микроскопом в
виде темной сетки. Разные кристаллы одной фазы попадают в сечение шлифа различными кристаллографическими плоскостями, которые травятся по-разному. Поэтому кристаллы одной фазы могут
иметь различные оттенки. В многофазном сплаве различные фазы и
структурные составляющие травятся по-разному.

8.2.2. Типичные микроструктуры сплавов двойных
систем

Процесс формирования микроструктуры сплавов двойных систем
можно проанализировать с использованием диаграмм состояния.

На примере диаграммы состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью (рис. 8.1, а) проанализируем процесс формирования структуры двойных сплавов с помощью кривых охлаждения (рис. 8.3, б). На диаграмме эвтектического типа можно выделить 4 сплава с типичными структурами: сплав - твердый раствор (Х₁|), доэвтектический (Х₂), эвтектический (Х₃) и заэвтектический (Х₄) (см. рис. 8.1 а).

Рисунок 8.1 - Диаграмма состояния эвтектического типа (а) и кривые охлаждения слева направо: чистого компонента А, сплава Х₁, сплава Х₂ и сплава Х₃ (б).

Сплав - твердый раствор в процессе охлаждения расплава при
температуре ликвидуса (точка 1) начинает кристаллизоваться путем
зарождения и роста кристаллов первичного α-твердого раствора компонента В и А. Первичные кристаллы имеют форму дендритов или
четко очерченных кристаллов, которая определяется природой эле-
ментов и соединений. При достижении солидуса (точка 2) вся жидкость L превращается в твердый α-раствор. При этом стоит отметить,
что диаграмма состояния является равновесной, а в реальности кристаллизация происходит в неравновесных условиях. Неравновесные
условия кристаллизации приводят к дендритной ликвации (неравномерности распределения компонента В по сечению дендрита), из-за которой при приготовлении шлифов различные участки протравливаются в разной степени. Микроструктура такого сплава в литом состоянии представлена на рисунке 8.2, а.

Рисунок - 8.2. Микроструктура α-латуни (Сu - 20 % Zn) в литом (а), отожженном (б), холоднодеформированном (в) и рекристаллизационном (г) состоянии.

Для устранения дендритной ликвации к слиткам и отливкам применяют гомогенизационный отжиг, после которого структура принимает вид, представленный на рис. 8.2, б. В дальнейшем слиток из сплава Х₁ может быть подвержен обработке давлением (прокатке, прессованию и т.д.) в несколько проходов, при этом формируется волокнистая структура (рис. 8.2, в). Промежуточной операцией между проходами обработки давлением служит рекристаллизационный отжиг, который приводит к формированию равноосных зерен.

Доэвтектический (Х₂) и заэвтектический (Х₄) сплавы при кристаллизации проходят одинаковые этапы: первичная кристаллизация до температуры точки е и эвтектическая кристаллизация при постоянной температуре точки е. Эвтектика - это самостоятельная структурная составляющая, состоящая из смеси двух фаз (α + ). При охлаждении эвтектического сплава вся жидкость при достижении температуры точки е превращается в эвтектику. Такой сплав имеет одну структурную составляющюю - эвтектику, в отличие от сплавов Х₂ и Х₄, в которых дополнительно присутствуют первичные кристаллы фаз α и соответственно. Микроструктуры сплавов Х₂, Х₃, Х₄ будут представлены в п. 8.3 на примере белых чугунов.