Микроструктурный анализ металлов и сплавов

1. Цель работы: освоить технологию приготовления микрошлифов, ознакомиться с устройством металлографического микроскопа, изучить микроструктуры шлифа до и после травления; уяснить принцип выявления структур и практическое зна­чение данного метода.

Теоретические сведения.

Микроанализ применяется для изучения внутреннего строения металлов и сплавов на оптическом микроскопе при увеличении от 50 до 1500 раз или на элек­тронном микроскопе при увеличении порядка 5000...20000 раз. Он впервые приме­нен в 1831 г. русским металлургом П, П. Аносовым. Структура металлов, наблю­даемая в микроскопе, называется микроструктурой. Она представляет собой изо­бражение весьма малого участка поверхности, составленное из отраженных от него световых лучей. Микроструктура - это совокупность элементов, образующих струк­туру рассматриваемого участка.

Для проведения микроисследования от изучаемой детали или заготовки отре­зают образец, который специально обрабатывают для придания одной из его по­верхностей прямолинейности и зеркального блеска. Образец, подготовленный к микроанализу, называют микрошлифом.

Для проведения микроанализа необходимо:

- изготовить шлиф;

- изучить под микроскопом структуру на полированной поверхности шлифа (до травления);

- протравить полированную поверхность;

- изучить под микроскопом структуру протравленной поверхности шлифа.

Изготовление микрошлифа включает следующие операции:

- отрезку образца, его торцовку;

- шлифование;

- полирование.

Отрезка образца нужных размеров проводится резцом или ножовкой (при твердости металла НВ<300) или дисковым шлифовальным кругом (при твердости металла НВ>300) с охлаждением водой или эмульсией, чтобы образец не нагревался свыше 150оС и его структура не изменялась.

Торцовка шлифа осуществляется с целью придания прямолинейности одной из его поверхностей и проводится опиловкой напильником или шлифовальным кругом. Шлифование необходимо для удаления рисок, оставшихся от торцовки. Это достигает­ся обработкой поверхности шлифа шлифовальной бумагой различной зернистости (разных номеров). Шлифовальная бумага имеет следующую нумерацию: 12,10,8,6,5,4,3 (номер обозначает примерную величину зерна в сотых долях миллиметра). Для пред­варительного чернового шлифования берут бумагу первых четырех номеров. Заканчи­вают шлифование бумагой номерами 5..3 с мелкими абразивными зернами. Шлифова­ние проводят вручную или на специальном шлифовальном станке. Полирование проводят на быстровращающемся диске с сукном, которое смачивает­ся водой с взвешенными в ней частицами какого - либо абразива (окись хрома или алюминия). Частицы окиси металла весьма тверды, поэтому во время полирования они производят резание металла образца. Так как эти частицы дисперсны, они спо­собны снимать мельчайшие неровности, делая поверхность шлифа зеркального ви­да, без рисок даже при рассмотрении под микроскопом. Готовый полированный шлиф последовательно промывают водой, спиртом и сушат, прикладывая (промо­кая) фильтровальную бумагу.

Изучение полированной поверхности шлифа под микроскопом преследует цель определить качества его изготовления и установить характер расположения и размеров микроскопических трещин, неметаллических включений - графита, суль­фидов, оксидов (рис. 2.1.) в металлической основе (имеет светлый вид при рассмот­рении под микроскопом).

Выявление структуры металлической основы шлифа после полирования осуществляется травлением его реактивом (травление осуществляется растворами серной или азотной кислоты).

Любой металл состоит из большого числа различно ориентированных кри­сталлитов или зерен. На границах зерен (даже чистейших металлов) обычно распо­лагаются различные примеси.

Рнс.2.1. Неметаллические включения в стали и чугуне:

а) оксиды в стали видны в форме точек;

б) сульфиды в стали видны в форме слегка вытянутых очень коротких линий;

в) графитовые включения в сером чугуне.

При воздействии раствором кислоты происходит быстрое растворение этих примесей и более медленное растворение чистых металлов, твердых растворов и т.д. В результате неодинаковой степени травимости структурных составляющих на по­верхности шлифа создается микрорельеф.

Изучение протравленной поверхности шлифа под микроскопом позволяет увидеть микроструктуру металлической основы. Она обычно состоит из светлых и темных участков. Это объясняется неодинаковой степенью отражения света от структурных составляющих. Структура, растворившаяся на большую глубину, под микроскопом имеет темный цвет (рис. 2.2, а), структура растворившаяся меньше имеет светлый цвет (рис. 2.2, а).

Границы зерен будут видны в виде тонкой темной сетки (рис. 2.2, б). Часто зерна металла одного и того же фазового состава под микроскопом могут иметь раз­личные оттенки, Это объяснятся тем, что каждое зерно в плоскости шлифа имеет свое сечение кристаллической решетки с различным количеством в нем атомов, а следовательно, и свойства зерен отличаются одно от другого способностью про­травливаться, прочностью и др. Такое явление называется анизотропией.

Между структурой и свойствами металлов и сплавов существует прямая зави­симость. Поэтому в практике, металловедения микроанализ является одним из ос­новных методов, позволяющих изучить строение металлов и сплавов, получить све­дения об их свойствах.

Рис. 2.2. Схемы, поясняющие видимость под микроскопом:

а - зерна во впадинах - темного цвета, выступающие - светлого; 6 - границы зерен металлов и твердых растворов.