Определение размера зерна

сплавы, имеющие мелкие зерна обладают более высокими механическими свойствами: прочностью, пластичностью и вязкостью. Поэтому размер зерна зависит от состава и технологического процесса изготовления сплава (условий выплавки, разливки, обработки давлением, термической обработки) и могут быть не одинаковыми в различных плавках одного и того же состава, то во многих случаях необходимо экспериментальное определение их размеров.

Величина действительного зерна, т.е. зерна, которое имеет сплав в условиях эксплуатации и которое образуется при принятой обработке, определяется на микрошлифах путем травления. Для выявления структуры углеродистых, легированных сталей и чугунов наиболее часто используют реактивы:

1. Спиртовой раствор азотной кислоты (реактив Ржешотарского) - азотная кислота (плотность 1,4) 1-5 мл, этиловый спирт 100 мл.

2. Спиртовой раствор пикриновой кислоты (реактив Ижевского) - пикриновая кислота (кристаллическая) 4 г, этиловый спирт 100 мл.

Зерна попадают в плоскость шлифа произвольными сечениями. Поэтому даже если бы зерна имели в пространстве идеально одинаковую форму и размеры, их сечения плоскостью шлифа все равно были бы не одинаковыми.

Основными параметрами размера зерен металла, однофазного сплава, а также любой фазы является среднее число зерен в единице площади шлифа (N_cp) средняя площадь сечения зерна в плоскости шлифа (F_cp) и средний линейный размер зерна (Д_ср).

Для приближенной оценки размера зерна применяют сравнение исследуемой структуры с эталонными структурами при 100 - кратном увеличении. При этом размер зерен характеризуется условным порядковым номером (баллом) эталонной структуры, соответствующей определенной F_cp (или N_ср).

Большой точностью отличается широко известный метод Джеффриса. На матовом стекле микроскопа или на микрофотографии подсчитывают число зерен внутри квадрата или круга с известной площадью. Для этого удобно использовать картонный шаблон с квадратным отверстием.

Приведенное число зерен внутри квадрата

N=N₁+0,5N₂+1,

где N₁ - число зерен, целиком располагающихся внутри квадрата, N₂ - число зерен, пересеченных сторонами квадрата.

Коэффициент 0,5 учитывает, что сторона квадрата, пересекает ряд зерен, оставляет по обе стороны от себя статистически одинаковые суммарные площади зерен, т.е. каждое пересеченное зерно принадлежит квадрату своей 0,5 частью. Зерно, попавшее в вершину квадрата, принадлежит ему на ¹/₄ часть, а так как таких вершинных зерен четыре, то их вклад в величину N составит 1.

Увеличение микроскопа или размер квадрата выбирают так, чтобы N=10-20, чтобы не сбиваться со счета. Общее число зерен, подсчитанное в разных участках шлифа должно быть не менее 150 -200. При подсчете следует учитывать все зерна, в том числе и самые малые, т. к. они в действительности могут оказаться случайными сечениями крупных зерен. Зная площадь квадрата на матовом стекле (Q мм²), легко подсчитать действительную площадь на шлифе – Q/M², где М – линейное увеличение микроскопа на матовом стекле.

Среднее число зерен в единице площади шлифа, получаем делением приведенного числа зерен в квадрате (N)на его действительную площадь (Q/M²)

N_ср=N· M²/Q (1/мм²)

Средняя площадь зерна

F_cр=Q·10⁶/N·M² (мкм²)

Величина F_ср всегда меньше максимальной площади сечения зерна в объеме шлифа.

Линейный размер зерна часто характеризуют величиной, называемой средним диаметром (Д_ср). Но следует отметить, что зерна не сферичны. Как правило, они имеют форму многогранников. При выборе характерного линейного размера таких тел имеется неопределенность. Линейным размером многогранника является длина его ребра, расстояние между противоположными гранями др. Для характеристики среднего линейного размера зерна в объеме можно использовать диаметр сферы, вписанный в многогранник, и его условно называть диаметром зерна. Приближенно величину Д_ср рассчитывают, исходя из измеренного по способу Джеффриса числа зерен в единице площади шлифа.

(мкм)

Средний линейный размер зерна однофазного сплава матричной фазы в многофазном сплаве, а также средний линейный размер частиц фаз и участков структурных составляющих любой формы часто определяют прямо в плоскости шлифа методом произвольных секущих, измеряя отрезки секущих, приходящиеся на изучаемые микрообъекты (всего измеряют 100-300 таких отрезков).

3.3. Определение объемного отношения структурных составляющих

Объемное отношение структурных составляющих или объемную долю одной из структурных составляющих можно определить объемным методом Розиваля, используя при этом принцип Кавальери - Акера, в соответствии с которыми, доля объема сплава, занятая данной структурной составляющей, равна доле площади, занятой этой составляющей в случайном сечении, или равна приходящейся на эту составляющую доле длины случайной секущей. Если провести прямую на шлифе, подсчитать суммарную длину отрезков, приходящихся на определяемую составляющую (Sl), и отнести эту, суммарную длину отрезков к общей длине секущей (L), то получим объемную долю структурной составляющей в сплаве

Секущие следует располагать равномерно по площади шлифа. Они могут располагаться параллельно друг другу. Секущие можно "нанести" на матовое стекло микроскопа, используя при этом масштабную линейку окуляр - микрометра.

Линейка окуляр - микрометра разделена на 100 равных частей. При рассмотрении структуры через окуляр - микрометр подсчитывают число целых делений его шкалы укладывающихся на участки определяемой структурной составляющей. Это число характеризует в процентах искомую долю объема сплава, приходящуюся на данную структурную составляющую. Приотношении Sl/L абсолютный масштаб измерения и увеличение микроскопа в расчет не принимается.

Точность определения объемной доли структурной составляющей в сплаве тем больше, чем больше число измеренных отрезков, приходящихся на определяемую структурную составляющую. Увеличивать число этих отрезков следует путем большего числа полей структуры микрошлифа. Уменьшение увеличения микроскопа не следует производить, т. к. при этом видимые участки измеряемой структурной составляющей становятся меньше и точность измерения длины каждого из них снижается. Длины отрезков линейки окуляр - микрометра, приходящиеся на отдельные участки измеряемой структурной составляющей могут быть не равны числу целых делений. Подсчитывается только число целых делений шкалы. Следовательно, погрешность измерения будет тем больше, чем короче измеряемые участки. Поэтому следует выбирать такое увеличение микроскопа, при котором длина каждого участка измеряемой структурной составляющей составляла бы не меньше 5-10 делений шкалы окуляр - микрометра.