Тема: Микроструктурный анализ металлов.

Задачи работы:

Освоить технологию приготовления микрошлифов,ознакомиться с устройством металлографического микроскопа,изучить микроструктуры шлифа до и после травления.,уяснить практическое значение данного метода и принцип выявления структур.

Теоретические сведения:

Микроанализ применяют для изучения внутреннего строения металлов и сплавов на оптическом микроскопе при увеличении от 50 до 1500 раз или электронном при увеличении до 100000 раз.Впервые в мире микроскоп для изучения строения стали был применен в 1831 году инженером Павлом Петровичем Аносовым,работавшим в то время на Златоустовском металлургическом заводе.

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,называется микрошлифом.На практике приходится изготавливать шлифы малых и больших размеров.При изготовлении микрошлифов малых размеров (проволока,стружка,листы и др.) для их надежного крепления используют специальные струбцины или заливают шлифы легкоплавким сплавом с температурой плавления 68ºС,серой или пластмассой.

Для проведения микроанализа необходимо: изготовить шлиф.,изучить под микроскопом структуру металла на полированной поверхности шлифа (до травления).,выявить структуру полированной поверхности травлением.,изучить под микроскопом структуру протравленной поверхности шлифа.

Изготовление микрошлифа включает следующие операции: отрезка образца,его торцовка,шлифование и полирование.

Отрезка образца нужных размеров проводится резцом,или ножовкой,или дисковым шлифовальным кругом при охлаждении водой или эмульсией,чтобы не было нагрева образца свыше 150ºС и его структурных изменений.

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 ).Для предварительного чернового шлифования берут бумагу номеров 12-6.Заканчивают шлифование бумагой номерами 5-3 с мелкими абразивными зернами.Шлифование проводится вручную или на специальном шлифовальном станке.Вручную образец шлифуют так.Наждачную бумагу кладут на толстое стекло,затем образец прижимают к бумаге и,удерживая его тремя пальцами,перемещают по ней в одном направлении,но обязательно перпендикулярно рискам от предыдущей обработки.Этого правила необходимо придерживаться и при переходе с одного номера шлифовальной бумаги на другой для удобства наблюдения за выведением рисок и ускорения процесса шлифования.

Полирование проводится на тонкошерстном сукне,смоченном взвесью окиси алюминия или окиси хрома в воде.Частицы окиси металлов весьма тверды,поэтому они во время полирования действуют на металл как абразивное вещество,т.е.производят резание.Так как эти частицы весьма дисперсны,они способны снимать мельчайшие неровности,делая поверхность шлифа зеркального вида,без рисок даже при рассмотрении под микроскопом.Готовый полированный шлиф последовательно тщательно промывают водой,спиртом и сушат,прикладывая (промакая) фильтровальную бумагу.

Рис.4.Неметаллические включения в стали и в чугуне:

а)оксиды.,б)сульфиды.,в)графит

Изучение полированной поверхности шлифа под микроскопом преследует цель определения качества его изготовления (отсутствие следов обработки ) и установления характера расположения и размеров микроскопических трещин,неметаллических включений- графита,сульфидов,оксидов и др. в металлической основе (имеет светлый вид при рассмотрении под микроскопом ).

Неметаллические включения в стали и в чугуне:

а)оксиды.,б)сульфиды.,в)графит.

Выявление структуры металлической основы шлифа после полирования осуществляется травлением его реактивом.Для стали и чугуна чаще всего применяют 2-5%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте.Полированную поверхность шлифа погружают в реактив на 3-15 с или протирают ватой,смоченной в реактиве,до появления ровного матового оттенка без наличия каких-либо пятен.Затем шлиф промывают в спирте или воде и просушивают фильтровальной бумагой.

Известно,что любой металл или сплав является поликристаллическим телом,т.е. состоит из большого числа различно ориентированных кристаллитов или зерен.На границах зерен (даже чистейших металлов) обычно располагаются различные примеси.Эти примеси и структурные составляющие неоднородного строения (механические примеси ) под действием реактива образуют микроскопические гальванические пары,что способствует более быстрому их растворению.Однофазные структуры (чистые металлы,твердые растворы,химические соединения ) травятся медленнее.В результате неодинаковой степени протравливания структурных составляющих на поверхности шлифа создается микрорельеф

Рис.5.Схемы, поясняющие видимость под микроскопом.

Изучение протравленной поверхности шлифа под оптическим микроскопом позволяет увидеть микрорельеф поверхности,представляющий собой сочетание света и тени.Это объясняется неодинаковой степенью протравливания структурных составляющих,которые по разному отражают свет.Структура,растворившаяся на большую глубину,под микроскопом имеет темный цвет,так как дает больше рассеивающих лучей.,структура же,растворившаяся меньше,имеет светлый цвет (рис.7,а).Границы зерен будут видны в виде тонкой темной сетки (рис.7,б).Часто зерна одного и того же строения под микроскопом могут иметь различные оттенки.Это объясняется тем,что в плоскости шлифа находятся сечения различных зерен и их границы.Каждое зерно в плоскости шлифа имеет свое сечение кристаллической решетки с различным количеством в нем атомов,а следовательно и свойства зерен отличаются друг от друга способностью протравливаться,прочностью и др.Такое явление называется анизотропией.

Строение металла,наблюдаемое в металлографическом микроскопе,называется микроструктурой,которая представляет собой изображение весьма малого участка поверхности,составленное из отраженных от него световых лучей.

Увеличение микроскопа определяется произведением увеличения окуляра на увеличение объектива.Объектив дает обратное увеличенное действительное изображение.Окуляр ,как обычная лупа,укрупняет изображение,полученное объективом.

В результате изучения микроструктуры можно установить: количество структурных составляющих сплава и характер их расположения.,величину зерен (путем их сопоставления со специально установленной шкалой или непосредственным измерением,зная величину увеличения ).,вид термической обработки и правильность выбора ее режима (температуры нагрева,скорости охлаждения).,приближенное содержание некоторых элементов (углерода ) в отожженных сталях.

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

Порядок выполнения работы:

1.Механически обработать образец для приготовления микрошлифа (шлифование,полирование).

2.Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом.

3.Зарисовать схему увиденной микроструктуры,указав строение сплава (неметаллические включения,металлическую основу).Пользуясь шкалой балов,определить балл оксидов и сульфидов.

4.Протравить шлиф реактивом.

5.Изучить микроструктуру шлифа под микроскопом после травления.

6.Зарисовать схему увиденной микроструктуры после травления,указав строение сплава (границы зерен,зерна однородного и неоднородного строения,размер зерна).Пользуясь шкалой величины зерна ,определить их размер.

7.Определить общее увеличение микроскопа.

Содержание отчета:

В отчет необходимо включить технологию приготовления микрошлифов,реактив,применяемый для травления стали и чугуна,оптическую схему металлографического микроскопа и ее краткое описание,схемы микроструктур и их описание.В выводах указать особенности строения исследуемого металла,выявленные микроанализом до травления и после травления,наличие неметаллических включений,дефектов,размер,форму зерен и их влияние на красноломкость,прочность.

Рис.6.Оптическая схема микроскопа МИМ-7:

1-осветитель.,2-коллектор.,3-зеркало.,4-линза.,5-аппартурная диафрагма.,6-линза.,7-призма.,8-линза.,9-отражательная пластинка.,10-объектив.,11-объект.,12-ахроматическая линза.,13-окуляр.,14-зеркало.,15-фотоокуляр.,16-зеркало.,17-фотопластинка.,18-полевая диафрагма.,19-затвор.,20-линза для работы в темном поле.,21-кольцевое зеркало.,22-параболическое зеркало.,23-заслонка.,24-поляризатор.,25-анализатор.

Контрольные вопросы:

1.Для чего применяют микроанализ?

2.Какие операции включает в себя приготовление микрошлифа?

3.Что можно установить в результате изучения микроструктуры?

4.Какие неметаллические включения встречаются в стали и в чугуне?