Микроанализ металлов и сплавов

Микроанализ металлов и сплавов

Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры металлов с помощью микроскопа. Наблюдаемая в микроскоп структура называется микроструктурой. При помощи микроанализа изучают фазовый состав и структурные составляющие металла или сплава; размер, форму и ориентировку зерен; наличие дефектов, снижающих качество металла (включения, микротрещины и др.).

Результатом микроанализа является заключение о характере обработки материала, о соответствии структуры техническим условиям, нарушении технологии и т. п.

Микроанализ включает две операции: приготовление микрошлифа и изучение его микроструктуры.

1. Приготовление микрошлифа

Микрошлиф представляет собой образец, вырезанный из готовой детали, заготовки или инструмента, специально подготовленный для исследования микроструктуры. Приготовление микрошлифа включает ряд операций.

Шлифование. Исследуемую поверхность шлифуют (на специальном станке или вручную) наждачной бумагой разной зернистости. Последовательно переходят от крупного зерна (№ 100 — 180) к обработке бумагой с мелким зерном (№ 220 — 320). При переходе от одного номера к другому направление шлифования изменяют на 90 градусов. Шлифование каждый раз ведут до тех пор, пока не исчезнут риски от предыдущей обработки. После шлифования поверхность промывают водой и сушат фильтровальной бумагой.

Полирование. Механическое полирование проводят на вращающемся круге, обтянутом фетром или тонким сукном. В качестве абразива применяют водные суспензии окиси хрома или алюминия или специальные полировальные пасты. Обработку ведут до зеркального блеска.

Отполированный образец промывают водой, сушат фильтровальной бумагой и протирают ваткой, смоченной этиловым спиртом (обезжиривают). Полированный шлиф под микроскопом имеет вид светлого круга (микроструктура не видна). На таком фоне хорошо видны только неметаллические включения (оксиды, нитриды, сульфиды, графит в чугуне и т. п.), так как они по своим оптическим свойствам отличаются от металлов.

Травление. Цель травления — выявить микроструктуру металла. Погружают полированную поверхность в реактив (травитель) на 3 — 8 секунд. В результате химического и электрохимического взаимодействия реактива с металлом (сплавом) на поверхности шлифа появляется микрорельеф, повторяющий структуру металла. Так, например, на границах зерен металл интенсивнее переходит в раствор, и на их месте появляется впадина. Свет на этих участках рассеивается, не попадает в объектив, и контур зерен становится видимым в микроскоп (рисунок 1.1).

а б Рисунок 1.1 — Схема отражения светового луча: от полированной поверхности (а); от протравленной поверхности (б) После травления шлиф промывают сильной струей воды, сушат фильтровальной бумагой.

2. Краткое описание металлографического микроскопа

Металлографические микроскопы в вертикальном или горизонтальном исполнении (МИМ-7, МИМ-8, ММУ3 и др.) работают на принципе отражения светового луча от исследуемой поверхности. Все они состоят из трех систем.

Оптическая система. Она включает объектив, окуляр и ряд вспомогательных оптических элементов (призмы, зеркала и др.), основное назначение которых — изменять ход светового луча. Объектив — это система линз в оправке, обращенная к исследуемому объекту (микрошлифу). Объективы — сменные, они могут увеличивать изображение от 9 до 95 раз. Окуляр представляет собой систему линз в оправке, обращенную к глазу наблюдателя. Окуляры увеличивают изображение от 7 до 20 раз. Общее линейное увеличение микроскопа можно принять равным произведению увеличений объектива и окуляра. Для определения увеличения микроскопа пользуются специальными таблицами, прилагаемыми к приборам.

Осветительная система. Источником освещения является лампа накаливания, которая питается от сети переменного тока через понижающий трансформатор.

Механическая система. В механическую систему входят корпус, предметный столик, способный перемещаться в двух перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости и в вертикальном направлении, макрои микровинт и др.

3. Работа с микроскопом

Общее руководство к работе с микроскопом дано для МИМ-7 (рисунок 1.2).

а б Рисунок 1.2 — Металлографический исследовательский микроскоп МИМ-7. а — схема хода световых лучей: 1 — лампа; 2 — коллектор; 3, 18 — зеркала; 4 — светофильтр; 5 — апертурная диафрагма; 6 — линза; 7 — фотозатвор; 8 — полевая диафрагма; 9 — пентапризма; 10 — линза; 11 — отражательная пластинка; 12 — объектив; 13 — предметный столик; 14 — линза; 15 — фотоокуляр; 16 — зеркало; 17 — матовая пластинка; 18 — призма; 19 — окуляр; 20 — анализатор; 21 — поляризатор; 22 — диафрагма; б — общий вид: 1 — предметный столик; 2 — винты для перемещения предметного столика; 3 — макровинт; 4 — микровинт; 5 — окуляр; 6 — объектив.

Микроскоп является точным прибором, требующим самого аккуратного и осторожного обращения. Прежде чем приступить к работе, необходимо ознакомиться с устройством микроскопа и порядком работы с ним:

1) Посмотреть, какие линзы (объектив и окуляр) стоят на микроскопе, по таблице определить увеличение микроскопа.

2) Винтами 2 сцентрировать предметный столик 1 микроскопа относительно объектива 6 (см. рисунок 1.2, б).

3) Поместить микрошлиф на предметный столик таким образом, чтобы исследуемая поверхность была обращена к объективу.

4) Установить риску микрометрического винта 4 на нулевое значение шкалы на барабане.

5) Наблюдая в окуляр 5, макровинтом 3 путем перемещения предметного столика навести резкость изображения исследуемой поверхности. При появлении изображения предметный столик закрепить стопорным винтом.

6) Микровинтом 4 произвести тонкую наводку резкости.

ВНИМАНИЕ: микровинт 4 не трогать, если в окуляр не видно изображения исследуемой поверхности.

7) Перемещая винтами 2 предметный столик 1, изучить микроструктуру образца на площади, ограниченной отверстием вкладыша предметного столика.

4. Изучение микроструктуры

микроскопический металл микрошлиф Изучение микроструктуры целесообразно начинать с рассмотрения под микроскопом непротравленного шлифа. На светлом фоне будут видны неметаллические включения в виде темных, иногда окрашенных в другие цвета, участков (рисунок 1.3).

а б в, а — включения сернистого железа (сульфид железа FeS)

в виде оторочек по границам зерна;

б — включения хрупких оксидов;

в — включения графита в чугуне.

Рисунок 1.3 — Неметаллические включения в железоуглеродистых сплавах (сталь, чугун) Изучив чистоту металла или форму включений графита в чугуне, микрошлиф травят и вновь исследуют под микроскопом — теперь уже выявленную микроструктуру. Определяют количество структурных составляющих, их размер, форму, цвет, характер расположения, однородность. Структурная составляющая — это часть структуры, видимая под микроскопом как однородная. Она может быть однои двухфазной, т. е. представлять собой механическую смесь двух фаз. Металлы всегда имеют одну структурную составляющую — кристаллы (зерна) самого металла. Размер и форма зерен зависит от способа получения металла и характера обработки (рисунок 1.4, а, б). У сплавов структура может быть более сложной. Они, как и металлы, могут иметь одну структурную составляющую, например, латунь Л96 (рисунок 1.4, в) или несколько. В сплаве Д1 (рисунок 1.4, г) имеются две структурные составляющие — зерна твердого раствора и включения химического соединения CuAl₂. Обе составляющие — однофазные. В баббите (рисунок 1.4, д) — три структурных составляющих: б-твердый раствор, включения химического соединения SnSb и включения Cu₃Sn. В силуминах и сталях — по две структурных составляющих, но одна из них (б) — однофазная, другая (эвтектика в силуминах; перлит в сталях) — двухфазная.

Видимое изображение вырисовывают с левой стороны страницы в круге диаметром 30 — 35 мм или в квадрате со стороною 25 — 30 мм. Структурные составляющие указывают стрелочками. Справа от зарисовки идет описание структуры.

1. Тушинский, Л. И. Методы исследования материалов/ Л. И. Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев, В. Н. Синдеев. — М.: Мир, 2004. — 380 с.

2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю. М. Лахтин. — М.: Металлургия, 1993. — 448 с.

3. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов/ Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман и др. — М.: Высшая школа, 2001. — 622 с.

4. Евстратова, И.И. Материаловедение/ И. И. Евстратова и др. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. — 268 с.

5. Маркова, Н. Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н. Н. Маркова. — Орел: ОрелГТУ, 2006. — 96 с.

6. Ильина, Л. В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л. В. Ильина, Л. Н. Курдюмова. — Орел: ОрелГТУ, 2007.