Теоретическая часть (по методе под ред. Г.Г. Мухина. МГТУ, 2002)

Микроскопический метод исследования структуры различных материалов. Цель работы - получить навыки работы на металлографическом микроскопе и озакомиться со структурой различных материалов. Задание. 1. Ознакомиться с устройством металлографического микроскопа и освоить простейшие приемы работы. 2. Изучить и нарисовать микроструктуры материалов. 3. Описать однофазные и многофазные микроструктуры материалов. Указать структурные составляющие материалов. 4. Ознакомиться с принципами маркировки материалов. Приборы и материалы: микроскоп, коллекция шлифов, наглядные пособия и справочные материалы. Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с наглядными пособиями и справочными материалами. 2. Изучить устройство микроскопа, с помощью плаката определить расположение основных узлов микроскопа. 3. Пользуясь механической системой, настроить микроскоп, получив при этом четкое изображение микроструктуры. 4. Для изучения микроструктур исследовать, зарисовать и описать поочередно коллекцию микрошлифов: монокристалл кремния, технически чистый титан ВТ-1, сплав титана ВТ-5, холоднодеформированное технически чистое железо, феррит Ni-Zn, латунь (однофазные материалы), а также латунь, сталь, композит, силумин, баббит (многофазные материалы). Основные теоретические сведения. Микроскопический метод исследования (микроанализ) заключается в изучении строения (структуры) материалов с помощью микроскопа на специально приготовленных образцах (микрошлифах) с увеличением от 70 до 2000 раз. Микроскоп состоит из оптической системы, осветительного устройства и механической системы, которая обеспечивает получение четкого изображения микроструктуры. Для микроанализа шлиф помещают на предметный столик микроскопа. Строение металлов, сплавов, пластмасс, керамики, композитов и других материалов, изучаемое методом микроанализа, называют микроструктурой. Поверхность микрошлифа шлифуют, полируют и подвергают травлению для выявления микроструктуры. При этом определяются форма, размер и характер распределения структурных составляющих материала. В однофазном металле (сплаве) зерна имеют различную кристаллографическую ориентировку, и поэтому в поверхности микрошлифа зерна будут срезаны по разным кристаллографическим плоскостям, которые будут травиться неодинаково. В результате после травления поверхность микрошлифа будет иметь сложный рельеф, характеризующий строение металла. В многофазных сплавах степень травимости будет еще более различной. На рисунке представлено отражение потока света от поверхности микрошлифа. Более глубоко протравленные участки дают больше рассеянных лучей и выглядят более темными. Микроанализ позволяет проводить не только качественное изучение структуры материала, но и количественную оценку структурных составляющих. Можно, например, измерить величину зерна, глубину слоя. Структура харктеризуется составом, размерами, формой кристаллов, их взаимным расположением и внутрикристаллическим строением. Наиболее распространенными конструкционными материалами являются металлические материалы (сплавы), получаемые плавлением и порошковой металлургией. Элементы, входящие в состав материала, называют компонентами, которые, вступая во взаимодействие, образуют различные фазы: твердые растворы, фазы внедрения, электронные соединения и др. Фазой называют однородную по составу, кристаллическому строению и свойствам часть сплава, имеющую граничную поверхность. Структура сплаво может быть однофазной и многофазной. Однофазной структурой обладают чистые металлы и твердые растворы, микроструктура которых различается по величине, форме и ориентации кристаллитов (зерен). В структуре монокристалла путем специального травления можно выявить и наблюдать деффекты внутрикристаллического строения - дислокации, точки выхода которых на поверхность шлифа после травления принимают вид так называемых ямок травления треугольной или прямоугольной формы. Моноеристаллы применяют в полупроводниковых элементах (кремний, германий). Большинство же материалов, используемых в приборостроении и машиностроении, имеют поликристаллическую и, как правило, многофазную структуру. Структура материалов зависит от технологии их получения (литье, горячая или холодная обработка давлением, термическая обработка и т.д.). Однофазные структуры могут иметь вид полиэдрических, равноосных зерен, вытянутых зерен (волокон), а также пластинчатую форму. Границы зерен являются большеугловыми границами, а в стыке трех кристаллов часто наблюдаются углы около 120o. Полиэдрическая структура харктерна для горячедеформированного и рекристаллизованного металла, а также для литого металла после кристаллизации с малой скоростью охлаждения (малой степенью переохлаждения). Вытянутые зерна характерны для холоднодеформированного металла и литого металла после направленной кристаллизации. Пластинчатая форма зерен образуется в металлах и сплавах, обладающих полиморфными превращениями, при определенных скоростях охлаждения. В многофазных структурах указывают не только размеры и форму зерен (кристаллов), но и их взаимное расположение. Однородные по строению участки микроструктуры называют также структурными составляющими. Многофазные структуры формируются при первичной крисатллизации во время эвтектического превращения, при котором образуется смесь двух или более фаз, выделяющихся из жидкого металла одновременно. Характерной для эвтектик является пластинчатая форма (бикристаллы). В процессе вторичной кристаллизации многофазные структуры формируются при эвтектоидном превращении или при выделении фаз в результате уменьшения растворимости компонентов в основной фазе при охлаждении. Структура эвтектоидов аналогична структуре эвтектик. При эвтектоидном превращении смесь образуется в результате перекристаллизации твердого раствора. Вторые фазы при переменной растворимости выделяются как по границам, так и внутри зерен. При этом вокруг зерен они могут образовывать сплошную сетку. Если вторичная фаза твердая и хрупкая, это приводит к снижению пластичности и вязкости.

Практическая часть (журнал лабораторных работ)

Наименование материала Химический состав Фазовый состав Микроструктура Харктеристика структуры Кремний (монокристалл) Примеси <10-8% Si Ямки травления (в местах выхода дислокаций на поверхность) Титан технический Примеси < 0.4% α Равноосные зерна (изотропность свойств) Железо техническое деформированное Примеси < 0.2% α Волокнистая. Вытянутые в направлении течения металла зерна (анизотропность). Титановый сплав Al-5% Ti-95% α Пластинчатая Латунь Zn-32% Cu-68% α Полиэдрическая с двойниками отжига Феррит Магнитомягкий Fe2O3-50% NiO-25% ZnO-25% MeOFe2O3 Пористая структура Силумин Si-13% Al-87% α + Si Игольчатая эвтектика Сталь хромоникилевая C-0.4% Cr-14% Ni-14% Карбиды+γ Внутризеренное выделение карбидов Баббит Cu-5% Sb-12% Sn-83% α+SnSb+Cu3Sn Трехфазная структура Композиционный материал Волокно бора-30% Al-70% Al+B+W Волокнистый композиционный материал