Основные положения

Для определения качества заготовок (отливок, поковок, проката и др.) необходимо знать их внутреннее строение. Известны и широко применяются на практике два метода анализа металлов и сплавов: макроскопический (макроанализ) и микроскопический (микроанализ).

Макроанализ заключается в том, что заготовку или вырезанный из неё образец (темплет) исследуют невооруженным глазом или с помощью лупы с небольшим увеличением. Образец вырезают из тех мест заготовки, которые вызывают сомнения. Методом макроанализа определяют химическую неоднородность (ликвацию) металла, глубину закалки, структуру, неметаллические включения и другие характеристики. Макроанализ не позволяет глубоко изучить внутреннее строение деталей и заготовок.

Для изучения внутреннего строения деталей и заготовок на практике широко применяют микроанализ.

Микроанализ – изучение структуры материала с помощью металлографического микроскопа при увеличении до 3000 раз.

В зависимости от требуемого увеличения для точного выявления всех наличествующих фаз (или типов материалов), их количества, формы и распределения, т.е. структуры в целом, в микроскопах используют:

- белый свет и обычные оптические системы, являющиеся комбинацией стеклянных линз и призм (оптическая микроскопия);

- электронные лучи или поток электронов для создания оптических систем, для которых необходимо применять электромагнитные или электростатические линзы (электронная микроскопия);

Металлографический микроскоп позволяет рассматривать при увеличении непрозрачные тела в отражённом свете.

Разрешающая способность глаза ограничена и характеризуется разрешаемым расстоянием, т.е. минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они ещё видны раздельно. Разрешаемое расстояние для невооружённого глаза составляет около 0,2 мм. Чтобы увеличить разрешающую способность, используют микроскоп.Впервые микроскоп был применен для исследования строения металлов в 1831г. П.П.Аносовым, изучавшим булатную сталь, и позднее, в 1863 г. англичанином Г. Сорби, изучавшим метеоритное железо.

Исследование структуры методом оптической микроскопии широко используются для изучения строения металлов и для технического контроля их качества в промышленности. Это объясняется тем, что между структурой металла, видимой в оптическом микроскопе (при использовании белого света), и многими его свойствами существует определенная связь. Применение белого света позволяет наблюдать структуру металла при общем увеличении от нескольких десятков до 2000 – 3000 раз. При таком увеличении можно обнаружить раздельно элементы структуры размером не менее 0,2мкм, что в большинстве случаев достаточно для выявления присутствующих в материалах фаз и определения их размеров. Это позволяет успешно применять метод оптической микроскопии для изучения структуры многих металлических сплавов.

Выбор увеличения в пределах, допустимых оптическим микроскопом, производится в зависимости от конкретной структуры сплавов. В одних случаях нет необходимости применять большие увеличения, для других сплавов изучение структуры при большом увеличении является необходимым. Как правило, микроанализ проводят сначала при небольшом увеличении, а затем, в зависимости от строения обнаруживаемой структуры и целей исследования, повторяют исследования при больших увеличениях, просматривая в каждом случае ряд участков шлифа.

Разрешаемое расстояние определяется соотношением:

, (4.1)

где λ − длина волны света, идущего от объекта исследования в объектив; 2n− показатель преломления среды, находящейся между объектом и объективом; α− угловая апертура, равная половине угла раскрытия входящего в объектив пучка лучей, дающих изображение.

Произведение nsinα называется числовой апертурой объектива. Эта важнейшая характеристика объектива выгравирована на его оправе.

У лучших (короткофокусных) объективов максимальный апертурный угол α ~ 70° и sinα ~ 0,94. В большинстве исследований применяют сухие объективы, работающие в воздушной среде (п = 1). Для уменьшения разрешаемого расстояния используют иммерсионные объективы. Пространство между объективом и объектом заполняют прозрачной жидкостью (иммерсией) с большим показателем преломления. Обычно используют каплю кедрового масла(п = 1,51).

Если для видимого белого света принять λ= 0,55 мкм, то минимальное разрешаемое расстояние светового микроскопа:

. (4.2)

Таким образом, разрешающая способность светового микроскопа ограничена прежде всего длиной волны света. Общее увеличение микроскопа:

N_общ = N_об∙N_ок, (4.3)

где N_об − увеличение объектива; N_ок− увеличение окуляра.

 

Объектив даёт увеличенное промежуточное изображение объекта, которое рассматривается в окуляр, как в лупу. Окуляр увеличивает промежуточное изображение объекта и не может повысить разрешающей способности микроскопа.

На металлографических микроскопах проводят исследования структуры металлов с увеличениями от 20 до 2000 раз. Основное увеличение (до 100 раз) даёт объектив; окуляры дополнительно увеличивают изображение, сформированное объектом, еще в 7 − 25 раз. Собственное увеличение окуляра выгравировано на его оправе (например, 10^х).

Рекомендуется начинать микроанализ с использованием слабого объектива, чтобы вначале оценить общий характер структуры на большой площади. После просмотра структуры при малых увеличениях микроскопа выбирают объектив с такой разрешающей способностью, чтобы увидеть самые мелкие из необходимых деталей структуры.

Окуляр выбирают так, чтобы чётко были видны детали структуры, увеличенные объективом. При недостаточном увеличении окуляра самые мелкие детали промежуточного изображения, созданного объективом, не будут увидены в микроскоп и, следовательно, разрешающая способность объектива не будет использованаполностью. При слишком большом увеличении окуляра новые детали структуры не выявятся, а контуры уже выявленных деталей окажутся размытыми, и поле зрения станет более узким.

При выбранном объективе рекомендуется взять такой окуляр, чтобы общее увеличение микроскопа находилось в интервале 500 …. 1000. Более высокое увеличение микроскопа, не выявляя новых деталей структуры, ухудшает резкость изображения.

Металлографические микроскопы по конструктивному исполнению делятся на вертикальные и горизонтальные. Общим для них является верхнее расположение предметного столика; расположение же основных узлов различно.

Микроанализ позволяет установитьразмер, форму и характер взаимного расположенияфаз в металлах и сплавах. Микроанализ позволяет также определять размер зёрен кристаллов металла. Для сплава с мелкими зёрнами характерны более высокие механические свойства: прочность, пластичность и вязкость. Поскольку размер зерна зависит от состава и технологического процесса изготовления сплава (условий выплавки, разливки, обработки давлением, термической обработки) и может быть неодинаковым в различных плавках одного и того же состава, то во многих случаях необходимо экспериментальное определение его.Микроанализ позволяет во многих случаях объяснить причины изменения свойств сплавов в зависимости от изменения химического состава и условий обработки.

Поскольку способ обработки сплава существенно влияет на его структуру и свойства, с помощью микроанализа можно определить, каким образом изготовлен изучаемый сплав, какой предварительной обработке он подвергался. В частности, микроанализ позволяет определить, находится ли сплав в литом состоянии или он подвергался обработке давлением, и какое влияние оказала пластическая деформация на его структуру.

Во многих случаях микроанализ проводят параллельно с макроанализом. Макроанализ характеризует строение металла на больших участках, а микроанализ – выявляет детали структуры отдельных маленьких участков.

Микроанализ производят с помощью заранее изготовленных металлографических шлифов (см. раб. 3), оценивая качественно и количественно структуру металлов и сплавов.

Исследованием металлографических шлифов решаются следующие задачи:

- выявление формы и определение размера зерна кристаллов металлов и сплавов;

- определение загрязнённости металлов и сплавов неметаллическими включениями;

- выявление фазового состава и тонкой структуры металлов и сплавов в литом и деформированном состояниях, после различных видов термической и химико-термической обработки;

- выявление несплошностей металла в виде микропористости, микротрещин, раковин и т.д.;

- определение природы (иногда и марки) материала.

 

Перед металлографическим исследованием шлифов производят травление поверхности металла шлифа в растворах для глубокого и поверхностного травления. Поскольку растворы травления более сильно воздействуют на участки с более развитой и активной поверхностью, т.е. на участки, где имеются дефекты сплошности, то после травления поверхность металла в указанных участках протравливается более глубоко, отражение света от отдельных участков оказывается различным, и они чётко выявляются на фоне более выступающих светлых (т.е. менее протравленных) участков без подобных дефектов. Кроме того в результате неодинаковой растворимости наличествующих в сплаве фаз в травильных растворах можно получить представление о фазовом составе сплава.

Составы растворов для глубокого и поверхностного травления стали приведены в таблице 4.1.