Быконя Л.А. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МАКРОАНАЛИЗ)

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -11-

Рис. 1.4. Макроструктура литой стали

Для выявления в стали дефектов, нарушаю

щих сплошность металла

(трещин, пор, раковин), проводится глубокое травление отшлифованного об-

разца водным раствором соляной кислоты (50 см

НСl, 50 см

воды).

Работу необходимо выполнять следующим образом:

1. Отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной

спиртом.

2. В водяную баню, установленную в вытяжном шкафу (так как при

травлении выделяются ядовитые газы), поместить фарфоровую ванну, влить

в неё реактив и нагреть до температуры 60–70 °С.

3. Образец при помощи щипцов погрузить в горячий реактив и вы-

держать в нем 10–45 мин.

4. После выдержки образец при помощи щипцов вынуть из реактив

а.

5. Образец промыть водой, затем 10–15 %-м водным раствором азот-

ной кислоты и просушить.

При глубоком травлении раствором кислоты высокой концентрации

происходит растравливание дефектов, нарушающих сплошность металла –

они становятся видимыми невооруженным глазом (рис. 1.3

Строение литой стали (дендритной ст

руктуры) выявляют травлением

отшлифованного образца в 15 %-м водном растворе персульфата аммония.

Для выявления дендритной структуры необходимо:

1) отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной

спиртом;

2) в водяную баню поместить фарфоровую ван

ну, налить в неё реак-

тив и нагреть до 80–90 °С;

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МАКРОАНАЛИЗ)

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -12-

3) образец при помощи щипцов погрузить в горячий реактив и вы-

держать в нем 5–10 мин;

4) после выдержки в реактиве образец при помощи щипцов вынуть из

реактива;

5) образец промыть водой и просушить.

На рис. 1.4

дана макроструктура литой стали.

Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия,

выявляют

ся при изучении изломов.

Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разру-

шения металлов. Изломы металлов могут существенно отличаться по цвету.

Так, стали и белые чугуны, в которых весь углерод связан в цементите, име-

ют излом свет

ло-серого цвета. У графитизированных сталей и чугунов, в ко-

торых углерод находится преимущественно в виде графита, излом черного

цвета.

На поверхности изломов можно видеть дефекты, которые способство-

вали разрушению. В зависимости от состава, строения металла, наличия де-

фектов, условий обработки и эксплу

атации изделий изломы могут иметь вяз-

кий, хрупкий или усталостный характер.

Вязкий (волокнистый) излом (рис. 1.5, а

) имеет бугристо-сглаженный

рельеф и свидетельствует о значительной пластической деформации, пред-

шествующей разрушению. По виду вязкого излома нельзя судить о форме и

размерах зерен металла.

Рис. 1.5 Изломы стали: а – вязкий; б – хрупкий, х400

Хрупкий (кристаллический) излом (рис. 1.5, б

) характеризуется нали-

чием на поверхности плоских блестящих участков (фасеток). Так как разру-

шение протекает без заметной пластической деформации и форма зерна не

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МАКРОАНАЛИЗ)

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -13-

искажается, то на хрупком изломе видны исходная форма и размер зерен ме-

талла. При этом разрушение может происходить через зерна (транскристал-

лический излом) либо по границам зерен (интеркристаллический, или меж-

кристаллический, излом). Разрушение по границам зерен имеет место при

наличии на границах неметаллических включений (фосфиды, сульфиды, ок-

сиды) или других выделений, ослабляющих прочность границ зерн

а.

Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как происходит чаще всего

при напряжениях ниже предела текучести материала. Его возникновению

способствуют наличие поверхностных дефектов, конструкционные просчеты

(резкое изменение сечения, толстостенность деталей), низкая температура и

ударные нагрузки при работе, крупнозернистость металла, выделение по гра-

ницам зерен хрупких фаз, межзеренная коррозия. Разновидностями хрупкого

излома являют

ся нафталинистый, камневидный, фарфоровидный и др.

Нафталинистый излом – транскристаллический с крупным зерном и

избирательным блеском, подобным блеску кристаллов нафталина. Он свиде-

тельствует о повышенной хрупкости стали и наблюдается в легированных,

преимущественно быстрорежущих сталях. Причиной возникновения такого

излома является перегрев стали, вызывающий укрупнение зерен и образова-

ние определенной ориентации структурных составля

ющих (текстура). Внеш-

не в изломе текстура проявляется как одно крупное зерно. Нафталинистый

излом устраняется путем многократных повторных фазовых перекристалли-

заций металла.

Хрупкий излом называют камневидным, если металл имеет крупно-

зернистое строение, а разрушение носит преимущественно межкристалличе-

ский характер. Причина образования такого излома – перераспределение

примесей при перегреве металла с выделение их в пр

играничных участках зе-

рен. Камневидный излом можно устранить путем гомогенизирующего отжига.

Обычно изломы бывают смешанными. При смешанном изломе на его

поверхности наблюдаются участки вязкого и хрупкого разрушения.

Фарфоровидный излом характерен для правильно закаленной стали,

вид излома матовый, мелкозернистый.

Рис. 1.6. Усталостный излом штока

компрессора

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (МАКРОАНАЛИЗ)

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -14-

Усталостный излом (рис. 1.6) образуется в результате длительного

воздействия на металл циклических напряжений и деформаций. Излом со-

стоит из трех зон: зарождения трещины, собственно усталостного распро-

странения трещины и долома. Механизм усталостного разрушения следую-

щий: усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы

напряжений или дефекты. Первая зона плоская и гладкая. Увеличиваясь при

работе детали, трещина образует зону собственного усталостного распро-

странения с характерными концентрическими бороздками или дугами и мел-

козернистым, фарфоровидн

ым изломом. Зачастую она имеет отдельные уча-

стки гладкой притертой поверхности. Долом происходит внезапно, когда ос-

лабленное трещиной сечение детали не способно выдержать прикладываемой

механической нагрузки. Долом бывает вязким или хрупким.

1. Ознакомиться с методикой приготовления макрошлифов.

2. Изучить коллекцию образцов с основными дефектами, наблюдае-

мыми на их поверхности. Зарисовать эти дефекты.

3. Исследовать и зарисовать макроструктуру макрошлифов с химиче-

ской неоднородностью (сварные детали, детали, упрочненные термической,

химико-термической обработкой или наплавкой), деталей, изготовленных ре-

занием и обработкой давлением.

4. Оценить ликвацию на микрошлифе по методу Баумана.

5. Изучить и зарисо

вать основные виды изломов (вязкий, хрупкий, ус-

талостный).

6. Сделать выводы и составить отчет по работе в соответствии с зада-

ниями (в отчете обязательно должны быть указаны тема, цель работы, пояс-

нения к каждой рассмотренной макроструктуре).

1. Как выявить ликвацию серы в стали?

2. Как выявить ликвацию фосфора в стали?

3. Как выявить дендритную структуру в литых образцах?

4. Какие бывают изломы?

5. Назвать характерные признаки хрупкого и вязкого изломов.

6. Каков механизм усталостного разрушения



Материаловедение. Лаб. практикум -15-

Ознакомиться с устройством микроскопа марки МИМ-7; научиться

правильно пользоваться микроскопом: выбирать оптику, настраивать осве-

щение, использовать различные методы усиления контраста, пользоваться

отсчетными приспособлениями.

Коллекция образцов (сталь, медные сплавы), металлографический мик-

роскоп МИМ-7.

Металлографический микроскоп – прибор для наблюдения и фотогра-

фирования структуры непрозрачных объектов в отраженном свете. В этом

основное отличие металлографического микроскопа от биологического, в ко-

тором рассматривают прозрачные тела в проходящем свете.

Разрешающая способность глаза ограничена. Разрешающая способ-

ность характеризуется разрешаемым расстоянием, т. е. тем минимальным

расстоянием между двумя соседними частицами, при кот

ором они еще види-

мы раздельно. Разрешаемое расстояние для невооруженного глаза составляет

около 0,2 мм. Чтобы увеличить разрешающую способность, используют

микроскоп.

Действие оптических приборов, вооружающих человеческий глаз при

исследовании мелких объектов, сводится к увеличению угла зрения. Увели-

чение угла зрения воспринимается нами как увеличение видимых размеров

предмета. Поэтому увеличение прибора можно опреде

лить как отношение

размера увеличенного изображения к истинному размеру предмета.

Микроскоп (рис. 2.1

, рис. 2.2) представляет собой комбинацию двух

увеличивающих оптических систем – объектива 10 и окуляра 13 и ряда вспо-

могательных оптических элементов: зеркала, призмы и т. п. Объектив дает

действительное, увеличенное, обратное изображение шлифа и представляет

сложное сочетание линз, располагающихся в одной оправке и находящихся в

непосредственной близости к шлифу. Окуляры дают не только мнимое уве-

личение (т. е. увеличение промежуточного изображения), но и исправляют

оптическ

ие дефекты, которые полностью не устраняются даже в объективах

сложной конструкции. Увеличение окуляра меньше, чем объектива и подби-

рается таким образом, чтобы можно было достаточно четко рассмотреть изо-

бражение, создаваемое объективом. Если увеличение окуляра слишком мало,

детали структуры, имеющиеся в изображении, полученные объективом, не

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -16-

будут выявлены; в то же время при слишком большом увеличении окуляра

новые особенности структуры не выявляются, а ухудшается четкость изо-

бражения и уменьшается поле зрения. Общее увеличение микроскопа равно

произведению увеличений объектива и окуляра. Максимальное увеличение

современных микроскопов достигает 2 000 раз.

Расстояние между фокусами объектива и окуляра называется оптиче-

ской длиной тубуса L. Эта величина близка по значению к р

асстоянию между

опорной плоскостью объектива и верхним краем тубуса микроскопа.

Исследуемый шлиф помещают на предметный столик 11 перед объек-

тивом. Шлиф перемещают по вертикали вместе со столом механизмом микро- и

макроподачи 40 и 37 так, чтобы шлиф находился немного дальше фокуса

объектива, при этом объектив дает увеличенное действительное изображение

структуры (промежуточное изображение). Это изобра

жение при помощи

линзы 12 переносится в плоскость, близкую к фокусу окуляра. Окуляр дает

окончательное мнимое увеличенное изображение объекта, располагающееся

на расстоянии 250 мм от глаза наблюдателя.

Рис. 2.1. Оптическая схема микроскопа

МИМ-7: 1 – осветитель (лампа); 2 – кол-

лектор; 3 – зеркало; 4 – линза; 5 – апертур-

ная диафрагма; 6 – линза; 7 – пентопризма;

8 – линза; 9 – отражательная пластинка;

10 – объектив; 11 – объект; 12 – ахромати-

ческая линза; 13 – окуляр; 14 – зеркало;

15 – фотоокуляр; 16 – зеркало; 17 – фото-

пластинка; 18 – полевая диафрагма; 19 –

затвор; 20 – линза для работы в темном

поле; 21 – кольцевое зеркало; 22 – пара-

болическое зеркало; 23 – заслонка

(включается при работе в темном поле);

24 – поляризатор; 25 – анализатор

В микроскопе имеются два типа окуляров: для визуального наблюде-

ния (13), вставленных в верхний тубус микроскопа, и для фотографирова-

ния (15), весь набор которых помещен в револьверной головке в нижней час-

ти корпуса микроскопа, для смены которых имеется рукоятка 32 на нижней

части корпуса.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -17-

При визуальном наблюдении в ход лучей вводится зеркало 14 (рис. 2.1),

при переводе изображения на фотокамеру зеркало 14 выключается вытягива-

нием на себя тубуса вместе с окуляром и зеркалом, при этом лучи падают по

вертикали к фотоокуляру 15. Для изменения хода лучей кроме зеркала 16 и

14, используют пентопризму 7 и полупрозрачную пластину 9. Назначение

последней – отразить первичный пучок на шлиф, а отраженный от шлифа

пучок света пропустить.

Осветительная система микроскопа состоит из лампы 1, которая долж-

на центрироваться относительно оп

тической оси винтами 30, коллекторной

линзы 2, собирающей и проектирующей источник света на плоскость апертур-

ной диафрагмы 5 и набора светофильтров 4 (их меняют рукояткой 31). Свето-

фильтры применяются при визуальном наблюдении и при фотографирова-

нии. Они делают свет более монохроматичным. Поскольку в объективах-

ахроматах, входящих в комп

лект МИМ-7, сферическая аберрация исправлена

только в отношении желто-зеленого цвета и глаз человека обладает к указан-

ному цвету большей чувствительностью, для визуального наблюдения следу-

ет использовать желто-зеленые светофильтры. На лампу свет подается через

трансформатор, позволяющий изменять яркость освещения шлифа.

а б

Рис. 2.2. Общий вид микроскопа МИМ-7: а – вид со стороны трансформатора; б – вид со с

о-

роны фотокамеры; 1 – лампа; 2 – коллектор; 3 – зеркало; 4 – линза; 5 – апертурная диа-

фрагма; 6 – линза; 7 – призма; 8 – линза; 9 – отражательная пластинка; 10 – объектив;

11 – объектив; 12 – ахроматическая линза; 13 – окуляр; 14 – зеркало; 15 – фотоокуляр; 16 –

зеркало; 17 – фотопластинка; 18 – полевая диакфрагма;19 – затвор; 20 – линза для работы в

темном поле; 21 – кольцевое зеркало; 22 – параболическое зеркало; 23 – заслонка (включается

при работе темном поле); 24 – поляризатор; 25 – анализатор; 26 – плита; 27 – основание или

корпус фотокамеры; 29 – фонарь осветителя; 30 – винты, центрирующие лампу; 31 – диск со

светофильтром; 32 – рукоятка для поворота диска с фотоокулярами; 33 – рукоятка для смеще-

ния и поворота ирис-диафрагмы; 34 – винт, фиксирующий поворот диафрагмы 5; 35 –

корпус микроскопа; 36 – предметный столик; 7 – винт; 38 – стопорное устройство для макро-

винта; 39 – тубус для визуального наблюдения; 40 – микрометрический винт; 41 – осветитель-

ный тубус; 42 – рукоятка полевой ирис-диафрагмы; 43 – механизм центрировки; 44 –

винты для перемещения сто

лика в дв

х взаимноперепендик

лярных направлениях

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -18-

Для получения наилучшего изображения структуры необходимо поль-

зоваться специальными диафрагмами, ограничивающими световые лучи.

Диафрагма 5, ограничивающая пучок лучей, входящих через объектив в сис-

тему микроскопа, называется апертурной диафрагмой, диафрагма 18 (ее ру-

коятка 42) – полевой, так как она ограничивает размер поля, освещенного на

шлифе. Степень раскрытия этих диафрагм меняется в зависимости от вы-

бранных для работы объектива и окуляра.

Максимальное полезно

е увеличение микроскопа, т. е. увеличение, с

которым выявляются детали рассматриваемого предмета, определяется по

формуле

где d

– максимальная разрешающая способность человеческого глаза, равная

0,3 мм; d – максимальная разрешающая способность оптической системы.

Максимальная разрешающая способность оптической системы опре-

деляется из условий дифракции согласно уравнению

sin

где

λ – длина волны света (для белого света 6 000 Å); n – коэффициент пре-

ломления;

α/2 – половина угла раскрытия входящего светового пучка.

Максимальное полезное увеличение микроскопа достигается в том

случае, если d имеет максимальное значение, когда при постоянной длине

волны света

λ величина n

sin α/2, называемая числовой апертурой, будет

максимальной. Поэтому надо стремиться к наибольшим величинам угла

α/2

и коэффициента преломления n. Обычно в микроскопе ведут наблюдения в

воздушной среде (n = 1) с обычными, так называемыми сухими объективами.

Для получения больших увеличений между поверхностью объектива и рас-

сматриваемым предметом создают среду, имеющую высокий коэффициент

преломления (кедровое масло).

Изображение предмета увеличивается в микроскопе дважды, поэтому

увеличение микроскопа N

равно произведению собственных увеличений

объектива N

об

и окуляра N

ок

ìîáîê

îá îê

l 250

=⋅=⋅NNN

где F

об

и F

ок

–

фокусные расстояния объектива и окуляра; 250 мм – расстоя-

ние наилучшего зрения; l – оптическая длина тубуса.

Глазное увеличение обеспечивается объективом, оно может дости-

гать 100. Увеличение окуляров не должно быть более 20–24.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -19-

Характеристика объективов и окуляров микроскопа МИМ-7 приведе-

на в табл. 2.1

Таблица 2.1

Увеличение объективов и окуляров микроскопа МИМ-7

Объективы

Окуляры

Для визуального наблюдения Для фотографирования

х7 х10 х15 х20 х7 х10 х15

8,6

(F = 23,2; А = 0,17) 60 90 130 170 70 120 160

14,4

(F = 13,89; А = 0,30) 100 140 200 300 115 200 270

24,5

(F = 8,16; А = 0,37) 170 240 360 500 200 340 450

32,5

(F = 6,16; А = 0,65) 250 320 500 650 260 440 600

72,2

(F = 2,77; А = 1,06) 500 720 1 080 1 440 575 1 000 1 350

Разрешающей способностью оптического прибора называют величи-

ну, обратную разрешаемому расстоянию d

. Разрешающая способность микро-

скопа определяется способностью объектива (но не всегда равна ей) и равна

1/d

= А/λ,

где d

– разрешаемое расстояние; λ – длина волны источника света; А – чи-

словая апертура объектива, зависящая от показателя преломления среды n и

от конструкции линзы (ее отверстного угла 2

α),

sin .

⋅α

Ограничения разрешающей способности в оптике возникают вследст-

вие явлений аберрации и дифракции. Хроматической аберрацией называется

неодинаковое преломление линзой лучей различного цвета (различной длины

волны), которые не имеют одной общей точки схода (фокуса). Хроматиче-

ская аберрация ухудшает четкость изображения; ее можно полностью устра-

нить только применением монохроматического света. Сферическая аберра-

ция з

аключается в том, что лучи, преломляемые краем линзы и центральной ее

частью, не сходятся в одной точке, что также ухудшает четкость изображения.

Для уменьшения сферической аберрации объектив изготовляют из двух линз –

выпуклой и вогнутой, которые имеют одинаковую, но различно направлен-

ную сферическую аберрацию.

Свет попадает в объектив микроскопа, претерпев рассеяние на дета-

лях структуры шлифа. Рассеянные св

етовые лучи интерферируют, образуя

дифракционные максимумы и минимумы интенсивности. Направление ди-

фракционных максимумов определяется соотношением между размером де-

тали структуры и длиной волны света

λ:

sin ,

⋅

α= ⋅λdm

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -20-

где m – целое число; α – угол между направлением падающего и дифрагиро-

ванного лучей.

При малой величине деталей структуры d световые лучи заметно ди-

фрагируют, отклоняясь на значительные углы от первоначального направле-

ния. За фокальной плоскостью объектива дифрагированные лучи, встречаясь,

интерферируют между собой и дают увеличенное изображение структуры

шлифа.

Изображение деталей структуры можно наблюдать только в том слу-

чае, если объектив проп

ускает, кроме центрального (нулевого) максимума,

хотя бы максимум первого порядка. На рис. 2

.3 показана схема действия

апертуры объектива и масляной иммерсии для получения изображения.

а б в

Рис. 2.3. Схема действия апертуры объектива: 0, 1, 2, 3 – направления дифрагированных

деталями структуры максимумов; а – детали структуры, слишком мелкие и не разрешают-

ся объективом (ϕ < α); б – детали ϕ > α); в – действие масляной иммерсии (сравните б и в,

в последнем случае пропускаются максимумы высших порядков)

Числовая апертура объектива А – его важнейшая характеристика, по-

этому она выгравировывается на его оправе. Эта характеристика вместе с

длиной волны света определяет наименьшие размеры разрешаемых деталей

структуры. Отверстный угол объектива 2

α практически не бывает больше 140°,

тогда наивысшее значение числовой апертуры для сухого объектива (для

воздуха n = 1)

sin 1 0,94 0,94

⋅α=⋅ =

В случае иммерсионного объектива, т. е. работающего в условиях, когда

между шлифом и объективом находится капля масла с n = 1,51, А = 1,51

0,94 =

= 1,43. При освещении предмета параллельным пучком белого света, идущим

вдоль оси системы (светлопольное освещение), для которого можно принять

λ = 0,55 мкм, величина деталей d, разрешаемых самым сильным объективом

(А = 1,43), составляет 0,2 мкм. Обычно в освещении участвуют лучи различ-

ных направлений. Как видно из рис. 2.4

, при наличии внеосевых (косых) лу-

чей в объектив может попасть большее число дифракционных максимумов –