Твердость металлов

Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра. Рекомендуется начинать микроанализ с использованием слабого объектива, чтобы вначале оценить общий характер структуры на большой площади. После просмотра структуры при малых увеличениях микроскопа используют объектив с такой разрешающей способностью, чтобы увидеть необходимые мелкие детали структуры.

Окуляр выбирают так, чтобы четко были видны детали структуры, увеличенные объективом. Собственное увеличение окуляра  выгравировано на его оправе (например, 7^х).

В металлографии микроанализу подвергаются непрозрачные для световых лучей объективы – микрошлифы, которые рассматривают в микроскоп в отраженном свете. Наводку на резкость осуществляют грубо, вращением макровинта. Тонкую наводку на резкость – вращением микровинта, который перемещает объектив по отношению к неподвижному предметному столику.

Для рассмотрения разных участков шлифа предметный столик вместе со шлифом перемещают винтами  относительно неподвижного объектива  в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Определение величины зерна

Величина зерна  оказывает существенное влияние  на свойства сплава. По методу “секущей”  подсчет числа зерен на выделенной площади заменяется подсчетом стыков (границ) плоских зерен.

Для определения  диаметра зерна d при данном увеличении микроскопа (100^x) необходимо, используя окуляр (7^x), имеющий измерительную линейку, посчитать на контрольном образце количество пересечений границ с осью шкалы окуляра “секущей”. Аналогичный расчет проводится в двух других полях зрения. При подсчете определяют среднее арифметическое значение числа пересечений. Диаметр зерна определяют по формуле:

,

где d_з – диаметр зерна, мм; 
l – длина секущей, мм; 
m – цена деления секущей при данном увеличении микроскопа; 
n_ср – среднее количество пересечений.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Рисунок излома контрольного образца и заключение о его характере.
4. Рисунок выявленной микроструктуры с описанием ее характера.
5. Расчет величины зерна выявленной микроструктуры.
6. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. При каких увеличениях проводят макроанализ?
2. Что такое макрошлиф?
3. Какие задачи можно решить методами макроанализа?
4. Какие виды хрупкого излома возможны?
5. Какие участки можно различить в усталостном изломе?
6. Для чего проводят глубокое и поверхностное травление?
7. Каким образом определяют общую химическую неоднородность?
8. Какие задачи можно решать с помощью микроанализа?
9. Как приготовить микрошлиф?
10. В чем заключается механизм выявления структуры при травлении?
11. Что такое разрешающая способность микроскопа?
12. Какое изображение дает объектив и окуляр?
13. В чем заключается метод “секущей”? Что определяют с помощью этого метода?

 

 

 

 

 

 

 

 

СПЛАВЫ  НА ОСНОВЕ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научиться анализировать  фазовые превращения при охлаждении сплавов двойных систем: твердых растворов, эвтектического типа; изображать схемы микроструктур сплавов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Микроструктура  сплава формируется в процессах  кристаллизации расплава, фазовых превращений  и структурных изменений в  твердом состоянии, происходящих при литье, обработке давлением и термической обработке.

Несмотря на многообразие факторов, влияющих на формирование микроструктуры сплава, важнейшие ее особенности можно предсказать, используя диаграмму состояния, так как именно диаграмма состояния  дает сведения о характере фазовых превращений и их последовательности при нагревании и охлаждении сплава. Вместе с тем следует помнить, что диаграмма состояния описывает фазовое состояние в равновесных условиях, а реальная структура сплава складывается во времени и в неравновесных условиях (при ускоренном охлаждении, при больших степенях пластической деформации и т.д.).

Далее приведены  сведения о типичных структурах, которые  необходимо знать, прежде чем приступить к изучению микростроения промышленных сплавов.

СИСТЕМА С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ 
КОМПОНЕНТОВ В ЖИДКОМ И ТВЕРДОМ СОСТОЯНИЯХ

Диаграмма состояния  двойной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма  состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы  
в жидком и твердом состоянии и кривая охлаждения сплава Х.

Верхнюю кривую на диаграмме называют линией ликвидуса. Выше этой линии все сплавы системы  А-В однофазны и находятся в  жидком состоянии (Ж). Нижнюю кривую диаграммы называют линией солидуса. При температурах ниже этой линии все сплавы однофазны и состоят из кристаллов a-раствора. В интервале температур между кривыми ликвидуса и солидуса, называемом интервалом кристаллизации, или интервалом плавления, все сплавы состоят из двух фаз: жидкости и кристаллов a-раствора.

Кривые ликвидуса  и солидуса – это геометрическое место точек, отвечающих температурам начала и конца кристаллизации различных  сплавов системы А-В. Кроме того, эти кривые отображают составы равновесных  фаз (Ж и a) в различных сплавах и интервале их кристализации, т.е. изображают составы насыщенных один относительно другого жидких и твердых растворов.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава Х. При температуре выше t₁ (температура начала кристаллизации) этот сплав представляет собой ненасыщенный жидкий раствор. Как только температура сплава понизится с температуры t_1, жидкий раствор станет насыщенным относительно a-кристаллов и понижение температуры ниже t₁ приведет к выделению из жидкости состава точки 1 первичных кристаллов a-раствора состава точки 1’, расположенной на кривой солидуса. Составы жидкости и выпавших из нее a-кристаллов изменяются при понижении температуры от t₁ до t₂ в соответствии с кривыми ликвидуса и солидуса: жидкость – от точки 1 до точки 2’, a-кристалл – от точки 1’ до 2. Следовательно, в интервале кристаллизации в объемах сосуществующих фаз должна протекать выравнивающая диффузия. Рассмотренный процесс первичной кристаллизации сплава Х можно записать как:

При температуре  конца кристаллизации (t₂) последние следы жидкой фазы (состава точки 2’) исчезнут и сплав будет состоять из a-кристаллов (состава точки 2). При охлаждении от температуры t₂ до комнатной в сплаве не происходит фазовых превращений. После равновесной кристаллизации структура сплава Х будет состоять из кристаллов твердого раствора a, состав которых соответствует составу сплава (рис. 2). Зерна под микроскопом могут иметь неодинаковый цвет (более темный или более светлый), т.к. в сечении шлифа попадают различные кристаллографические плоскости по-разному ориентированные в пространстве кристаллов. Аналогичную структуру будут иметь все однофазные сплавы, а также чистые компоненты. Поэтому по структуре однофазного материала после равновесной кристаллизации нельзя определить что это: сплав, раствор или чистый металл. Форма и размеры зерен не являются специфическими для того или иного сплава, а зависят от условий кристаллизации.

Рис. 2. Схема структуры  однофазного сплава Х. 

 

 

ЭВТЕКТИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

При температуре t_е в системе А-В (рис. 3, 4) протекает эвтектическое превращение

Это превращение  происходит во всех сплавах, расположенных  по составу между точками а и b. Горизонталь аb и точку е на этой горизонтали называют эвтектическими, а смесь кристаллов (a_а + b_b), которые выделяется из жидкости при эвтектической кристаллизации, – эвтектикой.

Кривые аа₁ и bb₁, показывающие как изменяется растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии при понижении температур от эвтектической до комнатной, называют сольвусами a и b – твердых растворов.

Сплавы, расположенные левее  точки е, называют доэвтектическими. Сплавы, расположенные правее точки е – заэвтектическими. Сплав, состава точки е, называют эвтектическим, или просто эвтектикой. 

Рис. 3. Фазовая диаграмма  состояния сплавов, компоненты которых ограничено  
растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику.

Рис. 4. Структурная диаграмма  состояния сплавов, компоненты которых ограничено  
растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику.

Кристаллизация  граничных a и b – растворов в сплавах, состав которых находится в интервале А-а₁ и В-b₁, протекает также, как сплав системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях. Эти сплавы однофазны, поэтому их структура аналогична структуре, представленной на рис. 2.

Сплавы, состав которых находится в интервалах а₁с и db₁, не претерпевают эвтектического превращения. Рассмотрим процессы фазовых превращений на примере сплава Х₁. В интервале температур t₁ – t₂ сплав Х₁ кристаллизуется как граничный a – твердый раствор, идет первичная кристаллизация.

При охлаждении от температуры t₂ до температуры t₃ в нем не протекают никакие фазовые превращения. Как только фигуративная точка сплава окажется на кривой сольвуса аа₁, граничный a – раствор состава точки 3 станет насыщенным относительно граничного твердого раствора b состава точки 3’. Поэтому при дальнейшем понижении температуры от t₃ до комнатной из a – кристаллов, изменяющих свой состав по кривой 3а₁, выделяются вторичные кристаллы b – фазы, состав которых будет изменяться по кривой 3’ b₁. Этот процесс можно записать так:

При комнатной  температуре кристаллы a-фазы состава а₁ окажутся в равновесии с кристаллами b состава b_1. Доля обеих фаз по правилу рычага измеряется отношением отрезков.

x₁b₁/a₁b₁(a) и a₁x₁/a₁b₁(b)

Под микроскопом  в структуре сплава Х₁ можно увидеть кристаллы двух видов: первичные кристаллы a – раствора (основа сплава) и вторичные b –кристаллы. Вторичные выделения образуются по границам и внутри зерен исходной фазы a. Вторичные выделения обычно имеют пластинчатую или иглообразную форму, иногда они имеют вид тонких прослоек или компактных частиц, располагающихся по границам первичных зерен (рис. 5).

В сплаве Х₁ имеются две структурные составляющие первичные кристаллы a – фазы и вторичные кристаллы b. Под структурными составляющими в сплавах понимают такие самостоятельные элементы их микроструктуры, которые при рассмотрении под микроскопом имеют свое характерное однородное строение. Для сплава Х₁ понятие “структурная составляющая” и “фаза” совпадают, поскольку каждая из его структурных составляющих – это одновременно a или b – фаза.

Рис. 5. Схемы  структуры сплава Х₁ с вторичными выделениями пластинчатой формы  
(а), в виде тонких прослоек (б) или компактных частиц (в)

Более сложную  структуру имеют до – и заэвтектические сплавы, в которых помимо первичных a – или b – кристаллов, выделяется эвтектика , а при охлаждении в твердом состоянии в интервале температур от t_е до комнатной их a - и b - кристаллов выделяются вторичные кристаллы a - и b - кристаллы.

В заэвтектическом  сплаве Х₂ процесс первичной кристаллизации пройдет по схеме:

.

Из оставшейся жидкости Ж_е выделяется эвтектика – смесь кристаллов (a_а+b_b), т. е. .

По окончании  кристаллизации сплав Х₂ состоит из первичных кристаллов b_b, эвтектики (a_а+b_b). Так как при эвтектической температуре сплав Х₂ состоит из кристаллов предельно насыщенных a_а- и b_b-растворов, а с понижением температуры взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии уменьшается, то при охлаждении до комнатной температуры их b –кристаллов (первичных и эвтектических) будут выделяться вторичные a –кристаллы, а из эвтектических a –кристаллов – соответственно вторичные b –кристаллы.

Возможные варианты микроструктуры сплава Х₂ показаны на рис. 6.

Рис. 6. Схемы  структур заэвтектического сплава Х₂ с эвтектикой и первичными  
кристаллами в форме многогранников (а) и дендритов (б).

Первичные b – кристаллы могут иметь четкую огранку (рис. 6а) или дендритную форму (рис. 6б). Вокруг первичных b – кристаллов видна вторая структурная составляющая – эвтектика (a + b), имеющая пластинчатое или другое строение. Внутри первичных кристаллов b в небольшом количестве находится третья структурная составляющая – вторичные a –кристаллы. Выделения вторичных кристаллов в эвтектике незаметны, так как сама эвтектика достаточно дисперсная смесь двух видов кристаллов. Структура других заэвтектических сплавов аналогична разобранной. Различие состоит лишь в соотношении объемов в структурных составляющих.

СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Изображение диаграмм состояния двойных систем с нанесением ординат заданных сплавов.
4. Кривые охлаждения этих сплавов.
5. Схемы микроструктур сплавов.
6. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Опишите процесс первичной кристаллизации в сплавах – твердых растворах.
2. Какова микроструктура однофазного сплава после равновесной кристаллизации?
3. Как определить долю эвтектики и первичных кристаллов по диаграмме состояния?
4. Что такое эвтектика? Какое строение она имеет?
5. Какие структурные составляющие имеют до и заэвтектические сплавы?
6. Какова возможная форма выделений вторичных кристаллов?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИЗУЧЕНИЕ  ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ  
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить диаграмму  состояния железоуглеродистых сплавов. Разобраться с превращениями, происходящими  в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении и нагреве.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ

Диаграмма состояния  системы Fe – Fe₃C. 
Фотографии микроструктур железоуглеродистых сплавов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе “железо-карбид железа”, и стабильном, отражающем превращения в системе “железо-графит”. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния “железо-карбид железа”, т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме. 
Карбид железа (Fe₃C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния “железо-цементит” (Fe-Fe₃C).