Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

МИКРОСТРУКТУРА и МАКРОСТРУКТУРА

.doc
Скачиваний:
155
Добавлен:
15.05.2015
Размер:
528.9 Кб
Скачать

МИКРОСТРУКТУРА

МИКРОСТРУКТУРА - строение веществ и материалов, видимое в микроскоп при достижимых с его помощью увеличениях. Чаще всего это название относят к строению кристаллич. веществ и, в частности, металлов и металлич. сплавов, в которых строение подчиняется определенным и простым законам (см. Сплавы). Микроструктура металлов и сплавов обнаруягивается при рассмотрении с помощью микроскопа полированной поверхности их в отраженном свете. До травления полированной поверхности металла можно наблюдать лишь встречающиеся в металле неметаллические включения, т. к. все они, не принимая полировки, кажутся в отраженном свете более темными, чем окружающий их металл. На рис. 1, представляющем строение сварочного железа, видны грубые включения шлака,

всегда встречающиеся в пудлинговом железе. Количество неметаллических включений, их величина, внешняя форма и характер расположения — все это служит для характеристики металла и при изучении микроструктуры рассматривается в первую очередь.

После травления полированной поверхности металла соответствующими реактивами (кислотными, щелочными или соляными растворами) во всяком металле обнаруживается зернистое строение, как это видно, напр., на рис. 2, показывающем структуру сплава Ag — А1. Причина зернистого строения всех металлов заключается в том, что кристаллизация их начинается из отдельных центров, вокруг которых и формируются кристаллы с определенной ориентацией кристаллич. элементов. Вследствие неодинаковой ориентации этих элементов в отдельных кристаллах и неодинакового отношения полированных поверхностей последних к реактивам ясно обнаруживаются границы отдельных поверхностей в виде четких линий раздела между ними. Обнаруживаемые в металлах зерна имеют или правильные кристаллич. очертания (рис. 2) или округлые контуры, скрадывающие кристаллическую форму зерен. Более существенным признаком, чем форма зерен, является их величина. Величиной зерна определяются многие свойства металла — механические, физические и химические. Обычно крупнозернистому металлу отвечают пониженные механические свойства, а металл мелкозернистого строения обладает высокими механическими качествами. Причина пониженных механических свойств крупнозернистого металла заключается в том, что здесь в каждом зерне хорошо развиты плоскости спайности, по которым легко происходит деформация, а затем и разрушение металла. Получение крупнозернистого или мелкозернистого металла определяется не только природой последнего, но и условиями кристаллизации. Если кристаллизация происходит из большого числа центров, то получается мелкозернистый металл; при кристаллизации же из малого числа центров металл получается крупнозернистым. В свою очередь число центров определяется скоростью охлаждения: при малой скорости и, следовательно, при отсутствии переохлаждения в металле получается меньше центров. Таким образом, регулируя скорость охлаждения, можно получить один и тот же металл с различной степенью крупнозерни- стости и с различными свойствами. Если зерна металла после их окончательного формирования подвергаются механич. воздействиям, напр., прокатке, штамповке и ковке, то они вытягиваются в каком-либо одном направлении; в результате получаются зерна, вытянутые в направлении механич. обработки (рис. 3). Отношение I=D?d продольного диаметра зерна к поперечному служит мерой произведенной механич. обработки металла и является характерным структурным признаком его. При очень сильной вытянутости зерен металл приобретает волокнистое строение, характеризующееся повышенными разрывными свойствами в продольном направлении и пониженными — в поперечном, что дает полную аналогию с материалами, имеющими волокнистое или слоистое строение (дерево, асбест, слюда и т. п.). Перечисленные признаки микроструктуры металлов — загрязненность неметаллическими включения Ми|ми , зернистость и вытянутость зерен — являются общими для всех без исключения металлов и всегда наблюдаются при микроскопич. изучении их. Но свойства металла определяются, гл. обр., природой составляющих его зерен, которые могут быть однофазными или двухфазными и состоять из чистых металлов, твердых растворов и химич. соединений. Поэтому при изучении микроструктуры необходимо знать природу металлич. зерен и их состав. Состав зерен определяется по диаграммам плавкости, без которых невозможно ясное понимание микроструктура сплавов (см. Сплавы); природа же зерен определяется по внешнему их виду при рассмотрении в микроскоп.

Можно различать следующие структурные элементы в металлах и сплавах:

1) чистые металлы;

2) твердые растворы;

3) химические соединения;

4) эвтектики;

5) перитектики;

6) твердые растворы с дисперсными выделениями внутри них;

7) эвтектоиды.

1) Зерна чистых металлов могут иметь как правильную, так и округлую форму. Правильная форма у этих зерен сохраняется лишь в том случае, когда кристаллы чистого металла выделяются из жидкости первыми задолго до затвердевания остающейся жидкости. При этом первичные кристаллы, не стесненные в своем росте окружающей жидкостью, развиваются правильно и в свойственной им кристаллич. форме. Примером микроструктура, содержащей первичные кристаллы чистого металла, может служить приведенная на рис. 4 и отвечающая сплаву Pb — Sb с избытком Sb. Здесь светлые правильные формы выделения — это первичные кристаллы Sb, выделявшиеся из жидкости. Последняя застыла самостоятельно в виде смеси мелких кристаллов Sb и РЬ при более низкой температуре и образовала сплошную темную массу вокруг первичных кристаллов.

2) Нередко в сплавах двух металлов задолго до окончательного их затвердевания выделяются кристаллы интерметаллического соединения этих металлов. Выделяясь из жидкого сплава, они также хорошо кристаллизуются и затем кажутся резко обособленными на фоне основной массы, состоящей из тонкой смеси этих же кристаллов и кристаллов какого- либо из входящих в сплав металлов. Микроструктура сплава с первичными кристаллами интерметаллич. соединения представлена на рис. 6, где темные вытянутые кристаллы — это соединение Cu2Sb кристаллов, а более светлый фон — смесь кристаллов Cu2Sb и Sb. Если сплав состоит из одних только кристаллов интерметаллич. соединения, то получается обычное зернистое строение, свойственное чистым металлам и твердым растворам. Вследствие хрупкости интерметаллич. соединений поверхность их часто оывает покрыта линиями сдвигов и микротрещинами.

3) Между первичными кристаллами находится металлич. масса, состоящая из смеси мелких кристаллов. Эта механич. смесь, кристаллизующаяся при определенной температуре и имеющая определенный химич. состав, носит название эвтектической смеси, или эвтектики. Эвтектика — самый легкоплавкий сплав; она получается при строго определенном составе сплава. микроструктура эвтектики была уже приведена на рис. 4, 5 и 6 в виде тонкокристаллической смеси. На рис. 7 представлена типичная эвтектика в сплаве Bi — Sn, в которой ясно различимы темные зернышки оловянного твердого раствора и светлые — висмутового.

4) Нередко случается, что первичные кристаллы чисгого металла, твердого раствора или интерметаллич. соединения, достигшие значительных размеров, вступают во взаимодействие с оставшейся жидкостью, в результате чего образуются кристаллы нового интерметаллич. соединения. Иногда первичные кристаллы растворяются до конца, но часто они сохраняются в полурастворенном состоянии, и микроструктура представляет смесь двух сортов крупных кристаллов — полурастворившихся первичных и вновь образовавшихся. Такая смесь двух сортов крупных кристаллов называется перитектикой. Она представлена на рис. 8 для сплава Fe — Zn; здесь темные кристаллы с разъеденными контурами — первичные кристаллы химич. соединения FeZn, а основная, более светлая масса — кристаллы вновь образовавшегося химического соединения FeZn.

5) Очень часто твердый раствор с понижением температуры оказывается пересыщенным в отношении растворенного металла, поэтому последний начинает выделяться из раствора. Так как этот процесс происходит в твердом состоянии и так как количество выделяющегося металла мало, то он выделяется в дисперсной форме, в виде мельчайших кристалликов внутри твердого раствора. Такая структура представлена для сплава Ni — Zn на рис. 9; здесь из твердого раствора Ni в Zn при охлаждении выделились светлые кристаллы соединения NiZn и образовали характерную микроструктуру.

6) Подобно тому, как жидкий сплав при определенном составе может распадаться на свои составные части и образовать эвтектику, так и твердый раствор может распадаться на свои составные части и образовать структуру, аналогичную эвтектике, — эвтектоид. Получающаяся смесь имеет очень тонкое строение, представленное для примера на рис. 10, где приводится микроструктура сплава Си — Zn, состоящая из одного эвтектоида. Здесь при сравнительно небольшом увеличении видны пластинчатые кристаллы двух твердых растворов (?+?) с различным содержанием Zn. Указанными типами исчерпываются структуры, наблюдаемые в сплавах. Как видно из. предыдущего перечня, только первые три однофазных структурных элемента являются основными; остальные же двухфазные структурные элементы являются комбинациями первых трех. Так, например, эвтектики могут представлять собой смеси: двух чистых металлов, двух твердых растворов, двух химич. соединений — чистого металла с твердым раствором, чистого металла с химич. соединением и твердого раствора с химич. соединением.

Перечисленные микроструктура не всегда являются типичными; часто один тип незаметно переходит в другой, нередко структурные элементы несколько искажаются во время охлаждения и теряют свои типичные черты. Но если известен состав сплавов, известна их диаграмма плавкости, то становится понятной и их микроструктура, и получается возможность отнести последнюю к тому или другому из перечисленных типов. Микроструктура сплавов имеет большое значение для качественной характеристики их свойств, способа охлаждения, термич. и механич. обработки их, а также для контроля производства изделий из этих сплавов. Поэтому изучение микроструктуры лежит в основе современного металловедения и дает руководящие сведения для правильной обработки и использования металлов и сплавов.

Макроструктура металла

Макроструктура металла (от макро... и лат. stuctura — строение), строение металла, видимое невооружённым глазом или с помощью лупы, то есть при увеличениях до 25 раз. М. изучают на плоских образцах — темплетах, вырезанных из изделия или заготовки, а также на изломах изделия. Для выявления М. поверхность темплета тщательно шлифуют, затем травят растворами кислот или щелочей. При исследовании М. можно обнаружить нарушения сплошности металла (раковины, рыхлость, газовые пузыри, расслоения, трещины и т. д.), выявить распределение примесей и неметаллических включений, форму и расположение кристаллитов (зёрен) в разных частях изделия, а иногда даже особенности строения отдельных зёрен металла (см. Металлография). Изучение М. позволяет сделать заключение о качестве заготовки и правильности ведения технологического процесса при литье, обработке давлением или сварке изделия. В некоторых случаях качество металла характеризуется видом излома, позволяющим установить, как проходит поверхность разрушения (по телу или по границам зёрен), выяснить причины разрушения и т. д.

Микроструктура

Свойства современных материалов определяются не столько химическим составом, сколько распределением составляющих компонентов. Распределение составных частей материала, т.е. пространственное распределение элементов, фаз, ориентация фаз, ориентация дефектов - всё это объединяется термином микроструктура. Даже невооружённым глазом можно заметить в металлических слитках или листах проката наличие небольших структурных блоков, целиком заполняющих пространство. Эти блоки называются зёрнами или кристаллитами, если материал является кристаллическим (металлы, минералы или керамики). Однако, эти зёрна обычно очень малы. Воздействуя на поверхность специальным образом (полировкой и химическим травлением), можно сделать зернистую структуру видимой в оптическом микроскопе. Металлографические исследования с помощью оптического микроскопа составляет важный этап описания материалов и носит название оптической металлографии. Микроструктура материала, наблюдаемая в оптическом микроскопе, представляет собой зернистую структуру макроскопически и химически различных фаз. Оптический микроскоп даёт грубое описание микроструктуры материала. При высоком разрешении в электронном микроскопе видно, что области, казавшиеся гомогенными, обладают микроструктурой, т.е. микроструктурными дефектами. К ним относятся дислокации, а также высокодисперсные включения примесных фаз.

Для полного описания микроструктуры необходима информация о фазовом составе. Нужно знать их объёмные доли, как пространственное распределение, так и распределение по размеру зёрен. Следует различать случаи, в которых содержание второй фазы сопоставимо с содержанием основной фазы (матрицы), и случаи, когда содержание примесных фаз невелико и составляет доли процента. В частности, исследования механических свойств показывают, что при малом количестве примесей они влияют на свойства основной фазы (размер и форму частиц), а при значительном количестве второй фазы свойства материала определяются свойствами обоих фаз. В зависимости от морфологических особенностей фаз выделяют несколько характерных типов микроструктуры. Если обе фазы характеризуются сходным распределением частиц по форме и размеру, которые хорошо разделены между собой, то такая структура называется дуплексной. Если межфазные границы параллельны кристаллографическим плоскостям (образец выглядит как плетёная корзина)- эта микроструктура называется видманштеттеновской. Микроструктуры мартенситного типа имеют пластинчатую форму. Нередко вторые фазы выделяются преимущественно на границах нескольких зёрен в точках и тройных контактов, например, при прерывистом осаждении. Если на микрофотографии присутствуют в основном такие включения второй фазы, то это дуальная микроструктура. Очень чёткие фотографии микроструктуры наблюдаются в застывших сплавах. Пример такого типа - эвтектические сплавы, где обе фазы присутствуют в виде ламелей, параллельных друг другу.

Марка

сталь 20

Тип сплава:

Стали

Травитель:

3% р-р азотной кислоты в спирте

Обработка:

Охлаждение на воздухе после горячей прокатки.

Твердость (HB, ГПа):

1.12

Основа:

Fe

Компоненты:

C (0.2 масс%)

Структурные составляющие:

феррит , перлит

Субструктура:

Однородная светлая (нет субструктуры)

Форма включений:

Зерна или глобули

Размер изображения (ориг.), пикс:

897

Размер изображения (ориг.), мм:

0.78

Апертура:

0.17

Предел разрешения микроскопа, мкм:

1.47 (Размер минимального объекта видимого в микроскоп)

Предел разрешения фотографии, мкм:

0.87 (Размер минимального объекта видимого на фотографии)

Описание:

Полосчатая структура в стали после горячей деформации. Шлиф с боковой поверхности (направление прокатки горизонтально относительно фото; обжатие при прокатке - вертикально). Избыточный феррит (матрица) и перлит (темный).

Марка

сталь 60

Тип сплава:

Стали

Травитель:

3% р-р азотной кислоты в спирте

Обработка:

отжиг

Твердость (HB, ГПа):

1.72

Основа:

Fe

Компоненты:

C (0.6 масс%)

Структурные составляющие:

феррит , перлит

Субструктура:

Однородная светлая (нет субструктуры)

Форма включений:

Зерна или глобули

Размер изображения (ориг.), пикс:

960

Размер изображения (ориг.), мм:

0.32

Апертура:

0.4

Предел разрешения микроскопа, мкм:

0.63 (Размер минимального объекта видимого в микроскоп)

Предел разрешения фотографии, мкм:

0.33 (Размер минимального объекта видимого на фотографии)

Описание:

Избыточный феррит (матрица), выделявшийся в виде сетки по границам зерен аустенита и темный перлит, образовавшийся из оставшегося аустенита.

Марка

ВЧ 60-5

Тип сплава:

Чугуны

Травитель:

3% р-р азотной кислоты в спирте

Обработка:

литье

Твердость (HB, ГПа):

нет данных

Основа:

Fe

Компоненты:

C (3.4 масс%)

Структурные составляющие:

графит глобулярный , перлит

Субструктура:

Полосчатая (подобная перлиту)

Форма включений:

Зерна или глобули

Размер изображения (ориг.), пикс:

960

Размер изображения (ориг.), мм:

0.32

Апертура:

0.4

Предел разрешения микроскопа, мкм:

0.63 (Размер минимального объекта видимого в микроскоп)

Предел разрешения фотографии, мкм:

0.33 (Размер минимального объекта видимого на фотографии)

Описание:

Высокопрочный серый чугун на ферритно-перлитной металлической основе. Модифицирование магнием. Глобулярные включения графита (черный) окруженные слоем феррита (светлый) в темной перлитной матрице.

Марка

СЧ 30

Тип сплава:

Чугуны

Травитель:

3% р-р азотной кислоты в спирте

Обработка:

литье

Твердость (HB, ГПа):

нет данных

Основа:

Fe

Компоненты:

C (3.4 масс%)

Структурные составляющие:

графит крабовидный , перлит , эвтектика

Субструктура:

Полосчатая (подобная перлиту)

Форма включений:

Пограничная сетка

Размер изображения (ориг.), пикс:

960

Размер изображения (ориг.), мм:

0.32

Апертура:

0.4

Предел разрешения микроскопа, мкм:

0.63 (Размер минимального объекта видимого в микроскоп)

Предел разрешения фотографии, мкм:

0.33 (Размер минимального объекта видимого на фотографии)

Описание:

Серый чугун на перлитной металлической основе с фосфидной эвтектикой. Темно-серые включения крабовидного (пластинчатого) графита в перлитной матрице (цвета тонких пленок на окисленном шлифе окрашивают перлит). В верхней части видны участки тройной фосфидной эвтектики, закристаллизовавшиеся в последнюю очередь и расположенные на стыках зерен бывшего аустенита.

Марка

КЧ 35-10

Тип сплава:

Чугуны

Травитель:

3% р-р азотной кислоты в спирте

Обработка:

графитизирующий отжиг в 2 стадии

Твердость (HB, ГПа):

нет данных

Основа:

Fe

Компоненты:

C (3.2 масс%)

Структурные составляющие:

феррит , графит хлопьевидный

Субструктура:

Однородная светлая (нет субструктуры)

Форма включений:

Иные

Размер изображения (ориг.), пикс:

960

Размер изображения (ориг.), мм:

0.32

Апертура:

0.4

Предел разрешения микроскопа, мкм:

0.63 (Размер минимального объекта видимого в микроскоп)

Предел разрешения фотографии, мкм:

0.33 (Размер минимального объекта видимого на фотографии)

Описание:

Ковкий чугун на ферритной металлической основе. Хлопьевидные включения графита (темно-серые) в ферритной матрице.

Марка

СЧ 10

Тип сплава:

Чугуны

Травитель:

3% р-р азотной кислоты в спирте

Обработка:

литье

Твердость (HB, ГПа):

нет данных

Основа:

Fe

Компоненты:

C (2.5 масс%) , Si (2.5 масс%)

Структурные составляющие:

феррит , графит крабовидный

Субструктура:

Однородная светлая (нет субструктуры)

Форма включений:

Разветвленные

Размер изображения (ориг.), пикс:

801

Размер изображения (ориг.), мм:

0.35

Апертура:

0.3

Предел разрешения микроскопа, мкм:

0.83 (Размер минимального объекта видимого в микроскоп)

Предел разрешения фотографии, мкм:

0.44 (Размер минимального объекта видимого на фотографии)

Описание: