Теория.

Микроанализ структуры (строения) металла или сплава осуществляют с помощью микроскопа на специально приготовленных образцах – микрошлифах. Приготовление микрошлифа заключается в правильном вырезании образца из исследуемого металла, получении на нем плоской и блестящей поверхности и выявлении структуры металла.

Микрошлифы, как правило, изготавливают небольших размеров, например, в виде куба с ребром 10 мм или цилиндрических шайб диаметром 10-15 мм и высотой 10 мм. Если образцы небольших размеров (проволока, тонкие листы и т.д.), то для приготовления шлифа их заливают легкоплавкими материалами (сплав Вуда, серу, полистирол и т.д.).

Из мягких материалов образцы вырезают пилой, фрезой, резцом и т.п., при значительной твердости металла – карборундовыми или вулканитовыми кругами. В процессе вырезания металл необходимо охлаждать, чтобы избежать нагревания образца, а, следовательно, и изменения в его структуре. Если материал хрупкий, образец сначала отбивают молотком, а затем готовят шлиф.

Для правильного определения структуры исследуемого материала большое значение имеет выбор места, из которого отбирают образец, и той поверхности, по которой проводят шлифование. Микроструктуру литых металлов (в фасонных отливках) проверяют в различных сечениях (от максимальных до минимальных), поскольку скорость охлаждения в процессе кристаллизации для них будет неодинаковой, а структура большинства сплавов определяется именно скоростью охлаждения. Плоскость шлифования, как правило, выбирают перпендикулярно поверхности отвода тепла.

При исследовании пластически деформированных изделий (после ковки или штамповки) образец отбирают в местах максимальной деформации (сложной гибки или большой вытяжки), а также в недеформированных участках. В этих случаях структура исследуется в направлении течения металла.

Структуру термически обработанных сплавов проверяют как в поверхностных, так и в более глубоких слоях детали, в соответствии, с чем и готовят образцы.

 

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ШЛИФА.

 

Поверхность образца, по которой проводится металлографическое исследование, подвергают специальной обработке, состоящих из следующих операций: предварительное получение плоской поверхности, шлифование этой поверхности, полирование, травление.

Плоскую поверхность образца получают опиловкой напильником (для мягких материалов) или заточкой на абразивном круге (для более твердых материалов). Затем образец подвергают шлифованию наждачной бумагой, помещенной на плоском основании (обычно на стекле), с постепенным переходом от бумаги с крупным зерном абразива к бумаге с более мелким зерном. Причем шлифование бумагой одного номера проводится только в одном направлении, при переходе к бумаге следующего номера для уничтожения предыдущих рисок направление шлифования меняется на 90⁰С. Не следует делать резкого перехода с грубой шлифовки на мягкую, так как при этом ошлифованный металл и абразив заполняют впадины на поверхности образца, и создается ложное впечатление о хорошем качестве шлифа.

Шлифовка может проводиться также на специальных станках с закрепленной на вращающихся дисках или лентах шлифовальной бумагой.

При шлифовке мягких металлов наждачную бумагу рекомендуется смачивать керосином, а при обработке цветных металлов – покрывать ее тонким слоем парафина, чтобы избежать внедрения более твердых частиц абразива в металл.

После шлифовки образец тщательно очищают от абразива (промывкой водой или обдувкой воздухом) и подвергают полировке. Применяют механический, химико-механический и электрохимический способы полировки.

Механическое полирование проводят на вращающемся круге с натянутым мягким материалом (фетром, бархатом, сукном), который смачивают взвесью высокодисперсных частиц абразивных веществ (окись алюминия, окись хрома, окись железа и т.д.) в воде. Полирование заканчивают, когда поверхность приобретает зеркальный блеск.

При химико-механическом полировании в состав полирующей смеси вводят химически активные вещества, ускоряющие процесс полирования.

Электрохимическое полирование проводят в электролитической ванне, присоединяя образец к положительному полюсу – аноду. Состав электролита, материал пластины катода и плотность тока на аноде (образце) будут зависеть от полируемого материала. При пропускании тока все неровности, оставшиеся после шлифовки, растворяются. Затем поверхность рассматривают под микроскопом для оценки чистоты металла (проверки наличия неметаллических включений) и качества полировки.

С целью выявления полной микроструктуры образец подвергают травлению. Сначала поверхность шлифа обезжиривают спиртом, а затем погружают в травитель. Травление заключается во взаимодействии поверхности металла с химически активными растворами. Вследствие неодинакового значения электрохимического потенциала, взаимодействие отдельных зерен или фаз с реактивом различно. Это и позволяет определить структуру.

Для травления шлифов применяют разнообразные реактивы. Так, железоуглеродистые сплавы травят 4-5%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте, высоколегированные стали – царской водкой (3 части соляной кислоты + 1 часть азотной кислоты) и т.д.

Если после травления поверхность сохранила блестящий вид (поверхность недотравлена), то проводят дополнительное травление, если поверхность оказывается темной (поверхность перетравлена), шлиф вновь подвергают полировке, а затем травлению.

 

УСТРОЙСТВО МИКРОСКОПА

 

Для микроскопического исследования структуры металлов используют металлографические микроскопы, которые позволяют рассматривать предметы в отраженном свете. Промышленностью выпускаются металломикроскопические микроскопы вертикальные (МИМ-6, МИМ-7) и горизонтальные (МИМ-8) с увеличением до 2000 раз.

 

Микроскопы состоят из оптической системы, осветительного устройства и механической системы (рис.2.1)

Рис.2.1 Микроскоп 1-окуляр,2-предметный столик,3-микровинт,4-макровинт,5-источник света.

 

В оптическую систему входят объектив, окуляр, зеркало, призма. Объектив представляет собой систему линз в металлической оправе, обращенных к рассматриваемому объекту. Он дает обратное увеличенное действительное изображение объекта. Окуляр – это система линз, размещенных в одной оправе и обращенных к глазу наблюдателя. Окуляры исправляют оптические дефекты и дают мнимое увеличенное изображение, полученное объективом. Общее увеличение, которое дают микроскопу совместно объектив и окуляр при визуальном наблюдении, равно произведению величин увеличения объектива и окуляра. Увеличение окуляров и объективов указывают на их металлических оправах и в таблицах, проводимых в описаниях микроскопа.

 

Освещение микрошлифа проводится через объектив осветительным устройством, состоящим из источника света, серии линз, светофильтров и диафрагм. В качестве источника света используют низковольтные электрические лампы накаливания, а при фотографировании – лампы с напряжением 110-120 В переменного или постоянного тока. При визуальном наблюдении рекомендуется применять желто-зеленые фильтры, наиболее чувствительные для глаза человека.

 

В металлографическом микроскопе можно создать вертикальное освещение (наблюдение в светлом поле) или косое освещение микрошлифа (наблюдение в темном поле), можно исследовать структуру также в поляризованном свете, и при волновых колебаниях света в одной определенной плоскости.

 

Получение четкого изображения микроструктуры обеспечивается механической системой микроскопа, которая состоит из корпуса, предметного столика, макро- и микровинтов и тубуса. На предметный столик помещают шлиф исследуемой поверхностью вниз. Столик может перемещаться по взаимно перпендикулярным направлениям, позволяя рассмотреть структуру различных участков шлифа без изменения, выбранного фокусного расстояния. Для грубой настройки на фокус используют макровинт. При его вращении в поле зрения получают изображение структуры. Точная фокусировка производится поворотом этого винта не более чем на один, пол-оборота в ту или иную сторону.