Исследование микрошлифов
Изучение микроструктуры начинается с анализа нетравленных микрошлифов для выявления неметаллических включений, пор, раковин,трещин и др. дефектов. Неметаллические включения обладают меньшей отражательной способностью по сравнению с металлической основой и поэтому выглядят темными на светлом фоне (рис. 2.3).
Характер расположения и количество неметаллических включений оценивается в соответствии с ГОСТ 1778-70 по пятибалльной шкале. На нетравленных шлифах сталей, полученных прокаткой, в результате горячей обработки давлением хрупкие оксиды разрушаются и приобретают вид изолированных осколочных включений, располагающихся цепочками (рис. 2.3, а). Пластичные сульфиды при прокатке вытягиваются в направлении деформационного течения металла, принимая продолговатую щелевидную форму (рис. 2.3, б). Такие включения наиболее опасны, так как создают высокую концентрацию напряжений, приводящую к снижению механических характеристик, особенно пластичности и вязкости.
На микрошлифах после травления можно наблюдать один вид зерен, характеризующих однородную структуру (рис.2.4, а), либо несколько, например два вида зерен (рис.2.4,б), т.е. неоднородную структуру.
а) б)
Рис. 2.3. Неметаллические включения (х135, нетравлено):
а) – хрупкие, б) – пластичные
а) б)
Рис. 2.4. Микроструктуры сплавов (х135, травлено):
а ) – из одного вида зёрен, б) – из двух видов зёрен
Размер зерна сплавов, который оказывает значительное влияние на их механические и технологические характеристики, оценивается по ГОСТ 5639-82 сравнением с эталонной шкалой схематических структур. Крупнозернистая структура (зерно № 1 и 2) имеет пониженные механические свойства, с уменьшением размера зерна от № 3 до 5 повышается твердость и прочность, но снижается пластичность. Дальнейшее измельчение зёрен (до №8) приводит к повышению как прочности, так и пластичности.
План составления отчета
1. Указать цели микроанализа и кратко описать методику его проведения.
2. Описать технологию приготовления микрошлифа.
3. Зарисовать и описать схемы отражения света от различных поверхно- стей микрошлифов.
4. Изучить принцип работы металлографического микроскопа МИМ-7 и зарисовать его оптическую схему.
5. Зарисовать и описать схемы микроструктур до и после травления шлифов.
6. Сделать выводы о влиянии неметаллических включений и величины зерна на свойства металлов и сплавов.
Лабораторная работа № 3
АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ
СПЛАВОВ
Цель работы: ознакомиться с принципом построения диаграмм состояния, их видами, типами сплавов, их структурой, свойствами и областью применения.
План работы
1. Выполнить анализ диаграмм состояния двойных сплавов Рb - Sb и Сu-Ni.
2. Построить кривые охлаждения заданных сплавов, описать процесс кристаллизации, используя правило фаз и отрезков.
3. Исследовать микроструктуры сплавов смесей и твердых растворов.
4. Описать причины возникновения, и способы предотвращения и устранения дендритной ликвации в сплавах.
5. Обосновать применение различных сплавов с учетом их химического состава, структуры и свойств.
Пояснения к работе
Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. По оси абсцисс откладывается состав сплава, выраженный в процентах, а по оси ординат – температура. Каждая точка диаграммы отвечает конкретному составу при данной температуре и соответствует определенному состоянию.
Для построения диаграмм состояния используется ряд различных анализов, основным из которых является термический.
Термический анализ базируется на экспериментальном построении кривых охлаждения в координатах «температура – время» (рис.3.1). У металлов и сплавов фазовые превращения, например кристаллизация, в результате термического эффекта происходят с выделением скрытой теплоты, что сказывается на скорости изменения температуры сплава при его охлаждении. Поэтому на кривых охлаждения образуются перегибы или горизонтальные площадки, которые соответствуют критическим точкам.
Критические точки – температуры, при которых в сплаве начинаются или завершаются те или иные превращения (изменяется агрегатное состояние, либо структура в пределах одного агрегатного состояния).
Чистые металлы и особые сплавы (например, эвтектика) кристаллизуются с выделением тепла, которое полностью компенсирует теплоотвод в окружающее пространство. Поэтому температура во время кристаллизации остается постоянной, а после завершения процесса – вновь снижается. Таким образом, на кривой охлаждения имеется одна критическая точка в виде температурной остановки (рис. 3.1, сплавы 1, 3 и 6).
На кривых охлаждения остальных сплавов наблюдаются две критические точки, определяющие интервал температур начала и конца кристаллизации (рис. 3.1, сплавы 2, 4 и 5).
На рис. 3.1 приведен пример построения диаграммы состояния сплава системы А – В. На кривых охлаждения, построенных для множества сплавов с
различной концентрацией компонентов, отмечают критические точки, которые переносят на координатную сетку диаграммы состояния. Соединив точки начала и конца кристаллизации, получают две характерные линии диаграммы, называемые ликвидус и солидус (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Построение диаграммы состояния по кривым охлаждения и
пример использования правила отрезков
Ликвидус (от лат. liguidus «жидкий») – линия, выше которой сплав находится в жидком состоянии, т.е.линия температур начала кристаллизации при охлаждении и конца плавления при нагреве.
Солидус (от лат. solidus «твердый») – линия, ниже которой сплав находится в твердом состоянии, т.е. линия температур конца кристаллизации при охлаждении и начала плавления при нагреве.
Анализ диаграммы состояния сплава осуществляется с помощью правил фаз и отрезков. Для усвоения этих правил и проведения анализа необходимо знать следующие понятия и определения.
Сплав — сложное вещество, полученное в результате сплавления двух или более компонентов.
Компонент — составляющая сплава, которой могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.
Система — совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях, при известных условиях (температуре и давлении), занимающая определенный объем. Системы, состоящие из одного химического элемента или соединения, называют простыми, а из нескольких — сложными.
Эвтектика (от греч. eutektos «легкоплавкий») – сплав определенного состава с наименьшей температурой плавления, кристаллизующийся при постоянной температуре и представляющий собой мелкозернистуюсмесь нескольких фаз.
Фаза — однородная внутри себя часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую строение и свойства меняются скачком.
Число степеней свободы (вариантность) системы — число внешних (температура и давление) и внутренних (концентрация) факторов, которые можно изменять без изменения числа равновесных фаз в системе.
Правило фаз (закон Гиббса) устанавливает математическую зависимость между числом степеней свободы, количеством фаз и числом компонентов для системы, находящейся в равновесном состоянии. Это правило выражается уравнением
С = К – Ф + 2,
где С — число степеней свободы;
К — число компонентов;
Ф — число фаз;
2 — количество внешних факторов равновесия (температура и давление). Так как обычно превращения в сплавах происходят практически при постоянном давлении (P = const), уравнение правила фаз принимает вид:
С = К – Ф + 1.
Если число степеней свободы С = 0 — система безвариантна, т.е. сплав из данного числа фаз может существовать только в неизменяемых условиях: при постоянной температуре и определенном составе всех фаз, находящихся в рав-
новесии. Это значит, что кристаллизация (или др. превращения) начинается и заканчивается при постоянной температуре. Изменение внутреннего или внешнего фактора в данном случае вызывает изменение фазового состава.
Если число степеней свободы С = 1 — система одновариантна. При этом изменение в некоторых пределах одного из факторов равновесия не вызывает изменения числа фаз. Фазовые превращения, происходящие в этих условиях, протекают при пониженной скорости охлаждения.
Если число степеней свободы С = 2 — система двухвариантна, что позволяет изменять оба фактора равновесия без изменения числа фаз. Скорость охлаждения при этом наибольшая, так как превращений в сплаве не происходит.
Правило отрезков (правило рычага) позволяет определять фазовый состав, концентрацию фаз и их количественное соотношение. Для этого через точку, соответствующую сплаву с определенной концентрацией и температурой, проводят коноду* – горизонтальный отрезок, соединяющий точки на линиях, ограничивающих данную область диаграммы состояния.
*Конода (лат. приставка co… «соединение» + лат. nodus «узел») – отрезок, соединяющий узловые точки диаграммы состояния.
Крайние точки отрезка, называемые нодами (от лат. nodus «узел»), указывают на наличие и вид фаз, а проекции этих точек на ось концентрации характеризуют состав фаз. Длины отрезков коноды между точкой сплава и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
На рис. 3.1 приведен пример использования правила отрезков для
сплава №5 состава (А + 75% В) в состоянии точки «k», через которую проводят коноду «lm». Ее конечные точки «l» и «m», относящиеся одновременно к области жидкого раствора слева и к 100% кристаллов компонента В (правый край диаграммы), указывают фазовый состав сплава в точке «k»; Ж + В.
Опустив из этих точек перпендикуляры на ось концентраций определяют состав жидкой фазы, соответствующий проекции точки «l», что составляет 45% компонента В, и твердой фазы, соответствующий проекции точки «m», т.е. 100% В.
Количественное соотношение фаз определяют из условия равновесия коноды «lm», представленной в виде рычага с опорой в точке исследуемого сплава «k» (рис. 3.2). На его конечные точки «l» и «m» действуют силы Qж и Qтв, соответствующие количествам жидкой и твердой фаз.
l k m
Qж |
Qтв |
Рис.3.2. Система равновесия для определения
количественного соотношения фаз
Равновесие рычага «lm» устанавливается равенством моментов сил относительно точки опоры «k» иопределяется отношением
Qж . kl = Qтв . km.
Из этого следует, что соотношение количества фаз обратно пропорционально отрезкам, прилегающим к точкам, определяющим состав этих фаз. Например, отношение количества твердой фазы Qтв к количеству жидкой фазы Qж обратно пропорционально отношению прилегающих отрезков kl и km
Qтв ∕ Qж= kl ∕ km.
Если требуется определить долю твердой (или жидкой) фазы во всем сплаве Qспл , то соотношение будет иметь следующий вид
Qтв ∕ Qспл= kl ∕ lm.
Сплавы после кристаллизации и других фазовых превращений в процессе охлаждения приобретают окончательную (рабочую) структуру. В зависимости от ее характера все сплавы подразделяют на четыре типа:
I - сплавы смеси;
II - сплавы твердые растворы с неограниченной растворимостью компонентов;
III - сплавы твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов;
IV - сплавы, образующие устойчивые химические соединения.
Сплавы смеси – это сплавы, компоненты которых неограниченно растворяются в жидком состоянии, а в твердом состоянии не взаимодействуют друг с другом и представляют собой смесь кристаллов двух компонентов.
Сплавы твердые растворы образуются, когда атомы одного компонента размещаются в кристаллической решетке другого в произвольных количественных соотношениях. Они делятся на твердые растворы замещения, которые образуют металлы с металлами, и твердые растворы внедрения, образуемые металлами с неметаллами.
Устойчивое химическое соединение в сплаве образуется в строго определенном соотношении компонентов, атомы которых создают новую кристаллическую решетку, обладающую новыми свойствами.