9.3. Травление.

Изучение микроструктуры начинают с рассмотрения шлифа в нетравленом виде, т.е. после полирования и промывки. В этом случае в поле зрения микроскопа можно заметить небольшие темные участки. Это могут быть либо неметаллические включения либо микропоры. После этого шлиф подвергают травлению.

Травление применяется с целью выявить различные параметры структуры (зернистость), оценить распределение фаз, ориентировку зерен, признаки пластической деформации, распределение легирующих элементов.

В настоящее время применяется обычное и пленочное травление.

При обычном травлении подбирается такой реактив, чтобы вытравливалась одна из фаз, вступая в химическую реакцию с травителем. В сталях это обычно карбиды. Непротравленная фаза остается на поверхности. При исследовании на металлографическом микроскопе падающий на образец свет отражается под разными углами, показывая картину фазового состава.

Пленочное травление основано на возможности получения на поверхности шлифа тонких пленок окислов или осадков сложного химического состава. При всех способах нанесения пленки образуются избирательно, т.е. не одновременно на всех элементах структуры, а последовательно во времени с разной толщиной. Образование пленок разной длины приводит к изменению отражательной способности отдельных фаз, т.е. пленки разной толщины будут отражать из падающего на них белого света колебания с волнами определенной длины. Цвет отражающихся лучей вследствие этого изменяется, и пленка кажется цветной.

Существует три способа получения пленок: химическое травление (в горячих растворах сильных окислителей); электролитическое травление (в электролитах, которые при взаимодействии с металлом образуют комплексные соединения или соли); «тепловое травление» (под действием кислорода воздуха при высоких температурах, не нарушающих существующую структуру).

9.4. Микроанализ сталей

1. Техническое железо. Феррит. Содержание углерода меньше 0,006%. Главным образом техническое железо состоит из феррита (твердый раствор внедрения углерода в α-железо, ОЦК-решетка). Предел прочности 27-39 кГ/мм²; предел упругости 14-16 кГ/мм²; твердость по Бринеллю 70-80 кГ/мм²; относительное удлинение 45-50%; относительное сужение 45-80%. Отличается большой пластичностью, поэтому чистые сорта технического железа применяются для холодной штамповки и для изготовления кровельного железа. Феррит встречается как фаза и структурная составляющая в сталях и чугунах. Под микроскопом феррит виден как светлые округлые зерна (рис. 9.1).

Характеристики травления зависят от присутствия в твердом растворе фосфора, марганца, кремния, наличия шлаковых включений.

2. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо, ГЦК-решетка. В углеродистых сталях при температуре 727 ⁰С аустенит распадается на феррито-цементитную смесь. При комнатных температурах аустенит встречается лишь в легированных сталях (марганцовистой, хромоникелевой, никелевой и др.). Под металлографическим микроскопом аустенит виден как отдельные светлые зерна с двойниковым строением (рис. 9.2). Аустенит парамагнитен, вязок и пластичен. Твердость при содержании углерода 0,8% – 200 кГ/мм².

Рис. 9.1. Микроструктура технического железа (феррита).

Рис. 9.2. Микроструктура аустенита

3. Цементит – химическое соединение Fe₃C. Кристаллическая решетка – сложная орторомбическая. Цементит отличается большой твердостью и хрупкостью. Под металлографическим микроскопом имеет светлый блестящий вид. Существует первичный, вторичный и третичный цементиты. Первичный цементит встречается только в белых чугунах и образовывается из жидкости. Вторичный цементит встречается во всех железоуглеродистых сталях и образовывается в процессе перекристаллизации аустенита. Третичный встречается только в доэвтектоидных сталях как избыточная фаза при остывании чистого феррита. Он встречается в виде фаз и структурных составляющих во всех железоуглеродистых сплавах: в сталях в виде сетки как фаза и темных пластин в составе перлита как структурная составляющая, в белых чугунах – как фаза в виде белых пластин, толщина которых зависит прямо пропорционально от содержания углерода в чугунах. Чугуны с максимальным содержанием карбида железа не применяются в виду их повышенной хрупкости. Применяются лишь чугунные отливки с отбеленной поверхностью со структурой белого чугуна на глубине 2–25 мм.

4. Нормализованные и отожженные углеродистые стали. Микроструктура меняется в зависимости от содержания углерода. При содержании углерода от 0,006 до 0,02% она состоит из крупных светлых зерен феррита и темной мелкой сетки по его границам (рис. 9.1); от 0,02 до 0,8% – при увеличении х100-200 состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита – эвтектоида (рис. 9.3), который является механической смесью феррита и цементита (карбида железа), выявляющейся при увеличении до х2000 и имеющей мелкодисперсную пластинчатую структуру; при содержании углерода ровно 0,8% микроструктура стали состоит из зерен перлита (рис. 9.4); от 0,8 до 2,14% – из темных зерен перлита и светлой крупной сетки цементита (рис. 9.5). Нормализованные и отожженные стали отличаются размером зерен, т.е. дисперсностью, из-за разных скоростей охлаждения.

Рис. 9.3. Микроструктура доэвтектоидной стали. Феррит (светлый) + перлит (темный).

Рис. 9.4. Микроструктура эвтектоидной стали. Перлит (светлый феррит + темный цементит)

Рис. 9.5. Микроструктура заэвтектоидной стали. Перлит (темный) + цементит (светлый). Травление 4% раствором азотной кислоты

5. Закаленные и отпущенные углеродистые стали.

При высоких температурах углеродистые стали состоят из аустенита, который при быстром охлаждении перестраивается в мартенсит. Выявляются взаимно пересекающиеся пачки вытянутых параллельных между собой игл (игольчатое строение). Медленное охлаждение закаленных мартенситных углеродистых сталей (отпуск) вызывает появление троостита или сорбита отпуска, которые отличаются от сорбита и троостита закалки зернистым строением цементита.

6. Легированные стали содержат те же структурные составляющие, что и углеродистые, но они имеют дополнительные фазы (карбиды и сульфиды в марганцевых сталях, карбиды хрома в хромистых и т.д.), присутствующих в виде мелких однородно распределенных твердых частиц.