Материаловедение. Методы анализа структуры и свойств металлов и сплавов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 

МЕТОДЫ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ  
И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Учебное пособие 

Красноярск 
СФУ 
2018

УДК 669.017(07)+620.18(07)
ББК  34.2я73
М341

Р е ц е н з е н т ы: 
Н. М. Романченко, канд. техн. наук, доцент кафедры общеинженерных дисциплин ФГБОУ ВО Красноярского государственного 
аграрного университета;
Т. А. Богданова, канд. техн. наук, начальник металлургического отдела ООО «КиК», г. Красноярск

М341 
 
Материаловедение. Методы анализа структуры и свойств 
металлов и сплавов : учеб. пособие / Т. А. Орелкина, Е. С. Лопатина, Г. А. Меркулова, Т. Н. Дроздова, А. С. Надолько ; под ред. 
Т. А. Орелкиной. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2018. – 214 с.

ISBN 978-5-7638-3936-4

В учебном пособии приведены теоретические положения по методам макро- и микроскопического анализа структуры и твердости металлов и сплавов. 
Рассмотрены диаграммы фазового равновесия с анализом фазовых и структурных превращений и количественный металлографический анализ черных 
и цветных сплавов. Представлены новые технологии приготовления образцов 
для металлографических исследований; рассмотрено современное оборудование, используемое для изучения структуры металлов и сплавов и измерения 
твердости, обобщены сведения по макроанализу дефектов структуры слитков, 
отливок и полуфабрикатов.
Предназначено для студентов бакалавриата направлений подготовки: 
22.03.02 «Металлургия», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», 
а также рекомендовано для студентов, обучающихся по специальности 21.05.04 
«Горное дело», специализация 21.05.04.06 «Обогащение полезных ископаемых». 

Электронный вариант издания см.: 
УДК 669.017(07)+620.18(07)

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 34.2я73

ISBN 978-5-7638-3936-4 
© Сибирский федеральный
университет, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ................................................................................................6
1. Подготовка образцов для микроскопического анализа ................8
1.1. Отрезка и запрессовка образцов  ...................................................8
1.2. Шлифование ................................................................................. 11
1.3. Полирование ................................................................................. 14
1.4. Выявление микроструктуры........................................................ 16
Лабораторная работа ........................................................................... 21
Контрольные вопросы и задания ....................................................... 26
Литература ........................................................................................... 27

2. Микроскопический анализ металлов и сплавов ........................ 29
2.1. Классификация световых микроскопов ..................................... 29
2.2. Конструкция световых микроскопов .......................................... 30
2.3. Основы оптики микроскопического анализа ............................. 32
2.4. Разрешающая способность светового микроскопа ................... 35
2.5. Классификация объективов светового микроскопа .................. 39
2.6. Аберрации оптических систем .................................................... 40
2.7. Методы контрастирования в световых микроскопах  ............... 42
2.8. Устройство микроскопа Axiovert 40 MAT, Carl Zeiss ................ 46
Лабораторная работа  .......................................................................... 50
Контрольные вопросы и задания ....................................................... 52
Литература ........................................................................................... 53

3. Макроскопический анализ  ............................................................. 54
3.1. Поверхностные дефекты слитков и полуфабрикатов ............... 55
3.2. Виды изломов и их характеристики ........................................... 59
3.3. Макроструктура сталей и алюминиевых сплавов ..................... 66
Лабораторная работа ........................................................................... 75
Контрольные вопросы и задания ....................................................... 79
Литература ........................................................................................... 80

4. Диаграммы двухкомпонентных систем. Микроструктура  
твердых растворов, эвтектик и промежуточных фаз ................. 81
4.1. Строение металлов и сплавов. Типы фаз ................................... 81
4.2. Твердые растворы ......................................................................... 85
4.3. Промежуточные фазы .................................................................. 98

Оглавление

4.4. Диаграммы состояния эвтектического типа.  
Эвтектическая кристаллизация, строение эвтектики ............. 103
4.5. Диаграммы состояния перитектического типа.  
Кристаллизация, структура сплавов ........................................ 115
4.6. Диаграммы состояния систем с полиморфными  
превращениями компонентов ................................................... 119
Лабораторная работа  ........................................................................ 121
Контрольные вопросы и задания ..................................................... 124
Литература ......................................................................................... 126

5. Диаграмма железо-углерод. Фазовые и структурные  
превращения в сталях и чугунах ................................................. 128
5.1. Фазовые превращения и структура сталей .............................. 128
5.2. Фазовые превращения и структура чугунов ............................ 134
Лабораторная работа  ........................................................................ 140
Контрольные вопросы и задания ..................................................... 142
Литература ......................................................................................... 143

6. Количественный металлографический анализ  
цветных сплавов и сталей ............................................................. 144
6.1. Методы определение размера зерна ......................................... 144
6.2. Метод определения величины зерна сравнением  
с эталонными шкалами ............................................................. 148
6.3. Определение величины зерна методом подсчета зерен .......... 149
6.4. Методы подсчета пересечений границ зерен  
(метод случайных секущих). Метод измерения длин хорд ... 152
6.5. Определение количественных характеристик  
структуры алюминиевых сплавов  ........................................... 155
6.6. Определение объемной доли фаз  
или структурных составляющих в сплаве .............................. 156
6.7. Обработка результатов эксперимента....................................... 161
Лабораторная работа ......................................................................... 163
Контрольные вопросы и задания ..................................................... 171
Литература ......................................................................................... 172

7. Испытание на твердость .................................................................. 174
7.1. Метод измерения твердости по Бринеллю .............................. 175
7.2. Метод измерения твердости по Роквеллу ................................ 178
7.3. Метод измерения твердости по Виккерсу ................................ 181

Оглавление

7.4. Метод измерения микротвердости. Динамические методы  
измерения твердости ................................................................. 182
Лабораторная работа ......................................................................... 183
Контрольные вопросы и задания  .................................................... 190
Литература ......................................................................................... 192

Заключение ............................................................................................. 193
Термины и определения ...................................................................... 194
Приложения ........................................................................................... 205

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебном пособии «Материаловедение. Методы анализа структуры и свойств металлов и сплавов» систематизированы сведения по 
методикам макро- и микроструктурных исследований с использованием 
современного оборудования. Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС ВО по направлению подготовки «Металлургия» и рабочим 
программам дисциплины «Материаловедение» при обучении бакалавров дневной и заочной формы обучения и предназначено для закрепления студентами лекционного материала, подготовки к практическим 
и лабораторным занятиям и для выполнения самостоятельной работы. 
Пособие предусматривает расширение теоретических знаний по дисциплине «Материаловедение» и приобретение практических навыков 
в области материаловедения сталей, чугунов и цветных сплавов. Учебное 
пособие состоит из двух частей: теоретической, которая является дополнением к лекционному курсу, и практической. 
Теоретическая часть учебного пособия дает представление о современных методиках в области материаловедения, содержит сведения 
по дефектам отливок, слитков и деформированных полуфабрикатов из 
сталей и алюминиевых сплавов. В издании изложены основы микроструктурного анализа; рассмотрены фазовые превращения, протекающие в черных и цветных металлах и сплавах; показано влияние неравновесных условий кристаллизации на структуру, дано описание методов 
количественной металлографии, приведены характеристики нового 
оборудования для определения твердости материалов.
Практическая часть пособия содержит описание лабораторных 
работ, при выполнении которых студенты в соответствии с компетенциями по дисциплине «Материаловедение» приобретут навыки и умения 
в области материаловедения и металлографического анализа черных 
и цветных металлов и сплавов. Лабораторные работы даны в нижеприведенной последовательности: методы приготовления микрошлифов 
для исследования структуры; микроскопический анализ и устройство 
световых микроскопов; макроскопический анализ; типичные микроструктуры сплавов; микроструктура сталей и чугунов, методы количественной металлографии; определение твердости с использованием 

Предисловие

универсальных твердомеров. Во время лабораторных работ студенты 
изучают структуру образцов из коллекций типичных и промышленных 
сплавов.
Отличие данного пособия от других изданий состоит в том, что 
в его практической части представлено описание современного оборудования, используемого при выполнении лабораторных и практических работ, которым оснащены лаборатории кафедры «Металловедение и термическая обработка металлов» Института цветных металлов 
и материаловедения СФУ. Значительное количество схем формирования 
и изображений структур сталей и цветных металлов и сплавов, описанное в издании, позволяет наглядно представить структурные превращения в металлах и сплавах. 
Изучение современных методов анализа металлов и сплавов дает 
возможность подготовить выпускников, способных использовать фундаментальные общеинженерные знания, выбирать методы исследования, проводить необходимые эксперименты, анализировать результаты 
и осуществлять выбор материалов и изделий различного назначения 
с учетом эксплуатационных требований и охраны окружающей среды.
Учебное пособие авторы работы посвящают памяти нашего учителя, Виталия Семеновича Биронта, который внес значительный вклад 
в науку «Материаловедение» и развитие кафедры, которая в настоящее 
время носит его имя.

1. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ  
ДЛЯ МИКРОСКОПИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Важной задачей металлографических исследований является 
подготовка образцов (шлифов) для микроскопического анализа с использованием световых и электронных микроскопов. В современных 
микроскопах для анализа структуры используются системы получения 
цифровых изображений. С использованием программных приложений 
осуществляется компьютерная обработка полученной информации, 
а также создаются банки получаемых  изображений структур. Анализ 
микроструктуры требует высокого качества поверхности образцов, отсутствия на поверхности артефактов, царапин, завала краев и других 
дефектов, которые могут стать причиной ошибок при количественной 
оценке элементов структуры. 
Наиболее используемая методика подготовки образцов для металлографического анализа – это механическая подготовка, которая включает отрезку, запрессовку или заливку образца, ручное или автоматизированное шлифование и полирование.

1.1. Отрезка и запрессовка образцов 

Место вырезки образца из изделия определяется задачами исследования. При исследовании деформированного металла вырезают два 
образца – вдоль и поперек деформации. После химико-термической 
обработки поперечное сечение образца должно включать поверхностный слой. Форма образцов может быть разнообразной. Технология 
вырезки должна гарантировать минимальные искажения микроструктуры образца. 
Существуют абразивная резка и резка прецизионными пилами. 
Оборудования для резки образцов представлено на рис. 1.1, а. 
Резка образцов дисками с абразивом обычно используется для 
пластичных материалов. Это образцы металлов, пластиков, композитов с полимерной или металлической матрицей. Наиболее часто при

1.1. Отрезка и запрессовка образцов 

меняемые абразивы для резки материалов − это карбид кремния и оксид 
алюминия. Карбид кремния применяется для резки цветных металлов, 
оксид алюминия рекомендуется использовать для резки черных металлов и сплавов.

В процессе абразивного резания необходимо использовать охлаждающую жидкость для уменьшения повреждений образца, удаления стружки и продуктов разрушения кругов. Охлаждающая жидкость 
должна иметь относительно высокую точку воспламенения. Резание 
с помощью алмазных отрезных кругов применяется для материалов, 
требующих высокой точности резания. Алмазная резка проводится при 
скорости от 50 до 4 000 об/мин и нагрузке от 10 до 1 000 г. Твердые образцы разрезаются при высокой нагрузке и скорости, а более хрупкие 
образцы нужно резать с малой нагрузкой и скоростью.
Отрезанные образцы в дальнейшем, как правило, запрессовывают 
в полимерный материал. Оборудование для запрессовки образцов представлено на рис. 1.1, б. Запрессовка дает следующие преимущества: 
удобные средства для крепления и возможность закрепления нескольких образцов; предотвращение завала краев образца; обеспечение необходимой ориентации, маркировку и хранение образцов. 

Рис. 1.1. Оборудование для пробоподготовки: а – отрезной станок, 
б – машина для запрессовки образцов

а 
б

1. Подготовка образцов для микроскопического анализа 

Запрессовка должна обеспечивать получение образцов стандартных форм, отсутствие разряженного слоя между смолой и образцом, быстрое затвердевание и сохранность структуры образца. Существуют две 
технологии: горячая запрессовка и холодная заливка образцов (рис. 1.2).

Горячая запрессовка проста в использовании и позволяет получить результат через несколько минут. Основное время требуется для 
выдержки образца под давлением на стадии полимеризации в процессе 
нагрева и для охлаждения образца. Для горячего прессования используют следующие материалы: фенольная, акриловая, эпоксидная и проводящая смолы. 
Основными характеристиками смол для горячего прессования 
являются твердость, склонность к усадке, вязкость. Твердость смолы 
должна соответствовать твердости образца, чтобы устранить неравномерный износ в процессе шлифования. Большая усадка между образцом и смолой при полимеризации может дать зазор, и края образца не 
будут защищены. 
Холодная запрессовка (заливка) предпочтительна для образцов, 
чувствительных к воздействию температуры и давления. Смолы для холодной заливки являются поперечно-связанными полимерами, которые 
просты в использовании и требуют смешения порошка и отвердителя. 
После смешивания смесь заливается в формочку с образцом для затвердевания.

а 
б

Рис. 1.2. Технологии запрессовки: а – горячая, б – холодная

1.2. Шлифование

1.2. Шлифование

Задачами шлифования образцов являются удаление материала, поврежденного в процессе отрезания, выравнивания поверхности, и удаление материала при шлифовании. 
Существуют различные способы приготовления шлифов: механический; химико-механический; электролитический.
Механический метод. Поверхность образца выравнивают на 
шлифовальном круге или напильником, затем шлифуют на шлифовальных бумагах различных номеров с постепенным уменьшением крупности частиц абразива. При этом неровности поверхности образца 
постепенно срезаются абразивными частицами. Образец необходимо 
охлаждать водой, чтобы не допускать его разогрева и возможного изменения структуры поверхностного слоя. Шлифовку следует производить 
не менее чем в 4–5 переходов. При переходе с одного номера бумаги на 
другой необходимо поворачивать шлиф на 90° и шлифовать в направлении, перпендикулярном рискам от предыдущей бумаги, до тех пор, пока 
эти риски полностью не исчезнут. Шлифование производят вручную 
или на механических станках (рис. 1.3).

В качестве абразива для шлифовки используют карбид кремния 
(SiC), который имеет высокую твердость и острые края зерен. Карбид 
кремния используют в составе шлифовальной бумаги с покрытием 

Рис. 1.3. Шлифовально-полировальные станки

1. Подготовка образцов для микроскопического анализа 

в виде абразива зернистостью от 60 (крупный абразив) до 2 500 (мелкий 
абразив). 
Для мягких цветных металлов начальное шлифование рекомендуется проводить с использованием шлифовальной бумаги зернистостью 
320, а затем использовать бумагу с зернистостью 400, 600 , 800 и 1 200. 
Начальная шлифовка на бумаге 320 способствует минимизации деформаций и поддерживает достаточно высокую скорость удаления материала.
Для очень мягких материалов, таких как свинец, олово и цинк, 
рекомендуется слегка покрыть шлифовальную бумагу тонким слоем парафиновой мастики. Эта мастика уменьшает проникновение зерен абразива в мягкий материал образца. 
Для мягких черных металлов начальную шлифовку выполняют 
на бумаге зернистостью 240, затем рекомендуют использовать бумагу 
с зернистостью 320, 400, 600, 800 и 1200. 
Твердые черные металлы требуют более агрессивных абразивов 
для обеспечения необходимого удаления материала. Для начального выравнивания и удаления материала используются грубые абразивы зернистостью 120 или 180. После выравнивания образцы рекомендуется обработать последовательно на бумагах с зернистостью 240, 320, 400 и 600. 
Для удаления остатков грубого абразива с поверхности образца 
и исключения образования глубоких царапин необходимо промывание 
образцов после каждого перехода от бумаги с крупной зернистостью 
к бумаге с более мелкой зернистостью.
При работе на шлифовально-полировальных станках необходимо 
устанавливать давление в процессе шлифования или полирования; относительную скорость удаления материала; направление шлифования или 
полирования. Высокое давление в процессе шлифования может приводить к возникновению дополнительного фрикционного тепла, которое 
может полезно для полировки керамики, минералов и композитов. Для 
образцов, значительно выкрашивающихся при шлифовке и полировке 
(например для чугунов с шаровидным графитом), необходимо использовать высокое давление и низкую относительную скорость удаления 
материала, что обеспечит сохранение фаз в структуре сплава. 
Скорость диска шлифовально-полировального станка и скорость 
вращения держателя образцов играют важную роль в подготовке образца (табл. 1.1). При вращении держателя с той же скоростью и в том же 

1.2. Шлифование

направлении, что и диск шлифовального станка, на поверхности образца сохраняются включения хрупких фаз и происходят равномерная по 
сечению шлифовка и последующая полировка образца. 

Таблица 1.1 

Влияние параметров шлифовки на поверхность образца

Скорость  
вращения держателя, об/мин

Скорость  
вращения диска, 
об/мин
Характеристика
Использование

150
От 300 до 600

Быстрое агрессивное удаление материала. Различная степень удаления материала по сечению образца

Для удаления большого количества материала на твердых образцах

150
150

Равномерное, с низкой скоростью удаление материала. 
Минимальные 
повреждения поверхности. Обеспечение высокой плоскостности 
по всему образцу

Для сохранения включений и хрупких фаз

Основным недостатком механического метода приготовления 
шлифов является деформация поверхности образца. Образуется наклепанный слой с искаженной структурой, в который вкраплены частицы 
абразива. Глубина поврежденного слоя составляет 0,75–2,5 мкм. Деформированный слой, искажающий истинную структуру металла, недопустим при исследовании микроструктуры металлов на электронном 
микроскопе, рентгеноструктурных исследованиях, определении микротвердости фаз. Для удаления с поверхности деформированного слоя 
разработано несколько способов: электрополирование, многократное 
чередование операций механической полировки и химического травления, полировка тонким алмазным порошком или пастами.
Химико-механический метод. При использовании этого метода 
применяются пасты, в состав которых наряду с абразивами входят активные вещества, оказывающие химическое воздействие. В результате 
взаимодействия на поверхности металла образуются тончайшие пленки 
сернистых или оксидных соединений. При шлифовании такие пленки 
снимаются абразивом в первую очередь с выступов. Путем чередования 
окисления и срыва пленки производится шлифовка образца. Химико