Металловедение : основы микроструктурного анализа

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
«МИСиС»

№ 2405

Кафедра металловедения цветных металлов

Металловедение

Основы микроструктурного анализа

Лабораторный практикум

Допущено учебно-методическим объединением
по образованию в области металлургии в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150400 – Металлургия

Москва  2015

УДК 669.017:620.18
 
М54

Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. В.С. Панов

А в т о р ы :  И.И. Новиков. В.К. Портной, А.В. Михайловская,
 
А.В. Поздняков, О.А. Яковцева

 
Металловедение : основы микроструктурного анализа : лаб.
М54 практикум / И.И. Новиков [и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2015. – 90 с.
ISBN 978-5-87623-773-6

Представлены лабораторные работы по технике микроструктурного анализа, особенностям формирования структуры сплавов в равновесном и неравновесном состояниях, анализу микроструктуры углеродистых сталей и чугунов.
Содержание практикума соответствует программе дисциплин «Материаловедение», «Современные проблемы металлургии и материаловедения».
Для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению 150400 «Металлургия».

УДК 669.017:620.18

ISBN 978-5-87623-773-6
 Колллектив авторов, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ..............................................................................................4
Лабораторная работа 1. Техника микроструктурного анализа .............6
Лабораторная работа 2. Количественная металлография ...................24
Лабораторная работа 3. Типичные микроструктуры сплавов 
двойных систем эвтектического типа ...................................................44
Лабораторная работа 4. Неравновесная  кристаллизация 
в сплавах систем разного типа ...............................................................58
Лабораторная работа 5. Микроструктуры отожженных 
углеродистых сталей ...............................................................................67
Лабораторная работа 6. Микроструктуры чугунов .............................76
Приложение .............................................................................................87

Предисловие

Лабораторный практикум «Металлография» (3-е изд.) был написан 
проф. И.И. Новиковым в 1984 г. С тех пор изменились номенклатуры 
выпускаемых промышленностью сплавов на разной основе; соответствующие ГОСТы; конструкции как рабочих, так и исследовательских микроскопов. Фотография, без которой немыслимо изображение 
структуры металла, из бромосеребряной стала цифровой. Появление 
компьютерной техники вложило в руки любого исследователя возможности количественного анализа структуры, с одной стороны, и 
обеспечило широкую доступность баз данных по структурам сплавов 
на разных основах и по диаграммам состояния, с другой. Авторы данного практикума при его написании считали своей задачей учесть перечисленные изменения, но при этом максимально сохранить безупречные тексты нашего учителя проф. И.И. Новикова.
Лабораторный практикум предназначен для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению 150400 «Металлургия» с профилем «Металловедение цветных и драгоценных металлов», изучающих курсы «Материаловедение», «Промышленные 
сплавы цветных и черных металлов», «Термическая обработка» и 
др. Значительная часть работ практикума в полном или сокращенном 
объеме может быть использована студентами профилей «Технология 
литейных процессов», «Функциональные материалы и покрытия», 
«Металлургия цветных, редких и благородных металлов» «Трубное 
производство», «Обработка металлов и сплавов давлением» при изучении ими курса «Материаловедение».
На лабораторных занятиях по металлографии студент должен получить навыки приготовления шлифов и работы на металлографических микроскопах, приобрести умение предсказывать тип микроструктуры, определять структурные и фазовые составляющие по 
диаграммам состоянии двойных и тройных систем, в том числе после 
неравновесной кристаллизации, выявлять структурные составляющие и схематично изображать микроструктуры промышленных сплавов, определять количественные параметры их микроструктуры со 
статистической обработкой результатов измерений.
Все работы выполняются и оформляются индивидуально. В отчетах по отдельным работам по указанию преподавателя обобщаются 
результаты количественного металлографического анализа нескольких студентов или всей учебной подгруппы.

При изучении шлифов под микроскопом, а также при оформлении 
отчета о работе следует использовать имеющиеся на кафедре учебные электронные атласы микроструктур сплавов.
Студент допускается к лабораторному занятию после представления 
конспекта теоретического введения и прохождения контроля знаний.
Содержание отчета должно соответствовать требованиям, изложенным в описании к каждой работе. Отчет должен быть аккуратно 
оформлен. Сокращения слов, кроме общепринятых, не допускаются. 
В лабораторной работе 2 «Количественная металлография» приведены довольно подробные сведения по статистической обработке экспериментальных данных, необходимых для выполнения этой и многих 
других работ лабораторного практикума. Систематическое и многократное использование методов статистической обработки результатов количественной металлографии должно способствовать выработке у будущих металловедов-исследователей навыков их применения.

Лабораторная работа 1

ТЕХНИКА МИКРОСТРУКТУРНОГО 
АНАЛИЗА

(2 часа)

1.1. Цель работы

Цель работы – получение навыков приготовления микрошлифов, работы на металлографическом микроскопе и микрофотографирования.

1.2. Теоретическое введение

Устройство металлографического микроскопа 

Разрешающая способность и увеличение микроскопа. Глаз, как 
и другие оптические приборы, имеет предел восприятия мелких объектов. Этот предел обусловлен строением сетчатой оболочки глаза – 
ретины. Чувствительные элементы ретины – окончания зрительных 
нервов – имеют определенный размер. Если изображение предмета 
на ретине укладывается на одном чувствительном элементе, мы видим его как точку. На расстоянии 250 мм, называемом расстоянием 
ясного зрения, мы различаем раздельно две точки, если они находятся 
на расстоянии 0,2 мм. Эта величина является разрешаемым расстоянием глаза. Невооруженным глазом объекты меньше 0,2 мм мы увидеть не можем без использования оптических приборов. Чтобы рассматривать детали изображения, меньшие разрешаемого расстояния 
глаза, используют лупу, микроскоп и др. Величина разрешаемого расстояния оптических приборов связана с тем, что во всех таких приборах на краях диафрагм, оправ и т.п. происходит дифракция света. 
Вследствие этого каждая точка предмета изображается не как точка, 
а в виде кружка концентрических колец переменной интенсивности. 
Две такие точки еще видны раздельно на расстоянии, при котором 
главный интерференционный максимум одной точки изображения 
совпадает только с первым побочным максимумом соседней точки. 
Таким образом, разрешаемое расстояние микроскопа определяется 
волновой природой света:

/ (2
sin )
2
n
A




=
=
⋅ ⋅
, 
(1.1)

где  – длина волны света, идущего от объекта исследования в объектив;
n – показатель преломления среды, находящейся между объектом 
и объективом микроскопом;
 – половина угла раскрытия входящего в объектив пучка лучей, 
дающих изображение.

Произведение А = n·sin  называют числовой апертурой объектива. 
Эта важнейшая характеристика объектива выгравирована на его оправе.
Разрешаемое расстояние имеют все оптические приборы: фото-, 
кино- и телекамеры, бинокли, микроскопы, зрительные трубы, телескопы и др. Для характеристики приборов обычно используют обратную величину разрешаемого расстояния – разрешающую способность 1/. Чтобы увеличить разрешающую способность глаза для 
рассматривания мелких предметов, используют микроскоп. Для исследования строения металлов микроскоп был впервые применен 
в 1831 г. П.П. Аносовым, изучавшим булатную сталь, а позднее, в 
1863 г., англичанином Г. Сорби, изучавшим метеоритное железо.
У лучших объективов максимальный угол  70°, поэтому sin   0,94. 
В большинстве металлографических исследований применяют сухие объективы, работающие в воздушной среде (n = 1). Для уменьшения разрешаемого расстояния используют иммерсионные объективы. Пространство 
между объектом и объективом заполняют прозрачной жидкостью (иммерсией) с большим показателем преломления. Обычно используют каплю 
глицерина (n = 1,47) или кедрового масла (n = 1,51).
Если для желто-зеленой составляющей видимого белого света 
принять  = 0,55 мкм (спектральная составляющая для наилучшего 
зрения человека), то минимальное разрешаемое расстояние светового 
микроскопа: мин = 0,55/(2·1,51·0,94)  0,2 мкм. Отсюда следует, что 
разрешаемое расстояние микроскопа в 1000 раз меньше разрешаемого расстояния глаза, иными словами, микроскоп в этих условиях 
увеличивает изображение  в 1000 раз. Кроме того, этот расчет показывает, что разрешающая способность светового микроскопа ограничена, прежде всего, длиной волны света.
Всякий микроскоп состоит из источника света с устройствами 
управления светом, предметного стола для перемещения объекта, 

объектива и окуляра, смонтированных в общем корпусе. Объектив 
дает увеличенное промежуточное изображение объекта, которое рассматривается в окуляр, как в лупу. Окуляр увеличивает промежуточное изображение объекта, доводя суммарное разрешаемое расстояние 
микроскопа до величины, соответствующей формуле (1.1). Общее 
увеличение микроскопа примерно равно произведению увеличений 
объектива и окуляра. Точное значение увеличений, учитывающее 
длину хода лучей от объектива к окуляру (так называемая длина тубуса), для разных сочетаний объективов и окуляров приведено в паспорте соответствующего прибора. На металлографических микроскопах, 
используя более коротковолновую часть светового спектра, например, 
уменьшая длину волны с помощью светофильтров, можно добиться 
максимального увеличения светового микроскопа до 1500 крат.
Начинающие исследователи делают обычную ошибку, стремясь 
рассматривать структуру сразу же при большом увеличении. Следует иметь в виду, что чем больше увеличение объектива, тем меньший 
участок виден в поле зрения микроскопа. Поэтому рекомендуется начинать с использования слабого объектива, чтобы в начале исследования оценить общий характер структуры металла на большой площади. Если же начинать микроанализ сразу с использованием сильного 
объектива, то многие важные особенности структуры металла могут 
быть не замечены. Кроме того, чем больше увеличение объектива, 
тем меньше глубина резкости, характеризующая величину вертикального смещения поверхности шлифа, которое может быть произведено без потери фокусировки. Глубина резкости пропорциональна 1/A2. 
Поэтому для шлифов, поверхность которых имеет глубокий рельеф, 
следует выбирать, по крайней мере для первоначального рассмотрения, объектив с малой числовой апертурой.
После общего просмотра структуры при малых увеличениях микроскопа выбирают объектив с такой разрешающей способностью, 
чтобы увидеть все необходимые самые мелкие детали структуры. 
Окуляр выбирают так, чтобы четко были видны детали структуры, 
увеличенные объективом. При недостаточном увеличении окуляра 
самые мелкие детали промежуточного изображения, созданного объективом, не будут увидены в микроскоп и, следовательно, разрешающая способность объектива полностью не будет использована. При 
слишком большом увеличении окуляра новые детали структуры не 
выявятся, в то же время контуры уже выявленных деталей окажутся 
размытыми, а поле зрения станет более узким. 

Рис. 1.1. Схемы светлопольного освещения

Собственное увеличение окуляра выгравировано на его оправе (например, ×10). При выбранном объективе рекомендуется взять такой 
окуляр, чтобы общее увеличение микроскопа находилось в интервале примерно 500...1000 A. Увеличение более 1000 A называют бесполезным: не выявляя новых деталей структуры, оно ухудшает резкость 
изображения. Следовательно, для лучших сухих объективов с A = 
= 0,94 верхний предел полезного увеличения примерно 1000, а у лучших иммерсионных с А = 1,51·0,94 = 1,43 этот предел около 1500.

Способы освещения шлифа
в металлографическом микроскопе

В металлографии микроанализу подвергают непрозрачные для 
световых лучей объекты – микрошлифы, которые рассматривают в 
микроскоп в отраженном свете. Микрошлифом называют образец, 
часть поверхности которого является плоской и отполированной. Металлографические микроскопы часто называют обращенными, поскольку в отличие от биологического микроскопа, объект, т.е. микрошлиф находится полированной поверхностью вниз над объективом и 
всей оптической системой на предметном столике.
Светлое поле. На рис. 1.1 показаны две схемы светлопольного освещения шлифа в металлографических микроскопах. Отличительная 
особенность металлографических микроскопов – освещение непрозрачного для световых лучей объекта исследования 1, расположенного на предметном столе 2 через объектив 3. От источника света 4 через конденсорную линзу 5 для получения параллельных лучей света, 
апертурную и полевую диафрагмы 6, через светофильтр 7 лучи по

падают в систему вертикального иллюминатора (осветителя), характерной частью которого является или призма полного внутреннего 
отражения 8 (рис. 1.1, а), или полупрозрачная плоскопараллельная 
пластинка (рис. 1.1, б). Их назначение – направить поток света в объектив 3 и через него на шлиф 1. Таким образом, вместе с приз мой или 
полупрозрачной пластинкой объектив образует систему вертикального иллюминатора. Отраженные от шлифа лучи попадают в объектив 
3, далее в окуляр 9 и от него – к глазу исследователя.
Плоскость шлифа должна быть перпендикулярна главной оптической оси микроскопа. Чтобы проще выполнить это условие, в современных металлографических микроскопах шлиф устанавливают 
полированной поверхностью на предметный столик 2, отверстие которого расположено над объективом.
Если используется призма полного внутреннего отражения (см. 
рис. 1.1, a), то весь поток света попадает в окуляр через свободную 
часть тубуса. Изображение получается ярким, но работает только 
часть отверстия объектива, из-за уменьшенной апертуры разрешающая способность объектива оказывается пониженной.
Если же используется полупрозрачная плоскопараллельная пластинка 
(см. рис. 1.1, б), то часть светового потока, идущего от источника света, 
отражается от пластинки в объектив, а часть, проходя через пластинку, 
рассеивается в микроскопе. Отраженные от шлифа лучи проходят через 
объектив, снова через пластинку и попадают в окуляр. При этом часть 
лучей, отражаясь от пластинки, рассеивается в микроскопе. При таком 
способе освещения изображение шлифа получается менее ярким (используется примерно четвертая часть светового потока), но зато работает 
всё отверстие объектива, и разрешающая способность его не снижается.
Рассмотренное освещение называют светлопольным, так как плоская поверхность шлифа, отражая большую часть светового потока в 
объектив, выглядит в микроскопе светлой.
Темное поле. При темнопольном освещении поток света направляется не в объектив 1, а на параболическое зеркало – отражательный 
конденсор 2 (рис. 1.2). Далее лучи света под небольшими углами направляются на плоскость шлифа 3, отражаясь от которой они не попадают в объектив, и поле зрения получается темным. Объектив 1 с 
конденсором 2 (см. рис. 1.2) называют эпиобъективом. 
Участки шлифа, не перпендикулярные оптической оси микроскопа, например царапины, выпуклые включения, ямки, рассеивают свет 
в объектив и кажутся светлыми в темном поле.

Рис. 1.2. Схема темнопольного освещения

При светлопольном освещении мелкие рельефные частицы можно не увидеть из-за большого количества прямого света, отраженного плоским полем шлифа (недостаточен контраст изображения). При 
темнопольном же освещении эти частицы могут четко выделяться в 
виде ярких, светящихся пятен на темном поле шлифа. Царапины на 
полированной поверхности, не видимые в светлом поле, легко обнаружить при темнопольном освещении. 
Поляризованный свет.  Свет, проходя специальную пластинку – поляроид («николь») – становится плоскополяризованным: 
электромагнитные колебания приобретают определенную ориентацию в плоскости поляризации. Если на пути такого света находится другой поляроид, то при определенном взаимном положении, 
так называемом положении скрещенных поляроидов («скрещенных николей»), свет не пропускается вторым поляроидом. В микроскопе один поляроид, называемый поляризатором, помещается 
между источником обычного света и объективом, а на шлиф попадает плоскополяризованный свет. Другую пластинку – поляроид, 
называемую анализатором, вставляют между объективом и окуляром на пути светового потока, отраженного от шлифа. Если шлиф 
оптически изотропен, то отраженный свет остается таким  же плоскополяризованным, и при вращении анализатора (или поляризатора) достигается положение скрещенных поляроидов с полным