Микроструктура металлических сплавов

№ 1165

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà ôèçè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ

Ìèêðîñòðóêòóðà
ìåòàëëè÷åñêèõ ñïëàâîâ

Ëàáîðàòîðíûé ïðàêòèêóì

Ïîä ðåäàêöèåé ïðîôåññîðà Ð.È. Ìàëèíèíîé 
è äîöåíòà Â.Þ. Ââåäåíñêîãî

Ðåêîìåíäîâàíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì
ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà

Ìîñêâà  Èçäàòåëüñòâî «Ó×ÅÁÀ»
2007

УДК 669.017:620.18 
 
М59 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. Л.М. Капуткина 

Авторы: Р.И. Малинина, В.Ю. Введенский, Е.С. Малютина, К.О. Базалеева, 
А.С. Перминов, О.А. Ушакова 

Микроструктура металлических сплавов: Лаб. практикум / 
М59 Р.И. Малинина, В.Ю. Введенский, Е.С. Малютина и др.; Под 
ред. Р.И. Малининой и В.Ю. Введенского. – М.: МИСиС, 
2007. – 198 с. 

Практикум содержит четырнадцать лабораторных работ, посвященных 
изучению микроструктуры однофазных металлических сплавов в литом, деформированном и термически обработанном состоянии, многофазных сплавов после кристаллизации и фазовых превращений в твердом состоянии, основных используемых в технике сплавов на основе железа (углеродистые и 
легированные стали, чугуны), меди, алюминия, олова, титана.  
Практикум предназначен для студентов специальностей 150702 «Физика 
металлов», 150101 «Металлургия черных металлов», 150106 «Обработка металлов давлением», 200503 «Стандартизация и сертификация» и др., изучающих курсы «Фазовые равновесия и структурообразование», «Материаловедение», «Металловедение», «Металловедение и качество металлопродукции», «Металловедение и термическая обработка», «Технология металлов». 
 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2007 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Изучение металлографического 
микроскопа................................................................................................4 
Лабораторная работа 2. Приготовление образца для изучения 
микроструктуры с помощью светового микроскопа ..........................15 
Лабораторная работа 3. Количественный металлографический 
анализ.......................................................................................................24 
Лабораторная работа 4. Изучение дефектов кристаллического 
строения металлов с помощью светового микроскопа.......................41 
Лабораторная работа 5. Микроструктура и свойства 
пластически деформированного и рекристаллизованного металла .... 51 
Лабораторная работа 6. Микроструктура сплавов двойных 
систем с эвтектическим и перитектическим превращениями............68 
Лабораторная работа 7. Микроструктура тройных сплавов...........80 
Лабораторная работа 8. Микроструктура отожженной, литой и 
горячедеформированной углеродистой стали .....................................93 
Лабораторная работа 9. Микроструктура чугунов........................107 
Лабораторная работа 10. Изучение микроструктуры и 
твердости углеродистой стали после закалки и отпуска ..................121 
Лабораторная работа 11. Микроструктура легированных 
сталей и их классификация по фазовым превращениям...................132 
Лабораторная работа 12. Микроструктура сплавов на основе 
меди, алюминия и олова ......................................................................146 
Лабораторная работа 13. Изменение твердости при старении 
дюралюминия........................................................................................159 
Лабораторная работа 14. Микроструктура сплавов на основе 
титана.....................................................................................................169 
Приложения ......................................................................................183 
 

Лабораторная работа 1 

ИЗУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО 
МИКРОСКОПА 

(2 часа) 

1.1. Цель работы 

1. Ознакомиться с устройством и оптической схемой металлографического микроскопа. 
2. Освоить методы выбора оптики, настройки микроскопа, исследования микроструктуры. 

1.2. Теоретическое введение 

Металлографический микроскоп предназначен для изучения микроструктуры металлов и сплавов. 
Свойства металлических изделий зависят не только от химического и фазового состава материала, но и от его микроструктуры, под 
которой понимают внутреннее строение материала, характеризуемое 
формой, размерами и взаимным расположением кристаллитов разных твердых фаз. Для описания структуры, наблюдаемой под микроскопом, используют термин «структурная составляющая». Структурная составляющая – часть сплава, которая имеет характерное, 
однообразное и повторяющееся строение. Структурных составляющих может быть одна или несколько, причем каждая из них может 
состоять из кристаллитов одной или нескольких фаз. Образование 
той или иной структурной составляющей зависит как от состава, так 
и от предыстории (обработки) материала. При изучении структуры 
преследуют следующие цели: а) установить связь между структурой 
и свойствами изучаемого материала, б) убедиться в получении структуры, обеспечивающей необходимый уровень свойств, в) установить 
предысторию материала для выявления причин, вызвавших формирование той или иной структурной составляющей. 

Схема формирования изображения в микроскопе 
На рис. 1.1 приведена схема формирования изображения в световом микроскопе.  

Рис. 1.1. Упрощенная принципиальная схема 

Свет от осветительной лампы (S) распространяется горизонтально 
и проходит через конденсор (С), а затем попадает на полупрозрачное 
зеркало (ПП). Отразившись от зеркала, лучи идут вниз и, проходя 
через многолинзовый объектив (ОБ и О) и апертурную диафрагму 
(АДО), освещают участок поверхности образца (Х). АДО ограничивает поток света, поступающий в объектив. Изучаемый образец размещается перед объективом на расстоянии от одного до двух фокусных расстояний объектива fоб (fоб – обычно несколько мм). Отразившись от поверхности образца, лучи, двигаясь вверх, вновь проходят 
через объектив (ОБ) и, значит, начинает формироваться изображение. Теперь лучи проходят через полупрозрачное зеркало (ПП) и попадают в окуляр (ОК), поле зрения которого ограничено полевой 
диафрагмой (ПД). Над окуляром схематически показан глаз наблюдателя со зрачком и сетчаткой. Объектив формирует действительное, перевернутое и увеличенное изображение. Окуляр формирует 
действительное, прямое и увеличенное изображение. Его и наблюдает исследователь.  
Часто применяются не прямые, как на рис. 1.1, а более удобные 
инвертированные микроскопы. В них вся оптическая схема перевернута на 180 °; объект помещается сверху на столике с отверстием 
для наблюдения, а перед окуляром установлена дополнительная отражающая призма, поворачивающая лучи кверху под некоторым 
углом, удобным для наблюдателя. 

Разрешающая способность и увеличение микроскопа.  
Выбор оптики 
Для характеристики оптических приборов вводят минимальное 
разрешаемое расстояние, т.е. минимальное расстояние d между двумя 
точками, при котором они еще не сливаются друг с другом (разрешаются). Разрешающая способность – это способность видеть раздельно 
детали микроструктуры. Разрешающая способность обратно пропорциональна d (измеряется1 в точках на мм). Для человеческого глаза 
обычно принимается, что dгл ≈ 0,2 мм = 200 мкм (т.е. разрешающая 
способность глаза равна 5 мм–1). 
Таким образом, цель использования микроскопа состоит в повышении разрешающей способности человеческого глаза за счет использования линз. Из теории дифракции следует, что если использовать для 
создания изображения волны длиной λ, то d не может быть меньше чем 
половина длины волны (λ/2) даже в «идеальном» микроскопе. 
У «реального» микроскопа d еще больше и определяется соотношением Аббе2: 

 

2
d
A
λ
=
, 
(1.1) 

где А = nsinα – числовая апертура объектива; п – коэффициент преломления среды между объективом и образцом (воздух: n = 1 или 
жидкость: n > 1); α – половина отверстного угла фронтальной линзы 
объектива. Таким образом, разрешение микроскопа определяется 
только объективом. 
В световом микроскопе используют свет со средним значением 
λ ≈ 0,6 мкм. В этом случае даже при А = 1 предел разрешения d около 
0,3 мкм. (Следует, однако, помнить, что «диаметр» типичного металлического атома около 0,3 нм, т.е. в тысячу (!) раз меньше.) Таким 
образом, если необходимо исследовать детали структуры размером 
< 0,3 мкм, то это невозможно сделать с помощью световой микро
––––––––– 
1 В англоязычных странах используют единицы dpi (dots per inch – точек на дюйм). 
2 Эрнст Аббе (1840–1905). В 20 лет начал работу инженером в маленькой 
механической мастерской «Karl Zeiss, Jena» и быстро превратил ее в крупное 
предприятие. С 1865 г. и до конца жизни ее владелец, «главный теоретик» и 
«главный конструктор» этой знаменитой и лучшей до середины XX века оптической фирмы; с 1870 г. профессор теоретической физики. В XXI веке эта фирма возвращает себе былую славу.  

скопии1. (Иногда можно использовать иммерсию – ввод между образцом и объективом прозрачного масла с показателем преломления 
n ≈ 1,5. Апертура таких иммерсионных объективов достигает 1,4.) 
Для характеристики оптических приборов применяют также увеличение – отношение размеров изображения к размеру его источника. Следует различать полезное увеличение (Nпол) и увеличение (N). 
Полезное увеличение – это увеличение, необходимое для разрешения 
деталей микроструктуры. Если требуется изучать кристаллы размером до dтр, то необходимо использовать именно полезное увеличение, 
которое можно рассчитать по формуле 

 
гл
пол
тр

d
N
d
=
, 
(1.2) 

где dгл = 200 мкм – предел разрешения глаза. 
Если установить на микроскопе общее увеличение меньше Nпол, 
то рассмотреть требуемые детали микроструктуры не удастся. При 
общем увеличении N больше, чем Nпол, более мелких деталей (по 
сравнению со случаем N = Nпол) в изображении микроструктуры не 
появится, но качество изображения ухудшится. 
Рассчитав Nпол, можно правильно выбрать объектив. Для этого 
следует воспользоваться формулой Аббе, прямо следующей из комбинации формул (1.1) и (1.2) при подстановке в них численных значений dгл (200 мкм) и длин волн λ для красного (≈ 0,8 мкм) и фиолетового (≈ 0,4 мкм) концов спектра: 

 
пол
пол

1000
500

N
N
A
<
<
. 
(1.3) 

Из этой формулы в частности видно, что полезное увеличение оптических микроскопов в принципе не может быть существенно 
больше 1000. Полное увеличение микроскопа может быть сделано и 
бóльшим. 
Разрешающая способность микроскопа зависит только от характеристик объектива и не зависит от характеристик окуляра. Но увеличение микроскопа (N) создается как объективом (Nоб), так и оку
––––––––– 
1 В электронных микроскопах длина волны электронов λ – величина порядка 0,01 нм. Однако апертура магнитных линз электронных микроскопов мала и 
не превышает 0,01. В итоге предел разрешения даже при такой малой λ оказывается не меньше диаметра атома (0,2…0,5 нм), а обычно на порядок больше. 

ляром (Nок) и, кроме того, промежуточными линзами микроскопа 
(Nпр), если они есть: 

 
N = Nоб Nок Nпр. 
(1.4) 

По формуле (1.4) можно определить необходимый для исследования микроструктуры окуляр (он характеризуется своим увеличением), но удобнее это делать по так называемым таблицам увеличений, 
обязательно прилагающимся к каждому микроскопу.  

Глубина резкости, яркость и контрастность изображения 
Кроме величины разрешения, качество изображения микроструктуры определяют размером поля зрения, глубиной резкости, яркостью и контрастностью изображения. Глубина резкости характеризует способность прибора давать сфокусированное изображение выступов и впадин на поверхности объекта одновременно. Контрастность изображения характеризуется отношением разности яркостей 
объекта и фона к их сумме. Важно, что все эти характеристики с ростом апертуры (а значит и максимального разрешения) объектива 
ухудшаются. 
Глубина резкости зависит от характеристик используемого объектива (она обратно пропорциональна его числовой апертуре А и прямо 
пропорциональна фокусному расстоянию) и от раскрытия апертурной диафрагмы (глубина резкости увеличивается с уменьшением 
раскрытия апертурной диафрагмы).  
Яркость изображения определяется (помимо конструктивных 
особенностей микроскопа) интенсивностью светового потока, создаваемого осветителем и раскрытием апертурной диафрагмы.  
Контрастность изображения зависит (помимо качества подготовки объекта) от раскрытия полевой диафрагмы, от применяемого 
способа освещения, используемого света и других специальных способов усиления контраста. 
Размер поля зрения определяется диаметрами (а значит и апертурой) объектива и окуляра и ограничен искажениями формы объектов. 
Отсюда следует, что яркость, контрастность и глубина резкости 
изображения могут регулироваться путем настройки апертурной и полевой диафрагмы и выбором способа освещения.  
Апертурная диафрагма ограничивает входящий в оптическую 
систему пучок лучей (в конечном итоги – в объектив). Чем больше 
раскрыта апертурная диафрагма, тем интенсивнее световой поток, 
падающий на образец, и тем больше яркость изображения. Но рас

крытие апертурной диафрагмы одновременно уменьшает глубину 
резкости.  
Диаметр полевой диафрагмы определяет освещенность поля зрения, т.е. величину наблюдаемого участка объекта. Закрытие полевой 
диафрагмы, уменьшая размеры поля зрения, но увеличивает контрастность изображения, так как при этом отсекаются рассеянные световые лучи. 
В световой микроскопии используют два основных метода освещения: методы светлого и темного поля.  
При обычном, светлопольном, освещении поверхность образца освещается лучами, падающими на нее почти перпендикулярно. Светлые участки изображения формируются лучами, отраженными от 
поверхности объекта и попавшими в объектив. Темные участки в 
этом случае соответствуют областям поверхности, которые либо 
плохо отражают падающие лучи, либо отражают их так, что они не 
попадают в объектив, как наклонные стенки канавок травления, возникшие в местах выхода границ зерен на поверхность.  
Если на пути пучка света, освещающего образец поставить непрозрачный диск, отсекающий только центральную часть пучка, но не 
боковые лучи, то получим темнопольное освещение. При темнопольном освещении поверхность образца освещается лучами, падающими 
на нее по конической поверхности. Тогда световые лучи отражаются 
в объектив не всеми участками поверхности объекта, а только теми, 
которые наклонены по отношению к его поверхности; остальные участки будут темными. Поэтому исследование в темное поле не характеризует структуру полностью, но является полезным дополнительным методом.  
В ряде случаев объект исследуют в поляризованном свете. Для 
этого при светлопольном методе освещения в ход падающего пучка 
вставляют поляризатор, а в ход отраженного – анализатор, плоскость 
поляризации которого может составлять угол от 0 до 90° с плоскостью поляризации поляризатора. Если на поверхности объекта имеются участки, по-разному поворачивающие плоскость поляризации 
отраженных лучей, как например оксиды кремния в стали, то эти 
участки будут иметь неодинаковый контраст. 
Прочие специальные методы: фазовый контраст, интерферометрия, 
косое освещение и т.д. здесь не рассматриваются. 

Настройка микроскопа и методика исследования  
микроструктуры 
После того как оптика выбрана и установлена на микроскопе, на 
предметный столик прибора устанавливают микрошлиф, включают осветитель и производят фокусировку изображения. Вслед за этим необходимо произвести настройку осветителя и диафрагмы микроскопа. 
При настройке микроскопа для работы в светлом поле необходимо: 
– отцентрировать источник света относительно отверстия апертурной диафрагмы. Для этого необходимо добиться, чтобы отверстие 
полностью открытой диафрагмы было заполнено равномерным световым потоком; 
– настроить апертурную диафрагму, для чего сначала снять окуляр и, наблюдая за взаимным расположением светового поля объектива и изображения диафрагмы, отцентрировать положение диафрагмы. Затем открыть диафрагму таким образом, чтобы ее изображение занимало ≈ 3/4 площади поля объектива; 
– настроить полевую диафрагму, для чего сначала вставить окуляр и отцентрировать положение полностью закрытой диафрагмы. 
Затем раскрыть диафрагму таким образом, чтобы ее изображение 
совпало с полем зрения окуляра, но не превышало его. 
Рекомендуется следующая методика изучения микроструктуры. Изготовленный микрошлиф необходимо предварительно изучить при малом увеличении (70…100) или даже визуально для того, чтобы иметь 
представление об однородности его структуры; выбрать участки для последующего более детального исследования. Исследование при средних 
(~ х400) и больших (~ х800) увеличениях ведут после тщательной настройки осветителя и диафрагм и подбора объектива с необходимой 
апертурой при светлопольном освещении. В связи с тем, что с возрастанием увеличения уменьшается величина поля зрения, изучение структуры при средних и особенно больших увеличениях необходимо проводить в нескольких полях зрения. Это особенно важно, когда предварительный осмотр образца выявил неоднородность его структуры.  
Фотографирование микроструктуры ведут как в отдельных полях 
зрения, так и панорамным способом, когда отдельные поля зрения 
частично перекрываются. 
Разрешение цифровых фотокамер должно быть не хуже разрешения микроскопа, обычно не ниже 4 мегапиксел на кадр. Рассматривать такие фотографии следует на мониторах с соответствующим 
разрешением, и печатать на соответствующих принтерах. Следует 
помнить, что никакая цифровая обработка изображений не способна 
дать информацию о мелких объектах, если их размер меньше преде

ла разрешения микроскопа. А вот контрастность изображения за счет 
цифровой обработки можно существенно увеличить. 
Так как масштаб изображений в компьютере (или при печатном 
воспроизведении), а значит и общее увеличение, можно легко изменять в больших пределах, то всегда следует указывать апертуру 
применяемого объектива, т.е. величину, определяющую предельное разрешение полученного изображения и его масштаб1.  

Определение масштаба изображения  
(цены деления шкалы окуляр-микрометра) 
Фактический масштаб изображения (увеличение) может заметно отличаться от указанного в таблице увеличений. Для более точного определения масштаба изображения используют окулярмикрометры и объект-микрометры. 
Окуляр-микрометр представляет собой окуляр, в который 
встроена прозрачная пластинка с нанесенной на нее линейкой. Эта 
линейка проектируется на изображение микроструктуры. В результате на изображении можно проводить измерения в единицах шкалы 
окуляр-микрометра (относительные измерения). Используют также 
окуляр-микрометры со шкалой в виде квадратной сетки. 
Объект-микрометр устанавливается вместо образца (объекта) и 
представляет собой пластину, в центре которой с высокой точностью выгравирована шкала линейки общей длиной 1 мм, разбитая на 
100 (или, реже, 200) делений (рис. 1.2). Таким образом, расстояние 
между ближайшими штрихами объект-микрометра (его цена деления) составляет 0,01 мм (10 мкм) или 0,005 мм (5 мкм). 

 

Рис. 1.2. Пример фотографии объект-микрометра с ценой деления 
5 мкм (Размер фотографии: 0,57 – 0,03 = 0,54 мм = 540 мкм) 

––––––––– 
1 Традиционно в литературе фотографии снабжаются указанием полного 
увеличения лишь при фотографировании, но не при воспроизведении фотографии. Этого достаточно лишь для очень грубой оценки масштаба изображения.