Материаловедение

№ 997

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра металловедения цветных металлов

В.К. Портной

Материаловедение

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционноиздательским
советом института

Москва  Издательство ´УЧЕБАª
2007

УДК 620.22 
 
П60 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. С.М. Педос 

Портной В.К. 
П60  
Материаловедение: Лаб. практикум. – М.: МИСиС, 2007. – 
45 с. 

Лабораторный практикум по курсу «Материаловедение» содержит описание лабораторных работ, выполняемых студентами в 4-м семестре. Выполняя лабораторные работы, студенты получают навыки структурного анализа 
материалов, умение связывать структуру сплава и особенности ее формирования с диаграммой состояния, осваивают основные методы механических 
испытаний и знакомятся с упрочняющей термической обработкой цветных 
сплавов. 
Содержание соответствует программе курса «Материаловедение». 
Предназначены для студентов специальности 080301 «Коммерция» 
(на рынке цветных металлов), а также может быть полезен студентам специальностей 080502 и 330201. 

© Московский государственный институт

стали и сплавов (технологический  
университет) (МИСиС), 2007 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Техника анализа микроструктуры 
сплавов ...................................................................................................4 
Лабораторная работа 2. Типичные микроструктуры сплавов 
двойных систем ...................................................................................12 
Лабораторная работа 3. Методы исследования свойств сплавов.......25 
Лабораторная работа 4. Закалка и старение цветных сплавов...........37 

Лабораторная работа 1 

ТЕХНИКА АНАЛИЗА МИКРОСТРУКТУРЫ СПЛАВОВ 

(2 часа) 

Цель работы – знакомство с методами приготовления микрошлифов и приобретение навыков работы на световом металлографическом микроскопе. 

1.1. Теоретическое введение 

1.1.1. Основы световой микроскопии 

1.1.1.1. Разрешаемое расстояние 
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. Любой оптический прибор: лупа, бинокль, 
фотоаппарат, телескоп и микроскоп – характеризуется минимальным разрешаемым расстоянием μ, или разрешающей способностью, – величиной, обратной минимальному разрешаемому расстоянию –1/μ. Разрешение оптического прибора – это минимальное 
расстояние между двумя точками в изображении или двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно. Невооруженным глазом объекты меньше 0,2 мм мы увидеть не можем 
без использования оптических приборов. Чтобы увеличить разрешающую способность глаза, используют лупу, микроскоп и другие 
оптические приборы. Величина разрешения 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 видны раздельно на расстоянии, при котором главный интерференционный 

максимум одной точки изображения совпадает с первым побочным 
максимумом соседней точки. Таким образом, разрешаемое расстояние микроскопа определяется волновой природой света: 

 
μ = λ / (2 А) = λ / (2n sin α), 
(1.1) 

где λ – длина волны света, формирующего изображение объекта исследования; n – показатель преломления среды, находящейся между объектом и объективом; α – угловая апертура, равная половине 
угла раскрытия входящего в объектив пучка лучей, дающих изображение. Произведение А = n⋅sin α называют числовой апертурой. 
Этот параметр объектива выгравирован на его оправе. У лучших (короткофокусных) объективов максимальный апертурный угол α = 70° 
и sin α = 0,94. 
В большинстве исследований применяют сухие объективы, работающие в воздушной среде (n ≅ 1). Для уменьшения разрешаемого 
расстояния используют иммерсионные объективы. Пространство 
между объективом и объектом заполняют каплей прозрачной жидкости (иммерсионная жидкость, например глицерин, n = 1,4695, кедровое масло, n = 1,5 и т.п.) с большим показателем преломления, что 
повышает разрешающую способность объектива. 
Приняв, что желто-зеленая составляющая спектра белого света 
имеет длину волны λ = 0,55 мкм, получим минимальное разрешаемое 
расстояние (иммерсионный объектив с n = 1,51 и sin α = 0,94) светового микроскопа: 

 
μ = 0,55 / (2 ⋅ 1,51 ⋅ 0,94) = 0,2 мкм, 

т.е. разрешаемое расстояние микроскопа в тысячу раз меньше разрешения глаза. Это означает, что в микроскоп мы можем увидеть детали структуры в 1000 раз меньшие, чем видит невооруженный глаз, 
или что микроскоп дает увеличение 1000 крат. Используя более коротковолновую часть светового спектра, например, уменьшая длину 
волны с помощью светофильтров, можно добиться максимального 
увеличения светового микроскопа 2000 крат. Это предельное увеличение светового микроскопа, так как разрешающая способность светового микроскопа ограничена, прежде всего, длиной волны света. 
Всякий микроскоп состоит из источника света с устройствами 
управления светом, предметного стола для манипуляций с объектом, 
объектива и окуляра, смонтированных в общем корпусе. Объектив 
дает увеличенное промежуточное изображение объекта, которое рас

сматривается в окуляр, как в лупу. Окуляр увеличивает промежуточное изображение объекта и доводит суммарное разрешение 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 
исследуют структуры металлов с увеличениями от 50 до 2000 крат. 
Основное увеличение (до 100 крат) дает объектив, окуляры увеличивают изображение, сформированное объективом, еще в 5 – 20 раз.  
Рекомендуется начинать микроанализ с использования слабого 
объектива, чтобы вначале оценить общий характер структуры на 
большой площади. Затем выбирают объектив с таким разрешением, 
чтобы увидеть необходимые самые мелкие детали структуры. Окуляр выбирают так, чтобы четко были видны детали структуры, увеличенные объективом. Собственное увеличение окуляра выгравировано на его оправе (например, 10×). При выбранном объективе рекомендуется взять такой окуляр, чтобы общее увеличение микроскопа 
находилось в интервале 500×А ... 1000×А, где А числовая апертура 
объектива. Это интервал полезного увеличения микроскопа с этим 
объективом. Увеличение меньше 500×А не позволит различить все 
детали предмета, формируемые объективом с апертурой А. Увеличение больше 1000×А бесполезно, оно не дает новых деталей в изображении, а из-за размытия контуров ухудшается качество изображения. 

1.1.1.2. Устройство микроскопа ЕС МЕТАМ РВ22 

В биологическом микроскопе рассматривают прозрачные для световых лучей объекты, и они обычно исследуются на просвет. В металлографии микроанализу подвергаются непрозрачные для световых лучей объекты – микрошлифы, которые можно рассматривать в 
микроскоп только при отраженном свете. При этом в металлографических микроскопах объектив, кроме основной своей функции – создавать увеличенное изображение объекта, еще является частью осветительной системы: свет от лампы 1 (рис. 1.1) проходит через линзу, 
диафрагмы и светофильтры 2–6, отражается полупрозрачной пластинкой 7 в объектив 8 и освещает объект – микрошлиф 10. Микрошлифом 
называется образец, часть поверхности которого является плоской и 

отполированной. Металлографические микроскопы по конструктивному исполнению делятся на вертикальные и горизонтальные. Общим 
для них является расположение предметного столика сверху над объективом, расположение же основных узлов – различное. 
Вертикальный металлографический микроскоп ЕС МЕТАМ РВ22 
дает увеличение от 50 до 1000 крат. Плоскость шлифа 10 должна 
быть перпендикулярна главной оптической оси микроскопа. Чтобы 
проще выполнить это условие, в металлографических микроскопах 
шлиф устанавливают над объективом. Для этого его ставят полированной поверхностью вниз на предметный столик 9, расположенный 
над объективом 8. Отраженные от шлифа лучи проходят через объектив 8, через полупрозрачный отражатель 7, пропадают на зеркало 
16, и сводятся линзой 15 в фокальную плоскость окуляра 11. С помощью призмы 13 изменяется направление оптической оси микроскопа. Блок призм 12 бинокулярной насадки разделяет пучок лучей. 
Анализатор 14 и поляризатор 17 используются для работы в поляризованном свете. 

 

Рис. 1.1. Оптическая схема микроскопа ЕС МЕТАМ РВ22 

Конструкция микроскопа ЕС МЕТАМ РВ22 предусматривает расположение на одном штативе тубуса, в котором с помощью револьверной головки крепятся четыре разных объектива. Смену объектива 
осуществляют вращением револьверной головки. На корпусе каждого объектива указаны его фокусное расстояние и числовая апертура: 
F = 25, A = 0,17; F = 16, A = 0,3; F = 6,3, A = 0,6; F = 4, A = 0,85. Чем 
больше числовая апертура и меньше фокусное расстояние, тем 
больше увеличение и меньше разрешаемое расстояние объектива. Вы

бор объектива, если набор объективов закреплен на револьверной головке, проще осуществить, ориентируясь на диаметр фронтальной 
линзы. Этот диаметр тем меньше, чем больше увеличение объектива. 
В комплект микроскопа входят пять сменных окуляров: 6,3×; 10×; 
12,5×; 16× и 20×, которые вставляют в бинокулярную насадку. 
Наводку на резкость (фокусировку) осуществляют сначала с помощью рукоятки грубого перемещения тубуса, а затем тубус перемещают с помощью рукоятки тонкой (микрометрической) фокусировки. При этом предметный столик неподвижен. Рукоятки грубой и 
тонкой фокусировки расположены на одной оси и выведены с двух 
сторон штатива. Для рассмотрения разных участков шлифа предметный столик вместе со шлифом перемещают в горизонтальной плоскости относительно неподвижного объектива в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Рукоятки продольного и поперечного 
перемещения предметного столика расположены вертикально на одной оси справа от предметного столика. 
Для общего обзора исследуемого шлифа целесообразно применять объектив малого увеличения (F = 25, А = 0,17) для выявления 
мельчайших деталей структуры используют объектив наибольшего 
увеличения (F = 4,0; А = 0,85). 

1.1.1.3. Приготовление микрошлифов 

К металлографическому шлифу представляются следующие основные требования: на поверхности шлифа не должно быть царапин 
и ямок; шлиф должен быть плоским (без «завалов»), чтобы можно 
было рассматривать его при больших увеличениях. 
Шлиф, т.е. образец с плоской, отполированной механическим методом поверхностью, готовят следующим образом. Вначале обрабатывают образец на плоскость (заторцовка) с помощью напильника или 
наждачного круга. По краям шлифа следует снять фаску, чтобы при 
последующих операциях не порвать полировальное сукно. Затем проводят шлифовку на специальных наждачных бумагах с разной крупностью абразива, постепенно ее уменьшая. При каждой смене номера 
бумаги (крупности абразива) шлифуют в направлении, перпендикулярном направлению предыдущей шлифовки до полного исчезновения царапин от предыдущей шлифовки. Шлифование выполняют 
вручную или на шлифовальном станке. При ручном шлифовании наждачная бумага должна лежать на ровной плоской поверхности, обычно 
на толстом стекле. Шлифование можно проводить не только наждач

ными бумагами, но и специальными пастами, которые наносят на плиту или вращающийся круг и таким образом осуществляют химикомеханическое шлифование. 
После шлифовки образец полируют на вращающемся круге, на котором закреплено сукно, фетр или шелк. Полировальный круг все время 
смачивается водной суспензией – взвесью тонкого абразива в воде. Абразивами для полировки служат оксид алюминия (белого цвета) или 
оксид хрома (зеленого цвета). Для полировки твердых материалов применяют пасту с алмазным порошком. Полирование проводят до получения зеркальной поверхности. Затем шлиф промывают в воде или 
спирте и сушат полированную поверхность фильтровальной бумагой.  
Для получения шлифов используют также метод электролитического полирования (анодного растворения неровностей) в специальных для каждого материала растворах. Этот метод обеспечивает более высокое качество поверхности. 
После полирования микроструктура, как правило, не бывает видна. Исключением являются сплавы, структурные составляющие которых сильно различаются по твердости, в результате чего одни участки шлифа сполировываются больше, другие меньше, и на поверхности образуется рельеф. Для выявления микроструктуры шлиф подвергается травлению – кратковременному действию реактива (обычно разбавленных кислотных, щелочных или солевых растворов).  
В образце с одинаковым химическим составом всех кристаллитов 
(с однофазной структурой) границы между кристаллами растворяются сильнее, чем тело кристаллов, и канавки травления на таких границах проявляются под микроскопом в виде темной сетки. Разные 
кристаллы одной фазы попадают в сечение шлифа различными кристаллографическими плоскостями, которые травятся по-разному. Поэтому кристаллы одной фазы могут иметь различные оттенки. В многофазном сплаве различные фазы (обычно разный химический состав), и структурные составляющие травятся по-разному. Различия в 
травлении создают либо рельеф поверхности, либо разную окраску 
продуктами травления различных элементов структуры. 

1.2. Задание по работе 

1. Ознакомиться с устройством металлографического микроскопа. 
2. Провести сравнительное металлографическое исследование 
двух образцов – технического железа и среднеуглеродистой стали, 
меняя увеличение. 
3. Зарисовать структуры, описать их различие. 

1.3. Требования к отчету о работе 

Отчет о работе должен содержать: 
1) краткий конспект теоретической части работы; 
2) упрощенную схему металлографического микроскопа; 
3) состав исследуемых образцов и их состояние; 
4) схематичные рисунки микроструктур с обозначениями увеличения, травителя, стрелками указать наблюдаемые фазовые и структурные составляющие; 
5) выводы или заключение, объясняющее полученные в работе 
результаты. 

К выполнению работы допускаются только студенты, предъявившие конспект теоретической части работы. К защите допускаются 
студенты с полностью оформленным отчетом, содержащим выводы 
по работе. 

1.4. Указания по безопасной работе 

При полировке шлифа, во избежание травм от быстро летящего 
шлифа, случайно выпущенного из руки, должны соблюдаться следующие условия: 
– полировальное сукно должно быть хорошо натянуто; 
– у шлифа не должно быть острых краев и углов, чтобы шлиф не 
зацепил полировальное сукно и не порвал его, что обычно приводит 
к вылету шлифа; 
– рука со шлифом должна располагаться в направлении вращения 
круга; 
– при вращении круга по часовой стрелке шлиф разрешается полировать только в левой части круга, чтобы в случае выброса, шлиф 
ударялся в стенку. 

Литература 

Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, 
термообработка и рентгенография. М.: МИСиС, 1994. С. 10–13. 

Контрольные вопросы 

1. Что такое разрешающая способность микроскопа, от чего она 
зависит? 
2. Какова разрешающая способность глаза, что это означает? 

3. Каково минимальное разрешаемое расстояние в световом микроскопе? 
4. Каков смысл увеличения микроскопа? 
5. Каковы функции объектива? 
6. На что влияет длина волны используемого света? 
7. Что такое угловая и числовая апертура? 
8. Какова роль объектива и окуляра в создании увеличенного 
изображения объекта? 
9. Что такое металлографический шлиф и какие предъявляются 
к нему требования? 
10. Какова последовательность обработки поверхности шлифа для 
металлографического исследования?