Атлас структурных образований

к. П. Фирстов, Н. Д. Фирстова










                АТЛАС




СТРУКТУРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ





Рекомендовано учебно-методическим советом Нижнетагильского технологического института (филиал) УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина в качестве учебно-методического пособия по дисциплинам «Производство отливок из чугуна и стали», «Производство отливок из цветныхметаллов» и « Металловедение» для студентов всех форм обучения технических специальностей









Москва Вологда «Инфра-Инженерия»

2023

УДК 669.01
ББК 34.6
     Ф62

Рецензенты:
ОАО «Нижнетагильский котельно-радиаторный завод» (главный инженер А. Н.Уманцев);
директор представительства
ФГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в г. Нижний Тагил В. А. Орлов






     Фирстов, А. П.

Ф62      Атлас структурных образований : учебно-методическое пособие / А. П. Фирстов,
     Н. Д. Фирстова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 200 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1443-2

          Содержит классификацию, краткое описание структур и фотографии шлифов основных сплавов черных и цветных металлов. Рассматривается оборудование для микроскопического метода исследования металлов и изготовления шлифов.
          Для студентов технических вузов для практических занятий, для курсового и дипломного проектирования.

УДК 669.01
ББК 34.6














ISBN 978-5-9729-1443-2

          © Фирстов А. П., Фирстова Н. Д., 2023
          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                  © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................4

1. Микроскопический метод исследования металлов......................5
  1.1. Учебные лаборатории...........................................6
  1.2. Изготовление микрошлифов......................................8
  1.3. Работа металлографического микроскопа МИМ-7..................12
   1.3.1. Измерение микроскопического объекта.......................16
   1.3.2. Выявление границзерен.....................................17
   1.3.3. Выявление неметаллических включений при нетравленом шлифе..19
   1.3.4. Оценка величины зерна.....................................20

2. Классификация и маркировка сплавов на основе железа и сплавов цветных металлов..........................................22
  2.1. Классификация и маркировка...................................22
  2.2. Классификация и маркировка чугунов...........................27
  2.3. Классификация и маркировка сплавов цветных металлов..........29
   2.3.1. Сплавы на медной основе...................................29
   2.3.2. Сплавы на основе алюминия.................................32
   2.3.3. Титан и его сплавы........................................33
   2.3.4. Магний и его сплавы.......................................34
   2.3.5. Баббиты (ГОСТ 1320-74 и ГОСТ 1209-90).................... 35

3. Атлас шлифов.....................................................36

4. Термины.........................................................177

5. Рекомендации по составлению отчета..............................191

Библиографический список...........................................192

Перечень сплавов...................................................193

3

ВВЕДЕНИЕ


     В учебных целях «Атлас структурных образований» послужит:
       •  для закрепления полученных знаний по дисциплинам «Металловедение», «Производство отливок из чугуна и стали», «Производство отливок из цветных металлов»;
       •  для успешного освоения основными методами микроанализа сплавов и принципом работы с приборами;
       •  для выбора основных промышленных, а также новых перспективных сплавов и эффективных методов их обработки для обеспечения надежности и долговечности изготавливаемых из них изделий;
       •  для проведения практических или лабораторных работ, с возможностью проверки правильности их выполнения.
     База данных микроструктур металлов и сплавов предназначена:
       •  для металлографических исследований микроструктуры металлов и сплавов;
       •  хранения фотографий и описаний структуры металлов и сплавов;
       •  идентификации микроструктуры по словесному «портрету» (формализованным признакам) с использованием коллекции изображений в практической деятельности;
       •  отбора коллекций микроструктур металлов и сплавов из атласа микроструктур (шлифов) по их марке, химическому составу, обработке, типичным структурным составляющим и т. д., а также по любой комбинации этих признаков.

4

1. МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

     Для изучения строения и свойств металлов и превращений, происходящих в них, применяются различные методы исследования. Одни из них, называемые структурными методами (макроскопический, микроскопический и рентгеновский анализ), позволяют определить структуру металлов и отдельные ее составляющие, имеющие размеры от видимых невооруженным глазом до межатомных (10 8 см). По изменению структуры можно изучать превращения, происходящие в металлах при изменении их химического состава и условий обработки.
     Под микроскопическим анализом (микроанализом) понимают изучение строения металлов и сплавов с помощью металлографического микроскопа при увеличении в 50...2000 раз.
     Задачи микроанализа:
       1) оценка формы и размеров кристаллических зерен металлов и сплавов;
       2) определение формы и размеров неметаллических включений - сульфидов, оксидов идр.;
       3) определение микропороков - микротрещин, раковин, пор и др.;
       4) анализ изменения микроструктуры сплавов после термической, химико-термической обработки и обработки металлов давлением;
       5) определение химического состава некоторых структурных составляющих по их характерной форме и окраске после применения избирательных травителей.

5

        1.1. Учебные лаборатории


     1. Учебная, лаборатория «Металлография».
     Предназначена для проведения лабораторных и практических занятий по курсам: «Физическое металловедение», «Материаловедение».
     Оснащение: металлографические микроскопы, твердомеры типа Роквелл и Бринелль, альбомы микроструктур, атласы микроструктур, наборы шлифов, диаграммы металлов, фотографии микроструктур, образцы, отпечатки слитков для макроисследования, образцы для макроисследования, переводные таблицы твердости, образцы изломов.
     2. Учебная лаборатория «Термическая обработка».
     Предназначена для проведения лабораторных и практических занятий по курсам: «Материаловедение», «Термическая обработка металлов и сплавов».
     Оснащение: муфельные печи, металлографические микроскопы, твердомеры Роквелл и Бринелль, закалочные ванны, установка для торцевой закалки, альбомы микроструктур, наборы шлифов, фотографии микроструктур, диаграммы состояния, таблицы сравнений твердости Роквелла, Бринелля, Виккерса, плакат применения различных металлов в двигателях и конструкциях самолетов.
     3. Участок подготовки шлифов.
     Предназначен для подготовки образцов исследования металлографическими микроскопами по курсам: «Материаловедение», «Физическое металловедение», «Термическая обработка».
     Оснащение: столы для приготовления шлифов, наборы шлифовальных шкурок, установки для полирования образцов, наборы травителей, вытяжной шкаф для травления образцов.

6

    Методические указания по практической и лабораторной работе

     Указания относятся к практической части лабораторной работы, мерам предосторожности и технике безопасности при ее выполнении.
Техника безопасности приработе е химической лаборатории
     Работая в лаборатории, необходимо соблюдать меры предосторожности, придерживаясь следующих правил.
     Общие сведения:
       •  запрещается входить в лабораторию в верхней одежде;
       •  работа в биохимической лаборатории допускается только в специальном халате, так как вероятна возможность загрязнения, порчи одежды при попадании на нее едких реактивов.
     Обращение среактивами:
       •  все концентрированные кислоты и щелочи должны находиться в вытяжном шкафу;
       •  все опыты с ядовитыми и неприятно пахнущими веществами проводить в вытяжном шкафу;
       •  наливать или насыпать реактивы следует только над столом;
       •  не следует оставлять открытыми банки с реактивами;
       •  пролитые или рассыпанные реактивы нужно немедленно удалить со стола, вытерев стол тряпкой и обмыв водой;
       •  пролитые концентрированные кислоты следует засыпать песком, затем собрать песок лопаткой. Облитое место необходимо облить раствором соды и вытереть тряпкой;
       •  при работе с органическими растворителями (спирты, эфиры, ацетон, бензин и др.) нельзя определять вещество по запаху, т. к. может произойти отравление их парами;
       •  наполнение пипеток растворами органических растворителей, кислот, щелочей проводят только при помощи груши;

7

       • внимательно следить за тем, чтобы реактивы (особенно кислоты и щелочи) не попадали на лицо, руки и одежду;
       • не ходить по лаборатории с концентрированными кислотами, а наливать их только в определенном, отведенном для этого месте;
       • не загрязнять реактивы во время работы (не путать пробки от склянок, содержащих разные реактивы; избыток взятого реактива не выливать обратно в склянку; пользуясь пипеткой, набирать каждый реактив только предназначенной для этого пипеткой, ни в коем случае не путать их);
       • в случае попадания на кожу концентрированной кислоты облитое место нужно промыть большим количеством воды, а затем разбавленным раствором соды. При попадании растворов щелочей на кожу пораженное место нужно обмыть сначала разбавленной кислотой, а потом водой.
     Закончив работу, привести рабочее место в порядок.


        1.2. Изготовление микрошлифов

     Для микроанализа из испытуемого материала вырезают образец (микрошлиф) и путем ряда операций (шлифования, полирования, травления) доводят до такого состояния, когда при рассмотрении его в металлографический микроскоп выявляют неметаллические включения, мелкие поры, графит в чугуне (после шлифования и полирования) или микроструктуры (после шлифования, полирования и травления).
     Микрошлиф - это специально подготовленный образец металла или сплава.
     Изготовление металлографических шлифов состоит из вырезания образца, шлифовки и полировки.


8

     Наиболее удобным считается микрошлиф с площадью поперечного сечения приблизительно 1 см² и высотой 10...15 мм. Однако на практике часто изготавливают шлифы и других размеров. Если образцы имеют небольшие размеры, то для приготовления шлифа их зажимают в струбцины или заливают в легкоплавкие материалы (сплав Вуда, полистирол и т. п.) (рис. 1).
     Поверхность образца, на которой должен быть подготовлен шлиф, предварительно выравнивают путем обработки на абразивном круге с периодическим его охлаждением. Для удаления грубого рельефа и наклепа на поверхности образца, получающихся после обработки на абразивном круге, производится шлифовка бумажной шкуркой. Ее нужно начинать с более крупнозернистого материала, последовательно переходя к более мелкозернистому. Абразивными материалами, используемыми для изготовления металлографических шлифов, могут быть электрокорунд, карбид кремния, стекло и другие, которые наносятся на бумагу или ткань.


Рис. 1. Металлографические шлифы: а - нормальные размеры шлифов; б - шлиф, залитый легкоплавким сплавом; в - шлиф, зажатый в струбцину

9

      Шлифовать образцы можно вручную, на неподвижной шкурке, или на шлифовальных станках. Ручная шлифовка - медленный и трудоемкий процесс, однако при нем меньше разогреваются образцы и как следствие - меньше искажается структура поверхности.
      При ручной шлифовке шлифовальную бумагу кладут на толстое ровное стекло, либо на другую полированную поверхность. Шлиф необходимо плотно прижимать к бумаге и придавать ему возвратно-поступательное движение. При переходе от более грубой шлифовальной бумаги к менее грубой, необходимо очищать образец от абразива и менять направление шлифовки на 90°. Обработку на каждом номере бумаги заканчивают после исчезновения перпендикулярных рисок от шлифования на предыдущей бумаге. Для шлифования мягких металлов шкурку предварительно смачивают керосином или натирают парафином, чтобы избежать вдавливания в поверхность образца абразивных частиц (рис. 2).


Рис. 2. Рекомендуемый прием полирования шлифа на полировальной установке:
1 - стол полировальной установки; 2 - диск;
3 - сукно; 4 - защитный кожух

     После шлифования поверхности образца проводят полирование с целью устранения рисок, оставшихся от воздействия абразивных частиц. Полировать

10

шлифы можно также вручную и на полировальных станках. На вращающийся круг станка либо на гладкую поверхность натягивают полировальный материал - фетр, сукно, драп, бархат и другие и смачивают водной суспензией тонкодисперсного абразива (окись алюминия, хрома, магния и др.). Полировку заканчивают после исчезновения рисок от шлифовки на бумаге и при получении зеркальной поверхности шлифа (рис. 3).
     Полированный образец промывают проточной водой и тщательно высушивают фильтровальной бумагой, прикладывая ее к шлифу, но, не вытирая ею.
     При проведении вышеописанной механической полировки возникает некоторое искажение поверхностного слоя металла, поэтому в ряде случаев проводят электрохимическую полировку.


а                б                в

Рис. 3. Различная степень готовности микрошлифа: а - подготовлен к более тонкой шлифовке;
б - требуется продолжение шлифовки на данном абразиве; в- состояние поверхности микрошлифа после полировки

     Приготовленный микрошлиф исследуют под оптическим микроскопом при небольшом увеличении с целью определения качества его изготовления, наличия и распределения неметаллических включений (графита, сульфидов, окислов и т. д.).
     Для исследования микроструктуры шлиф подвергают травлению. Перед травлением поверхность шлифа обезжиривают спиртом. Наиболее часто применяется травление методом избирательного растворения фаз. Он основан на

11