Материаловедение. Часть 1

Москва 2023

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС

ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра металловедения цветных металлов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Часть 1

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским  
советом университета

№ 4359

УДК 620.22:669 
 
М34

Р е ц е н з е н т : 

канд. техн. наук, доц. С.С. Киров

К о л л е к т и в  а в т о р о в : 

С.В. Медведева, Р.Ю. Барков, О.И. Мамзурина, О.А. Яковцева

М34  
Материаловедение. Часть 1 : лаб. практикум / 

С.В. Медведева [и др.]. – Москва : Издательский Дом 
НИТУ МИСИС, 2023. – 122 с.

Лабораторный практикум содержит пять лабораторных ра-

бот по основным темам курса «Материаловедение», в результате 
выполнения которых студенты получат навыки практической 
работы на металлографическом микроскопе, твердомерах, разрывной 
испытательной машине, а также научатся проводить 
термическую обработку сталей, готовить образцы для металлографического 
анализа и т.д.

Практикум позволяет полностью обеспечить студентов не-

обходимой информацией для выполнения лабораторных работ, 
предусмотренных учебной программой курса.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 

22.03.02 «Металлургия».

УДК 620.22:669

 Коллектив авторов, 2023
 НИТУ МИСИС, 2023

СОДЕРЖАНИЕ

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

Лабораторная работа 1. Техника микроструктурного 
анализа. Количественная металлография . . . . . . . . . . . . . . .6

Лабораторная работа 2. Методы исследования свойств 
сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

Лабораторная работа 3. Типичные микроструктуры  
сплавов двойных систем, отожженных  
углеродистых сталей и чугунов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

Лабораторная работа 4. Термическая обработка сталей . . .73

Лабораторная работа 5. Микроструктура  
промышленных цветных сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89

Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Материаловедение» входит в блок дисци-

плин базовой части. Для освоения дисциплины необходимы 
знания, умения и навыки из курсов, изучаемых ранее, таких 
как химия, физика, физическая химия, инженерная и компьютерная 
графика. 

Материаловедение – это не просто наука о структуре и 

свойствах металлов и материалов на их основе, а это учение 
о связи практически важных свойств материалов с их химическим 
составом и строением.

Основные задачи, которые решает «Материаловедение»:
1) установление закономерностей формирования струк-

туры и свойств металлических заготовок и изделий при кристаллизации 
из расплава, обработке давлением, термической 
и других видах обработки;

2) установление закономерностей изменения структуры 

и свойств материалов при эксплуатации;

3) выбор металлического материала и технологии его об-

работки для получения заданных свойств и условий эксплуатации;


4) улучшение существующих и создание новых материа-

лов с заданным комплексом свойств.

Лабораторные работы данного курса позволяют на прак-

тике закрепить знания, полученные в теоретической части 
курса. 

В результате выполнения всех лабораторных работ сту-

денты будут:

 
• уметь:

 
– анализировать фазовые превращения при нагревании 

и охлаждении сплавов;

 
– проводить металлографический анализ сталей, чугу-

нов, цветных металлов и сплавов;

 
– измерять твердость, определять механические свой-

ства при статических и динамических испытаниях;

– определять механические свойства материалов при 

различных видах испытаний;

 
– выбирать рациональные режимы термической обра-

ботки металлов и сплавов;

 
– готовить объекты для структурного анализа;

 
• владеть:

 
– методами работы на основных установках для опреде-

ления механических свойств материалов;

 
– навыками проведения термической обработки метал-

лов и сплавов;

 
– навыками анализа микроструктур металлов и сплавов 

на различном уровне;

 
– методами воздействия на структуру металлических 

материалов;

 
– методами контроля качества металлических изделий.

Лабораторная работа 1 

ТЕХНИКА МИКРОСТРУКТУРНОГО 

АНАЛИЗА. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ 

МЕТАЛЛОГРАФИЯ 

(4 часа)

Цели работы:

 
– обоснование выбора метода исследования структуры;

 
– получение навыков приготовления микрошлифов;

 
– освоение работы на световом оптическом микроскопе;

 
– определение методами количественной металлографии 

параметров структуры.

1.1. Теоретическое введение

Наиболее простой метод изучения структуры – макроанализ, который включает в себя изучение структуры невооруженным 
глазом или при увеличениях лупы до 30 крат. 
Объект исследования – темплет – вырезанная из слитка 
поперечная пластина, в которой одну из сторон среза подвергают 
шлифовке, полировке и травлению в соответствующих 
кислотах или щелочах. Зерна, выросшие из разных центров 
и произвольно рассеченные срезом, после травления приобретают 
разный оттенок, между ними вытравливаются границы, 
что позволяет отличить их одно от другого, определить 
их форму и размер.

К макроскопическому анализу относятся также исследо-

вания изломов, которые или возникают в результате каких-
либо разрушений, или получены специально, для выяснения 
особенностей зеренного строения слитков или деталей.

Макроскопический метод недостаточен для изучения 

структуры, полученной после специальной обработки металлов, 
в результате которой зерна измельчаются до размеров 
0,5–15 мкм (микрозеренная структура). Поэтому более широко 
используют микроструктурный анализ с использованием 
металлографических микроскопов, которые позволя-

ют проводить исследования микрошлифов с увеличениями 
от 50 до 2000 крат. 

Разрешающая способность глаза ограничена. Она харак-

теризуется разрешаемым расстоянием, т.е. тем минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при 
котором они еще видны раздельно. Разрешаемое расстояние 
для невооруженного глаза составляет около 0,2 мм. Чтобы 
увеличить разрешающую способность (т.е. уменьшить разрешаемое 
расстояние), используют микроскоп.

Разрешаемое расстояние микроскопа определяется соот-

ношением:

 

λ
µ
=
α
min
,
2 sin
n
  
(1.1)

где l – длина волны света, идущего от объекта исследования 

в объектив; n – показатель преломления среды, находящейся 
между объектом и объективом; a – угловая апертура (
рис. 1.1), равная половине угла раскрытия входящего 
в объектив пучка лучей, дающих изображение. 

Произведение nsina = A называется числовой апертурой 

объектива. Это важнейшая характеристика объектива, которая 
выгравирована на его оправе.

микрошлиф

предметный
столик

Рис. 1.1. Угловая апертура

Из соотношения (1.1) видно, что для увеличения разре-

шающей способности следует увеличить числовую апертуру 
объектива А. У лучших (короткофокусных) объективов максимальный 
апертурный угол a около 70° и sina около 0,94. 
В большинстве исследований применяют сухие объективы, 
работающие в воздушной среде (n = 1). Для уменьшения 
разрешаемого расстояния используют иммерсионные объективы (
n ≥ 1). Пространство между объективом и объектом 
заполняют прозрачной жидкостью (иммерсией) с большим 
показателем преломления. Обычно в качестве иммерсии используют 
каплю кедрового масла (n = 1,51). Если для видимого 
белого света принять l = 0,55 мкм, то минимальное разрешаемое 
расстояние светового микроскопа составит:

мкм
µ
=
=
⋅
⋅
min
0,55
0,2
.
2 1,51 0,94

Таким образом, максимальное полезное увеличение и 

разрешающая способность светового микроскопа ограничены, 
прежде всего, длиной волны света.

Общее увеличение микроскопа

Nобщ = Nоб Nок,

где Nоб и Nок – увеличение объектива и окуляра соответ-

ственно.

Объектив дает увеличенное промежуточное изображе-

ние объекта, которое рассматривается в окуляр, как в лупу. 
Окуляр увеличивает промежуточное изображение объекта и 
не может повысить разрешающей способности микроскопа. 
Основное увеличение (до 100 крат) дает объектив; окуляры 
увеличивают изображение, сформированное объективом, 
еще в 7–25 раз. Собственное увеличение окуляра выгравировано 
на его оправе (например, 10х). 

 Начинающим обучение работе на микроскопе рекомен-

дуется проводить микроанализ с использованием меньшего 
увеличения, чтобы вначале оценить общий характер струк-

туры на большой площади, а затем выбирают объектив с такой 
разрешающей способностью, которая позволяет увидеть 
необходимые самые мелкие детали структуры.

Еще более тонкий метод изучения структуры – электронно
микроскопический анализ. Для большинства задач, решаемых 
в материаловедении с помощью электронных микроскопов, 
достаточно иметь разрешаемое расстояние 1–2 нм. 
Максимальное полезное увеличение электронного микроскопа 
как отношение разрешаемого расстояния глаза (0,2 мм) 
к разрешаемому расстоянию микроскопа составляет 106 крат, 
наиболее часто в большинстве задач используют 104–105 крат. 
Для формирования изображения используют поток электронов, 
имеющих длину волны от 0,004 до 0,0009 нм.

При взаимодействии быстрых электронов с веществом 

происходят разнообразные процессы, которые используют 
для анализа строения и состава этих веществ в микрообъемах.

Большинство материалов при толщине менее 0,1 мкм 

прозрачны для электронов и являются объектами для исследования 
в просвечивающем электронном микроскопе 
(ПЭМ). Такие образцы из металлических сплавов (их называют 
фольги) чаще всего получают электролитической полировкой (
анодным растворением) заготовки в виде диска диаметром 
3 мм и толщиной 0,1–0,2 мм. В момент появления 
отверстия в центре диска при его электрополировке, края 
этого отверстия приобретают толщину около 0,1 мкм, необходимую 
для просвечивания электронами. Другими объектами 
исследования в ПЭМ являются реплики – это не сам образец, 
а слепок с его поверхности.

Рентгеноструктурный анализ основан на получении и 

анализе дифракционной картины, возникающей в результате 
интерференции рентгеновских лучей, рассеянных электронами 
атомов облучаемого объекта.

Рентгеноструктурным анализом определяют тип кри-

сталлической структуры вещества, периоды решетки, нарушения 
кристаллического строения, внутренние напряжения 
и др. 

Рентгеноспектральный анализ, используя различия 

в характеристических излучениях разных элементов, позволяет 
определять химический состав веществ. Кроме этих 
назначений, рентгеновские лучи позволяют, просвечивая 
детали, выявлять внутренние пороки, пустоты, раковины, 
поры, трещины и т.п., вызванные недостатками технологии 
получения этих деталей – это называется рентгеновской дефектоскопией.

Устройство металлографического микроскопа 

ЕС МЕТАМ РВ

В металлографии микроанализу подвергаются непро-

зрачные для световых лучей объекты – микрошлифы, которые 
рассматривают в микроскоп в отраженном свете. 

Микрошлифом называется образец, часть поверхности 

которого является плоской и отполированной.

Металлографические микроскопы по конструктивному 

выполнению делятся на вертикальные и горизонтальные. 
Общим для них является верхнее расположение предметного 
столика, а расположение же основных узлов – различное.

Вертикальный 
металлографический 
микроскоп 
ЕС  

МЕТАМ РВ дает увеличение от 50 до 1000 крат. В этом микроскопе (
рис. 1.2) свет лампы 1 проходит через коллектор 
(собирательную линзу) 2, теплофильтр 3, светофильтр 4, 
осветительную линзу 5, ирисовую диафрагму 6, попадает 
на полупрозрачный плоскопараллельный отражатель 7. 
Часть светового потока проходит через него и рассеивается 
в микроскопе, а часть лучей отражается вверх от отражателя, 
проходит через объектив 8 и через отверстие в предметном 
столике 9, попадает на шлиф 10.

Плоскость шлифа должна быть перпендикулярна глав-

ной оптической оси микроскопа. Чтобы проще выполнить 
это условие, в современных металлографических микроскопах 
шлиф устанавливают над объективом (см. рис. 1.2). 
Для этого шлиф 10 ставят полированной поверхностью вниз 
на предметный столик 9, расположенный над объективом 8. 

Отраженные от шлифа лучи проходят через объектив 8, по-
лупрозрачный отражатель 7, попадают на зеркало 16 и сводятся 
линзой 15 в фокальную плоскость окуляра 11. С помощью 
призмы 13 изменяется направление оптической оси 
микроскопа. Призменный блок 12 бинокулярной насадки 
разделяет пучок лучей. 

1
2
3 4 5
6
7

8
9 10

17

16 15
14
13
12
11

Рис. 1.2. Оптическая схема микроскопа ЕС МЕТАМ РВ: 

1 – лампа; 2 – коллектор; 3 – теплофильтр;  

4 – светофильтр; 5 – осветительная линза; 6 – диафрагма; 

7 – полупрозрачный отражатель; 8 – объектив;  
9 – предметный столик; 10 – плоскость шлифа;  

11 – фокальная плоскость окуляра; 12 – блок призм;  

13 – призма; 14 – поляризатор; 15 – линза; 16 – зеркало; 

17 – анализатор

Конструкция микроскопа ЕС МЕТАМ РВ предусматри-

вает расположение на одном штативе тубуса, в котором 
с помощью револьверной головки крепятся четыре разных 
объектива. Смену объектива осуществляют вращением револьверной 
головки. Фокусное расстояние F и числовая 
апертура  A каждого объектива указаны на его корпусе.