книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

Реактив и вид реакции

Последовательное

травление:

1) 4% азотная кислота HN03 в спирте; раствор: NaOH 40 г, нитрат натрия NaN03 15 г, вода 60 мл

Феррит и карбиды

20-100 5-10 с Армко Fe горя­ чекатаное по­ сле отжига и нормализации

Продолжение табл. 3.1.2.9

Окраска структурных составляющих:

феррит, аустенит, Примечания a-фаза, карбиды,

интерметаллиды

2) реактив Вилелла: соляная кислота НС1 5 мл, пикриновая кислота 1 г, этанол 100 мл; 10% КОН в воде; концентрированный

раствор гидрата аммиака NH3 H20(N H 40H)

Насыщенный раствор гипосульфита Na2S20 3

Реактив Гросбека: перман­ ганат калия КМп04 4 г, гидроксид натрия Na20 2 4 г, вода 100 мл

Последовательное

травление:

а) реактив Вилелла; б) реактив Гросбека

Щелочной ферроцианид: K3Fe(CN)6 30 г, едкое кали КОН 30 г, вода 100 м

Реактив

Щелочной феррицианид (горячий)

Реактив Гросбека

Пикрат натрия кипящий Уксуснокислый свинец Раствор перманга­ ната в щелочи

Пероксид натрия

Реактив Клемма

Раствор хромовой кислоты

Раствор хлорной меди

Таблица 3.1.2.10

Так, в результате травления в кипящем раство­ ре Гросбека в течение 1-3 мин выявляются карби­ ды хрома и цементит, ст-фаза окрашивается в ко­ ричневый цвет, аустенит — в голубой или желтый, а феррит окрашивается быстрее аустенита в цвета от желтого до коричневого. В ванадиевых сталях карбид ванадия не окрашивается.

Выявление микроструктуры алюминия и его сплавов представляет определенные трудности изза большого количества фаз, образующихся в мно­ гокомпонентных композициях. Характеристика фаз, идентификация которых возможна на нетрав­ леных полированных шлифах, приведена ниже.

Примечание. Фазы, состав которых точно не установ­ лен, приведены в скобках.

Наиболее употребляемые реактивы, предназна­ ченные для выявления микроструктуры на шлифах легированных нержавеющих и специальных ста­ лей, а также цветных металлов и сплавов, приве­ дены в табл. 3.1.2.11.

На поверхности металлического микрошлифа рельеф, обусловленный внутренним строением материала, также можно выявить с помощью элек­ тролитического травления, которое, по сравнению с электрополировкой, осуществляется при значи­ тельно меньших напряжениях на клеммах (в де­ сятки и сотни раз) и в более короткие сроки (в 1050 раз). При удачно подобранной рецептуре рас­ творов различные структурные составляющие рас­ творяются с разной скоростью, что и позволяет определить их местонахождения.

Структурные составляющие, не проводящие или плохо проводящие электрический ток (шлаки, карбиды, сульфиды, оксиды), практически не под­ вергаются растворению.

Образцы для электролитического травления могут быть подготовлены как и для механическо­ го полирования, но лучшие результаты достига­ ются при предварительной электрополировке по­ верхности.

Это особенно важно для получения одноцвет­ ных и ровных пленок при окрашивающем пленоч­ ном анодном травлении.

Электролитическому травлению редко подвер­ гают образцы углеродистых сталей и чугунов, поскольку их структуры легко выявить химиче­ ским травлением, а в легированных сталях этим способом удается эффективно и быстро выявить все детали внутреннего строения. Электролити­ ческое травление чугуна применяют для избира­ тельного окрашивания цементита или раздельно­ го выявления двойной и тройной фосфидных эвтектик. Основные реактивы для электролитиче­ ского травления приведены в табл. 3.1.2.12 и 3.1.2.13.

Универсальный реактив для слабого окраши­ вания интерметаллических соединений и по­ темнения матриц

Для травления всех сплавов олова, окрашива­ ния в коричневый цвет P-фазы сплавов Sn—Cd, почернения твердых растворов, содержащих кадмий

Окончание табл. 3.1.2.12

Особенности применения

Универсальные реактивы. Контрастность травления зависит от напряжения. Карбиды травятся быстрее, чем общая структура. Для выявления a -фазы в хромоникелевых сталях и структуры сварных соединений

Соляная кислота 10 мл, этанол Нержавеющие, быстроре- безводный 90 мл

жущие стали

Хлорное железо 10 г, соляная кислота 30 г, вода 120 мл

Гидроксид натрия 5-8 г, вода

1000 мл

Высокохромистые стали

Для выявления 8-феррита, границ зерен,

a -фазы, первичных карбидов в сплавах и свар­ ных швах

Для выявления общей структуры, границ зе­ рен, фаз никелевых сплавов, карбидов титано­ вых сплавов, a -фазы в швах хромоникелевых сталей

Карбиды, нитриды, вольфрамиды в быстрорежущих и других сложнолегирован­ ных сталях

щины пленки следующая: соломенный (до 16 нм), желтый (до 46 нм), красный и фиолетовый (до 55 нм), синий (до 57 нм), зеленый (до 65 нм), серо­ зеленый (более 65 нм). В процессе окисления один и тот же цвет пленки может повторяться, поэтому при идентификации фаз обязательно учитывается время образования пленки.

Можно нагревать образец на медном листе, уста­ новленном на «песочную баню». При постоянном применении метода лучше использовать печь с ре­ гулятором температуры. Охлаждать образец следу­ ет быстро, чтобы воспрепятствовать дальнейшему неконтролируемому окислению шлифа. Для этого используют ртуть, воду или массивную металли­ ческую плиту. Причем на поверхность шлифа не должны попадать капли охлаждающей среды.

Для использования метода теплового травления или окрашивания фаз металлографический шлиф нагревают в расплавах селитры, свинца, олова, эвтектических сплавах свинца и сурьмы или свин­ ца и олова. С этой целью используют специально сконструированные печи, позволяющие нагревать образцы в расплавах (рис. 3.1.19). Это обеспечива­ ет стабильность температуры окислительной ре­ акции. Тщательно обезжиренный и просушенный образец погружают в ванну с расплавом так, что­ бы его полированная поверхность выступала над уровнем расплава на 1-2 мм. О начале процесса окисления можно судить по уменьшению интен­ сивности отражения света: окисленный срез шли­ фа становится матовым.

Рис. 3.1.19. Схема установки для теплового травления в жидких средах:

1 — электропечь; 2 — тигель; 3 — образец;

4— термопара; 5 — расплавленный металл (Pb+Sn); б— автотрансформатор; 7— штатив;

8 — зажимы к штативу;

9— контрольно-измерительные приборы

Некоторые сплавы образуют прочные пленки, что позволяет увеличить цветовой контраст легкой полировкой. Например, полировка в течение не­ скольких секунд снимает окраску с цементита. Последовательность окрашивания структурных составляющих в чугунах следующая: перлит, фер­ рит, цементит, фосфидная эвтектика. Для более четкого выявления границ фаз применяют предва­ рительное химическое травление. При нагреве об­ разцов сталей до 300 °С ферритные зерна окраши­ ваются сильно, цементит слабее, а карбиды совсем не окрашиваются, поэтому хорошо заметны. На­ грев предварительно протравленных образцов до 500-700 °С позволяет дифференцировать аусте­ нит, феррит и ст-фазу.

В термически обработанных сталях последова­ тельно окрашиваются троостит, сорбит, мартен­ сит, аустенит, карбиды, интерметаллиды. При теп­ ловом травлении сталей, подвергнутых химико­ термической обработке, цементованные и азоти­ рованные образцы нагревают в течение 5-15 мин

менного выявления карбидов и a -фазы в феррит­ ных хромовых сталях удобен реактив Гросбека (4 г К М п 0 4 + 4 г Na20 2 + 100 мл Н20). Этот рас­ твор вытравливает карбиды, а a -фазу окрашивает в желто-зеленый цвет. Более яркий контраст до­

окрашиваются в желто-коричневый цвет, а ст-фаза остается светлой. Металлографический фазовый анализ сталей, содержащих три и более состав­ ляющих, сложен, поскольку карбиды можно пере­ путать с выделениями a -фазы. В таких сложных случаях используют щелочные ферроцианидные травители, например реактив Мураками (10 г K3Fe(CN)6 + 10 г КОН + 100 мл Н20). Приве­ денный раствор способен четко выявлять карбиды, окрашивая их. При этом a -фаза травится слабо. На цветной вкладке помещены рис. 3.1.20-3.1.27, иллюстрирующие применение методов химиче­ ского, электрохимического и теплового травления для выявления и идентификации фаз в сталях и сплавах разного химического состава. Наибо­ лее употребительные режимы теплового травле­ ния металлических материалов приведены в табл. 3.1.2.14.

Взависимости от состава от серо­ синих до белых

Взависимости от состава от ярко­ белых до темнокоричневого

Темнокоричневые

Существенный недостаток метода теплового травления заключается в том, что получение же­ лаемой оксидной пленки требует нагрева до тем­ ператур, при которых возможны изменения в структуре образца. Кроме того, получение воспро­ изводимых результатов требует тщательной отра­ ботки методики.

Разновидностью теплового способа выявления структур является метод нагрева образца в вакуу­ ме (рис. 3.1.28). Он основан на явлении избира­ тельного испарения нагретого металла. Для при­ менения этого способа важно знать давление па­ ров исследуемых металлов при предполагаемой температуре анализа. Если давление паров чистого металла выше, чем давление пара этого же элемен­ та в химическом составе сплава, можно создать рельеф «избирательного строения» на глубину до 30 мкм. В сочетании с другими методами исследо­ вания структуры (например рентгеноспектраль­ ным и рентгеноструктурным) указанный способ выявления отдельных компонент или фаз спосо­ бен дать ценную информацию о процессах, проис­ ходящих в металлах и сплавах при нагреве.

В экспресс-диагностике состояния металлокон­ струкций также находит применение магнитный способ выявления структур. В этом методе на по­ лированную поверхность пробы или участка детали

Рис. 3.1.28. Схема вакуумной установки для теплового травления:

1 — нагревательное устройство; 2 — вакуумная система с рабочей камерой; 3 — образец; 4 - 7 — вакуум-каналы;

8 - 1 1 — краны; 1 2 , 1 3 — вакуумные насосы;

1 4 , 1 5 — манометрические лампы; 1 6 — вакуумметр;

17 — термопара; 1 8 — контрольно-измерительные приборы;

1 9 — автотрансформатор

осаждается коллоидный раствор или наносится магнитная паста (МПЕ), в состав которых входят ферромагнитные дисперсные частицы. При ис­ пользовании суспензии магнитного порошка