Лаборатория металлографии

Панченко Е.В., Скаков Ю.А., Кример Б.И.

Металлургия, 1965 г.

ВЫЯВЛЕНИЕ  МИКРОСТРУКТУРЫ  ЛЕГИРОВАННОЙ  СТАЛИ

Микроструктура легированных сталей перлитного класса во всех состояниях выявляется теми же реактивами, что и подобные структуры углеродистых сталей.

Сплавы со структурными составляющими различной твердости после чрезмерной полировки приобретают рельеф; иногда происходит также выкрашивание твердых, но хрупких фаз.

Некоторые легирующие примеси, особенно никель и медь, повышают химическую стойкость твердых растворов, другие примеси например хром, кобальт, кремний, марганец, вольфрам и молибден также заметно повышают ее, но только при значительном содержании.

Поэтому для выявления общей структуры и отдельных фаз легированных сталей требуются более концентрированные растворы, а также более активные соли, чем для углеродистых. Хорошие результаты достигаются при предварительном подогреве образца в горячей воде и применении неподогретых реактивов (при использовании царской водки и концентрированных растворов кислот).

Выявление микроструктуры феррита или аустенита сводится к выявлению четких границ между зернами. Это достигается при травлении смесями крепких или мало разбавленных кислот, а также кислыми растворами хорошо диссоциирующих солей. Хлор в момент его⁴ выделения весьма активно проявляет границы и способствует растворению поверхностных слоев зерен.

Феррит легированных сталей выявляется при попеременном травлении и полировке.

Феррит хромистых сталей — химически стойкая фаза и требует применения растворов персульфата аммония, хлорного железа или азотнокислой ртути в соляной кислоте, щелочного раствора красной кровяной соли или молибдата аммония; при обработке раствором молибдата аммония хромовый феррит окрашивается, а раствором красной кровяной соли также окрашивается, но в меньшей степени.

Для выявления кремнистого феррита применимы растворы азотной кислоты — одной или в смеси с серной, плавиковой или уксусной, а также 20%-ный раствор соляной кислоты в изоамиловом спирте, раствор йодный и молибдата аммония. Кремнистый феррит уже при полировке слегка растравливается под действием воды, поэтому кремнистые сплавы (особенно при 4— 6% Si) лучше полировать, применяя спирт, а не воду. При травлении необходимо избегать водных травителей.

При совместном присутствии ферритной и аустенитной фаз выявление их границ достигается травлением крепкими кислотами (азотной и соляной) с перекисью водорода и глицерином, а также солянокислым раствором медного купороса или пикриновой кислотой с хлорной медью или щелочным раствором перманганата. При применении указанных реактивов феррит быстрее опрашивается, а аустенит остается более светлым. Химическое травление, совмещенное с нагревом, также дает разную окраску фаз (см. рис. 31, д, 44, 45).

Аустенитную структуру выявляют специальными реактивами при попеременном травлении и полировке образцов. Наиболее часто используют кислотные растворы сернокислой меди, хлорного железа, азотнокислой ртути и царскую водку. Для смягчения действия к царской водке добавляют глицерин (7г, 7з До 7б). Растворение нержавеющей хромоникелевой стали в концентрированной азотной кислоте связано с тем, что при повышении температуры эта кислота фактически представляет собой смесь азотной, азотистой и азотноватистой кислот, совместное действие которых приводит к окислению, пассивированию и восстановлению. При действии царской водки активную роль играет хлор-ион, разрушающий пассивирующую пленку и способствующий интенсивному травлению стали, начальная стадия которого происходит по границам зерен, двойниковых образований и линий сдвига.

При выявлении аустенита (как и феррита) места залегания неметаллических включений разъедаются⁷ сильнее, получается структура с большим числом черных точек. На рис. 31 приведена структура аустенитной стали, выявленная разными методами, При разведении царской водки глицерином, этиловым или метиловым спиртом при травлении получаются более тонкие границы, как и при добавке перекиси водорода.

Добавка окислителей  к азотной или соляной кислотам (и их смесям) способствует более интенсивному травлению хромоникелевой нержавеющей стали.

В растворе соляной кислоты на нержавеющей хромоникелевой стали пассивирующая пленка не образуется. Добавка ионов серебра, меди, молибдена и ртути в солянокислые растворы увеличивает интенсивность растворения нержавеющей стали.

Растворы серной кислоты с небольшими добавками солей NaClили NaN0₃ также применимы для травления высоколегированных сталей Х18Н12МЗТ, Х18Н11Б, 1Х18Н9Т и др.

Раствор фосфорной кислоты становится интенсивным трави-телем при добавке C11SO4. Для травления хромистой нержавеющей стали рекомендуется раствор из смеси азотной и плавиковой кислот. Подобным же образом действует соляная кислота в изоамиловом спирте.

В закаленной и затем нагретой до 450—800° С нержавеющей стали границы становятся анодами по отношению к зернам и карбидам и поэтому резко выявляются.

При травлении хромоникелевых сталей с ниобием в кипящем щелочном растворе красной кровяной соли аустенит остается светлым, феррит темнеет, а фаза Fe2Nbстановится очень темной. Сигма-фаза (например, в аварных швах) также хорошо выявляется указанным реактивом. При травлении насыщенным водным раствором едкой щелочи эта фаза окрашивается раньше, чем аустенит и карбид.

Феррит и σ-фаза, совместно присутствующие в высокохромистых сплавах, выявляются двойным травлением: первое — химическое (в растворе 4 а КМ11О4, 4 г Na20₂ в 100 см³Н₂0 или в растворе пикриновой кислоты) и второе — тепловое; при этом различаются по окраске феррит, σ-фаза и карбиды. Последовательное травление сначала в 10%-ном водном растворе хромовой кислоты (электролитическое), а затем в кислом растворе марганцовокислого калия окрашивает σ-фазу в желтый цвет, карбиды— в темный, феррит — в сине-фиолетовый. При предварительном травлении в реактиве, состоящем из 1 г пикриновой кислоты, 5 см³НС1 и 100 см³Н2О, и последующем нагреве цвета фаз того же сплава другие: феррит — желтъш, σ-фаза — коричнево-бурая, карбиды — светлые. При подобном травлении также различаются в окраске аустенит и σ-фаза (рис. 46). При электролитическом травлении (плотность тока 0,5—1,0 а/см²) в растворе из 50% ортофосфорной кислоты и 50% глицерина γ-фаза не окрашивается, α-фаза приобретает серый цвет, σ-фаза темнеет. Такой же результат достигается в растворе из 5 см³ортофосфорной кислоты и 95 см³воды.

При предварительном травлении аустенитной стали кипящим раствором щавелевой (10%-ный раствор) или ортофосфорной (5 см³на 95 см³Н₂0) кислоты с последующим погружением в раствор, состоящий из 4 г КМ11О4, 4 г NaOH, 100 см³НгО, γ-фаза не окрашивается, а феррит и σ-фаза при этом различаются по окраске. Применимо также воздействие трех реактивов: 1) травление раствором 5 см³НО, 1 г пикриновой кислоты, 100 см³ спирта для выявления общей структуры, 2) электролитическое травление в 10%-ном растворе КОН для окрашивания σ-фазы в различные цвета, в зависимости от состава сплава и условий травления, 3) для окрашивания карбидов — электролитическое травление в ΝΗ₄ΌΗ (концентрированной).

Под действием уксусной кислоты в зависимости от продолжительности травления аустенит окрашивается последовательно в различные цвета: желтый, красный, пурпурный, голубой, коричневый.

Холоднодеформировйнная аустенитная сталь хорошо травится раствором соляной кислоты с хромовым ангидридом.

Выявление фигур травления на легированном феррите или аустените достигается применением уже указанных реактивов. Ориентировка зерен лучше всего определяется по единичным фигурам травления; слившиеся фигуры делают невозможным определение ориентировки. Фигуры травления аустенита хорошо проявляются под действием 10%-ного раствора азотной кислоты или раствора хлорного железа в соляной кислоте, а также хромовой кислоты.

Аустенит марганцовистой стали Г12 выявляется, помимо царской водки, раствором азотной кислоты с хлористыми солями, а также двойным травлением сначала азотной кислотой, а затем щелочным пикратом натрия. Под действием этих реагентов аустенит окрашивается в серый цвет, а карбид становится темным; феррит остается светлым. Спиртовый раствор йода окрашивает аустенит в марганцовистой стали и не окрашивает в никелевой.

Мартенсит выявляется растворами азотной и пикриновой кислот, а в отдельных случаях — специальными травителями (рис. 32). Для мартенсита легированных сталей лучший травитель — пикриновая кислота. Для травления конструкционных сталей применим также реактив, в состав которого входит хлорная медь.

Перлит,сорбит и троостит в легированных сталях выявляют так же, как в углеродистых, и теми же реактивами. Для избирательного окрашивания сорбита или троостита (в присутствии мартенсита) применяют комбинированное травление реактивами, один из которых содержит пикриновую кислоту в амиловом спирте.

Карбидные и интерметаллидные фазы при травлении кислотными реактивами окраски не меняют. Для выявления природы этих фаз используют специальные реактивы.

Способ травления быстрорежущей и сложных высоколегированных сталей выбирают в зависимости от их состояния. Кованые и отожженные стали со структурой, состоящей из карбидов и сорбита, травят, как углеродистые, азотной или пикриновой кислотами, а еще лучше их смесями. Структуру сталей в литом 4* состоянии с ледебуритной эвтектикой, мартенситом или троости-том и частично нераспавшимся аустенитом выявляют царской водкой с глицерином (в равном соотношении). Перед травлением требуется предварительный прогрев образца в горячей воде, а также многократная полировка и травление для выявления границ фаз.

Структура закаленной и отпущенной быстрорежущей стали со структурой мартенсита, аустенита и карбидов выявляется травлением продолжительностью до 10 мин в 5—8%-ном растворе азотной кислоты в спирте. Структура стали Х12М выявляется быстрее, чем быстрорежущей. Для обнаружения границ зерен в закаленной и отпущенной быстрорежущей стали можно использовать смесь соляной и азотной кислот в метиловом спирте, а также раствор с хлорным железом FeCl₃ (рис. 25, г и 33).

Структура высокохромистых инструментальных ci-алей выявляется раствором соляной кислоты в этиловом спирте.

Попеременное травление царской водкой (сильно разъедающий раствор) и пикриновой кислотой (слабо стравливающий раствор) дает хорошие результаты.

Раствор едкой щелочи позволяет по продолжительности действия установить природу карбида: цементит и вольфрамид окрашиваются в более короткое время, чем карбид вольфрама.

Раствор цианистого калия (яд!) или едкой щелочи с перекисью водорода, наоборот, более интенсивно окрашивает карбид вольфрама, не окрашивая при этом цементита или придавая ему слабую окраску. Раствор цианистого натрия позволяет отличить карбид ванадия от всех остальных карбидов.

При совместном присутствии различных карбидов и вольфра-мидов щелочной раствор красной кровяной соли избирательно окрашивает карбиды и интерметаллиды. Последовательное травление этим и другими реактивами позволяет выявить природу фаз (рис. 34).

В хромистых сталях под действием щелочного раствора красной кровяной соли окрашиваются карбиды а основной фон не окрашивается. При содержании хрома более 30% окрашивается основной фон твердого раствора. Приобретают окраску также растворы, богатые кремнием и марганцем.

Для выявления карбидов в нержавеющих сталях применим раствор хлорной кислоты с небольшим количеством медного купороса или щелочной раствор перманганата; в последнем случае карбиды окрашиваются.

При исследовании высокохромистой стали, склонной к меж-кристаллитной коррозии, применяют растворы, в состав которых входит серная кислота и сернокислая медь.

В стали с высоким содержанием хрома и кремния расположение и природу карбида можно установить с помощью раствоpaплавиковой кислоты (цементит окрашивается значительно раньше, чем карбид хрома).

Выявление карбидной ликвации литой стали карбидного класса достигается травлением 4'%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте по ГОСТ 8233—66 (рис. 9).

Интерметаллидные фазы легированных сталей после полировки и слабого травления видимы под микроскопом, так как большинство их по форме и цвету отличается от основного фона структуры. Так, интерметаллидные фазы титана, циркония и ниобия имеют хорошо ограненные формы (в виде квадратов, треугольников, шестиугольников) и отличаются желтовато-розовым оттенком; фаза с цирконием имеет желтый цвет, σ-фаза с хромом— от темно-желтого до темно-серого

В хромистых, хромоникелевых, хромомарганцевых сталях σ-фаза окрашивается в светло-синий цвет щелочным раствором красной кровяной соли, а также пикриновой кислотой с последующим окислением (см. рис. 46).

При травлении высоковольфрамовых сталей раствором едкой щелочи с перекисью водорода вольфрамид окрашивается в темный цвет в первую очередь. Фаза Fe₃W₂ под действием раствора, состоящего из смеси 4 см^2,NaOH(25%), 4 см^ъ30% Нг0₂ и 100 см³воды, через 2 сек проявляется слабо, через 5 сек—. четко, через 10 сек разъедается, а через 20 сек разъедается сильно, Борид железа темнеет под действием щелочного пикрата натрия.

ВЫЯВЛЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ

Малолегированные чугуны травят теми же реактивами, что и углеродистые стали и чугуны, а высоколегированные — специальными реактивами, применяемыми для аналогичных легированных сталей, однако продолжительность выявления структуры чугунов значительно меньше.

Рекомендуется применять пассивирующие растворы при полировке чугунных образцов, так как они предохраняют от выкрашивания графита.

ВЫЯВЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ, ХИМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ С ПОВЕРХНОСТИ

Образцы, поверхностный слой которых сильно отличается по составу от основного металла, обычно травят для выявления структуры всех трех слоев: поверхностного, переходного и основного. Главная цель — выявить структуру поверхностного слоя.