Металловедение : микроструктуры промышленных сталей и сплавов

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
″НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ″МИСиС″

№ 2406

Кафедра металловедения цветных металлов

Металловедение

Микроструктуры промышленных сталей
и сплавов

Лабораторный практикум

Допущено учебно-методическим объединением
по образованию в области металлургии в качестве учебного 
пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению 150400 – Металлургия

Москва  2015

УДК 669.017:620.18
 
М54

Р е ц е н з е н т
канд. техн. наук, проф. В.К. Нарва

А в т о р ы :  И.И. Новиков. В.К. Портной, А.В. Михайловская,
А.В. Поздняков, О.А. Яковцева

 Металловедение : микроструктуры промышленных сталей и
М54 сплавов : лаб. практикум / И.И. Новиков [и др.]. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2015. – 108 с.
ISBN 978-5-87623-772-9

Представлены лабораторные работы по анализу микроструктур термически обработанных углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, магниевых, титановых, оловянных, свинцовых, цинковых и никелевых сплавов.
Содержание практикума соответствует программе дисциплин «Материаловедение», «Современные проблемы металлургии и материаловедения».
Для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению 150400 «Металлургия».

УДК 669.017:620.18

ISBN 978-5-87623-772-9
 Колллектив авторов, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа 1. Микроструктуры термически 
обработанных углеродистых сталей .......................................................4
Лабораторная работа 2. Микроструктуры легированных сталей .......14
Лабораторная работа 3. Микроструктуры магниевых сплавов ..........21
Лабораторная работа 4. Микроструктуры титановых сплавов ..........27
Лабораторная работа 5. Микроструктуры оловянных, свинцовых 
и цинковых сплавов ................................................................................42
Лабораторная работа 6. Микроструктуры алюминиевых сплавов .....52
Лабораторная работа 7. Микроструктуры медных сплавов ...............78
Лабораторная работа 8. Микроструктуры никелевых сплавов ..........96

Лабораторная работа 1

МИКРОСТРУКТУРЫ
ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ 
УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

(2 часа)

1.1. Цель работы

Цель работы – получение навыков проведения металлографического анализа углеродистых сталей после отжига, нормализации, закалки, отпуска и цементации.

1.2. Теоретическое введение

Научные основы термической обработки были заложены великим русским металлургом Д.К. Черновым, открывшим в 1868 г. критические точки структурных превращений в стали. Режимы термической обработки 
стали связаны с критическими точками. Температуру, соответствующую 
линии РК на диаграмме состояния Fе–С (рис. 1.1), обозначают как температуру критической точки A1. Температуры, соответствующие линии GS, 
обозначают критическими точками А3, а линию SE – точками Acm.
Из-за теплового гистерезиса при нагревании стали указанные превращения происходят при температурах выше точек А1, A3 и Aст, а при 
охлаждении – ниже этих точек. Температуру превращения при нагревании обозначают Ac3, а при охлаждении – Аr3).
Структура термически обработанной стали данного состава определяется тремя основными факторами – температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. 
Ниже, на примере эвтектоидной, доэвтектоидной и заэвтектоидной 
сталей, рассматриваются структуры, которые получаются при отжиге, 
закалке, отпуске и химико-термической обработке.

Отжиг и нормализация

Доэвтектоидные стали

Если нагреть сталь до такой температуры, при которой она находится в аустенитном состоянии, и выдержать при этой температуре 

до полной аустенитизации, а затем охладить её с не слишком большой скоростью, то происходит фазовое превращение с образованием 
из аустенита феррито-цементитной смеси.
Эвтектоидная смесь феррита с цементитом растет в виде колоний из отдельных центров в аустенитных зернах ( →  + Fe3C). Чем 
больше скорость охлаждения стали, тем сильнее переохлаждается аустенит ниже 727 °С и более тонкое внутреннее строение имеют колонии эвтектоидной смеси. В зависимости от дисперсности пластинчатой феррито-цементитной смеси различают перлит, сорбит, троостит. 
Среднее межпластиночное расстояние в этих структурных составляющих соответственно равно приближенно 0,5...1, 0,2...0,4 и 0,1 мкм. 

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма системы Fe–C

Твердость перлита – наименьшая, троостита – наибольшая. Перлит 
образуется при небольших степенях переохлаждения аустенита – при 
температурах от A1 до ~ 650 °С (охлаждение с печью со скоростью 
несколько градусов в минуту), и двухфазное строение его колоний 
выявляется при малых и средних увеличениях светового микроскопа. 
Сорбит образуется при несколько больших степенях переохлаждения 
аустенита – в интервале температур примерно 650...600 °С (охлаждение на воздухе со скоростью несколько десятков градусов в минуту). 
Поэтому он более дисперсен и микростроение его колоний выявляется только при больших увеличениях микроскопа. Троостит образуется 
при еще больших степенях переохлаждения аустенита – в интервале 
температур 600...550 °С (охлаждение в масле со скоростью несколько 
десятков градусов в секунду). Колонии троостита растут в виде сферолитов, а их внутреннее строение не выявляется даже при самых больших увеличениях светового микроскопа (разрешаемое расстояние светового микроскопа – 0,2 мкм). Электронно-микроскопическое изучение 
троостита показывает, что он отличается от перлита и сорбита только 
меньшей толщиной пластинок цементита. Благодаря большой дисперсности, троостит сильно растравливается при выявлении структуры, и в 
световой микроскоп виден сплошной темный фон шлифа.
При полном отжиге доэвтектоидную сталь нагревают до температуры выше точки Аc3 на 20...40 °C (рис. 1.2, а), выдерживают и медленно, обычно вместе с печью, охлаждают. При полном отжиге доэвтектоидной стали из аустенита сначала выделяется весь избыточный 
феррит ( → ) и затем образуется эвтектоид – перлит ( →  + Fe3C) 
(рис. 1.3). При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до 
температуры выше точки Ас3 на 30...50 °C), выдерживают и охлаждают на воздухе (рис. 1.2, б). При этом в структуре стали появляется сорбит. Увеличение скорости охлаждения доэвтектоидной стали с температуры выше Ac3 приводит не только к увеличению дисперсности 
эвтектоида, но и к измельчению избыточных выделений феррита. При 
нормализации избыточный феррит не успевает полностью структурно 
обособиться. Не успевший выделиться в виде самостоятельной структурной составляющей избыточный феррит входит в эвтектоид. Такой 
эвтектоид с повышенным количеством феррита содержит меньше 
0,8 % C, и поэтому он был назван А.А. Бочваром квазиэвтектоидом. 
В зависимости от cтепени дисперсности, квазиэвтектоид в доэвтектоидной стали так же, как и эвтектоид в чисто эвтектоидной стали, называют сорбитом или трооститом.

Рис. 1.2. Температура нагрева углеродистых сталей для отжига (а)
и нормализации (б)

Рис. 1.3. Микроструктура стали 45 в отожженном состоянии

Чем больше скорость охлаждения, тем меньше успевает выделиться из аустенита структурно-свободного избыточного феррита. При 
достаточно быстром охлаждении выделение структурно-свободного 
избыточного феррита может быть полностью подавлено, и вся масса 
доэвтектоидной стали в этом случае имеет квазиэвтектоидную структуру. Это лишний раз указывает на то, что содержание углерода можно 
оценивать по микроструктуре только для хорошо отожженных сталей, 
приведенных в равновесное состояние.
Кроме скорости охлаждения на структуру стали сильно влияет температура нагрева в аустенитной области. Чем выше температура нагрева, тем более крупным вырастает аустенитное зерно и тем крупнее получаются выделения избыточного феррита и колонии эвтектоида. Если 
при полном отжиге доэвтектоидную сталь существенно перегреть 
выше точки Ac3, то образуется характерная видманштеттова структура. Из крупных зерен аустенита избыточный феррит выделяется в 
виде ориентированных пластин. При такой структуре сталь обладает 
пониженной ударной вязкостью. Поэтому при полном отжиге и норма

лизации температура нагрева стали не должна значительно превышать 
точку Ac3.

Заэвтектоидные стали

Если заэвтектоидную сталь нагреть до полной аустенитизации 
выше точки Acm и затем медленно, с печью, охладить, то по границам 
аустенитных зерен выделяется вторичный цементит в виде непрерывной сетки. Грубая сетка из хрупкого цементита снижает механические 
свойства стали. Поэтому отжиг с нагревом выше Acm не используют. 
Заэвтектоидную сталь отжигают при температурах выше А1 но ниже 
Acm, при 740...780 °С (см. рис. 1.2, а). После такого нагрева в стали 
остается большое количество нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами превращения во время распада аустенита 
при охлаждении. В результате образуется структура зернистого перлита (сферодита), и такой отжиг называют сфероидизирующим.
Нормализацию заэвтектоидной стали производят с нагревом выше 
Acm (см. рис. 1.2, б). При таком нагреве вторичный цементит полностью растворяется в аустените, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе он не успевает выделиться в виде грубой сетки. 
Нормализованная сталь состоит из сорбита и включений вторичного 
цементита.
Основные цели отжига и нормализации – смягчение стали перед 
обработкой резанием (при отжиге оно более полное) и устранение 
таких «пороков», как вытянутые в направлении горячей деформации 
(например, прокатки) зерна избыточного феррита и сетка вторичного 
цементита.

Закалка

Феррит и цементит отличаются по химическому составу от исходного аустенита. Распад аустенита с образованием феррита и цементита – диффузионный процесс, связанный с перераспределением углерода, т.е. с диффузионным перемещением атомов на значительные 
расстояния, намного превышающие период решетки аустенита. При 
охлаждении углеродистой стали с достаточно большой скоростью, 
например, в холодной воде (сотни градусов в секунду), аустенит настолько сильно переохлаждается ниже 727 °С, что не распадается на 
смесь двух стабильных фаз, так как подвижность атомов при сильном 
переохлаждении очень мала.

При больших переохлаждениях в условиях малой подвижности атомов происходит бездиффузионное полиморфное превращение  → : 
аустенит (раствор внедрения углерода в -Fe с ГЦК решеткой) превращается в мартенсит (раствор внедрения углерода в -Fe с ОЦК 
решеткой). Такое превращение называется мартенситным. Растворимость углерода в -Fe при комнатной температуре в равновесных 
условиях ничтожна. В мартенсите же сохраняется все то количество 
углерода, которое было в исходном аустените. Поэтому мартенсит является метастабильным пересыщенным раствором углерода в -Fe. 
Избыточные атомы углерода делают оцк решетку тетрагональной. 
Для полной закалки доэвтектоидную углеродистую сталь необходимо 
нагреть выше линии GS, выдержать до завершения аустенитизации и 
охладить в воде. После такой обработки структура закаленной стали 
будет состоять из мартенсита и небольшого количества остаточного 
аустенита. В сталях, содержащих более 0,5...0,6 % С, мартенсит образуется в виде ориентированных пластин, сечение которых в плоскости 
шлифа выглядит как иглы, часто расположенные под углами 60 и 120° 
одна к другой. Чем выше температура нагрева под закалку, тем крупнее 
вырастает аустенитное зерно и тем крупнее образуются в нем пластины мартенсита. В правильно закаленной стали мартенсит не имеет под 
микроскопом типичного игольчатого строения и называется «бесструктурный». 
Зависимость температуры закалки стали от ее состава выглядит 
также, как эта зависимость для температуры отжига (см. рис. 1.2, а) и 
должна превышать линию Ас3 для доэвтектоидных сталей и линию А1 
для заэвтектоидных на 30...50 °C. Закалка доэвтектоидной стали с температуры выше точки А1, но ниже A3 называется неполной. В этом случае при температуре закалки в стали, кроме аустенита, находится также избыточный феррит. При закалке аустенит переходит в мартенсит, а 
феррит остается в виде мягких светлых включений на фоне мартенсита. 
Неполная закалка доэвтектоидной стали – это брак термической обработки.
Заэвтектоидные стали нагревают под закалку выше точки A1 на 
35...60 °C (см. рис. 1.2, а). При таком нагреве до температур в интервале А1–Аcm структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита. При охлаждении в воде аустенит превращается в мартенсит. 
Вторичный цементит в структуре закаленной стали полезен: он тверже 
мартенсита и повышает износостойкость инструмента, который изготавливают из заэвтектоидной стали. Нагрев под закалку заэвтектоид

ной стали до полной аустенитизации, т.е. выше Аcm, не проводят, так 
как твердость при этом уменьшается и, кроме того, укрупняется аустенитное зерно и усиливается обезуглероживание.
Если доэвтектоидная или эвтектоидная сталь при нагревании полностью переведена в аустенитное состояние, но охлаждена с недостаточно большой скоростью, то часть аустенита успевает претерпеть распад 
с образованием троостита, а остальная часть аустенита превращается в 
мартенсит. Получающуюся при этом структуру называют троостомартенситной. Троостит растет в виде сферолитных колоний по границам 
аустенитных зерен. Так как троостит травится при выявлении структуры гораздо сильнее мартенсита, то под микроскопом в плоскости шлифа 
трооститные колонии четко различаются в виде черных кругов на фоне 
светлого мартенсита. Эти круги при малом количестве троостита располагаются в виде цепочек, отмечающих бывшие границы зерен аустенита.
Основная цель закалки инструментальных сталей – повышение 
твердости, а конструкционных – устранение мягкого избыточного феррита и подготовка структуры к отпуску на сорбит (закаленная 
сталь тверда, но не обладает необходимой для конструкционного материала вязкостью, сопротивлением ударным нагрузкам).

Отпуск

При отпуске закаленную на мартенсит сталь нагревают до температуры ниже линии А1. Основное превращение при отпуске стали – 
распад мартенсита. Выделение карбида из пересыщенного раствора и 
уменьшение концентрации углерода до равновесной концентрации в 
феррите происходят при нагревании закаленной стали до 400 °C. При 
температуре выше 400 °С идет укрупнение и сфероидизация частиц 
цементита. Карбид образуется в пределах исходных мартенситных игл. 
Поэтому микроструктура отпущенной стали сохраняет игольчатый характер и похожа на мартенсит.
Структуру, получающуюся при отпуске стали ниже 300 °С, называют отпущенным мартенситом; она отличается от мартенсита закалки 
большей травимостью из-за дисперсных выделений карбида. После отпуска в интервале 300...450 °С обнаруживается особенно сильно травящаяся игольчатая структура, которую называют трооститом отпуска. 
Сильная травимость троостита отпуска обусловлена высокой дисперсностью этой двухфазной смеси. При отпуске в интервале 450...650 °С 
получается сорбит отпуска. Цементит в нем находится в виде сферических частиц (в отличие от пластинчатого цементита, образующегося