Лабораторные работы по курсу «Металлография». Часть II

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

К.О. Базалеева, Е.А. Наумова 

Лабораторные работы 
по курсу «Металлография» 

Часть II 

Методические указания  

УДК 669 
ББК 34.3 
 
Б17 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1367.html 
Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Материаловедение» 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний  
 
Базалеева, К. О.  
Б17   
Лабораторные работы по курсу «Металлография». Часть II : 
методические указания / К. О. Базалеева, Е. А. Наумова. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 
123, [5] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4303-1 
Изложена методика выполнения лабораторных работ по курсу 
«Металлография». Описаны основные структуры углеродистых и 
легированных сталей, чугунов, а также сплавов цветных металлов: 
алюминия, меди, титана. Рассмотрено влияние легирования и термической обработки на структуру и свойства этих сплавов. 
Данные методические указания предназначены для студентов  
2-го курса, обучающихся по специальности «Материаловедение в 
машиностроении». 

 
 УДК 669 
 
 ББК 34.3 
 
 
 
 
 
 

 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4303-1 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

Предисловие 

Основной задачей материаловедения является создание новых 
материалов с оптимальным уровнем свойств. В свою очередь  
поиск сплавов нового состава и технологий формирования их 
структуры опирается на взаимосвязь между строением объекта и 
его свойствами. Металлографический анализ является неотъемлемой частью структурного исследования металлов и сплавов. 
Методические указания к лабораторным работам предназначены для ознакомления студентов 2-го курса, обучающихся по специальности «Материаловедение в машиностроении», с основами 
металлографического метода исследования материалов, а также с 
основными принципами формирования структур сплавов различного состава. 
Методические указания по данному курсу состоят из двух частей. Первая часть включает в себя работы, направленные на приобретение общих навыков металлографического анализа: приготовления объектов исследования, работы на оптическом микроскопе, определения фазовых и структурных составляющих сплава, 
количественной металлографии. Во второй части рассмотрены 
принципы формирования структуры в широко распространенных 
промышленных сплавах: сталях, чугунах, сплавах на основе Al, 
Cu, Ti. 
Выполнение данного цикла лабораторных работ позволит студентам использовать металлографический анализ при выполнении 
научно-исследовательской работы, получить знания о типичных 
структурах сплавов различного состава. 

Лабораторная работа № 1 
МИКРОСТРУКТУРА ОТОЖЖЕННЫХ 
УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ 

Цель работы 

1. Ознакомиться с типичными структурами углеродистых сталей. 
2. Закрепить навыки определения элементного состава сплава 
по количественному соотношению структурных составляющих на 
примере углеродистых сталей с помощью диаграммы состояния. 

Теоретическая часть 

На рис. 1.1 представлена метастабильная диаграмма фазового 
равновесия Fe — Fe3C. На диаграмме присутствуют четыре твердые фазы: α (феррит),  (аустенит),  (-феррит) и Fe3C (цементит).  
G и N — точки полиморфных превращений в Fe. Таким образом,  
α и  — твердые растворы с кристаллической объемно-цент- 
рированной (ОЦК) решеткой, а γ — твердый раствор с кристал- 
лической гранецентрированной (ГЦК) решеткой. Соединение 
Fe3C — промежуточная фаза внедрения со сложной ромбической 
решеткой и очень узкой областью гомогенности; содержание углерода в ней составляет 6,67 %. 
К сталям относятся сплавы, в которых не протекает эвтектическое превращение, т. е. с содержанием углерода до 2,06 % (мас.). 
Рассмотрим процесс формирования структуры в них.  
По своей структуре эти сплавы можно разделить на четыре 
группы (табл. 1.1):  
• техническое железо (или армко-железо); 
• доэвтектоидные стали; 
• эвтектоидная сталь; 
• заэвтектоидные стали. 

Рис. 1.1. Диаграмма состояния Fe — Fe3C: 
– – –  — стабильная диаграмма состояния; ––– — метастабильная диаграмма 
состояния 

Таблица 1.1 

Фазовый и структурный состав сплавов системы Fe — Fe3C 

Название сплава 
С, % (мас.) 
Ф.С.* при 20 °С С.С.** при 20 °С

Техническое железо
до 0,006
α
Ф

0,006…0,025
α + Fe3C
Ф + ЦIII

Доэвтектоидная сталь
0,025…0,8
α + Fe3C
П + Физбыт

Эвтектоидная сталь
0,8
α + Fe3C
П

Заэвтектоидная сталь
0,8…2,06
α + Fe3C
П + ЦII

————— 
* Ф.С. — равновесный фазовый состав 
** С.С. — структурный состав

Из диаграммы Fe — Fe3C видно, что при комнатной температуре практически все рассматриваемые сплавы двухфазны: в равновесии находятся α-твердый раствор и соединение Fe3C. Исключение составляют сплавы с содержанием углерода до 
0,006 % — они однофазны. 
Определить количество фазовых составляющих в стали с концентрацией углерода x % можно следующим образом: 

6,67
100 %
100 %;
6,67
0,006
L
x
x
Q
L
Q









 

3
Fe C
0,006
100 %
100 %.
6,67
0,006









x
Q
x
Q
L
Q
 

Из приведенных выражений видно, что с повышением концентрации углерода в сплаве относительное количество цементита 
возрастает. Так как α-твердый раствор обладает низкой прочностью и высокой пластичностью, а цементит, наоборот, является 
прочной, но хрупкой фазой, с повышением концентрации углерода 
показатели прочности сталей возрастают, а показатели пластичности падают. Зависимости механических свойств углеродистых сталей от содержания углерода показаны на рис. 1.2.  
Из рисунка видно, что с увеличением концентрации углерода 
предел прочности σв и твердость HB растут (σв возрастает до некоторого уровня, далее происходит его падение вследствие высокой 
хрупкости материала), тогда как относительное удлинениe δ, относительное сужение ψ и ударная вязкость уменьшаются. Кроме того, с повышением концентрации углерода в стали возрастает температура хрупковязкого перехода Т50. 
Все четыре группы сплавов при охлаждении из жидкого состояния проходят через однофазную γ-область, т. е. независимо от 
концентрации углерода в сплаве при температуре эвтектического 
равновесия (1147 °С) все рассматриваемые сплавы находятся в однофазном аустенитном состоянии. На рис. 1.3 схематически представлена структура аустенита. 
Известно, что фазовый и структурный составы сплава не совпадают после эвтектической и эвтектоидной реакций. В техническом 
железе не происходит ни одного из этих превращений, следовательно, его структура соответствует фазовому составу, т. е. при 

Рис. 1.2. Зависимости характеристик прочности и пластичности от содержания углерода 

 

Рис. 1.3. Структура стали в -области 

концентрации углерода до 0,006 % — это однофазный α-твердый 
раствор, а при большем содержании углерода, кроме α-фазы, в нем 
будет присутствовать небольшое количество цементита третичного ЦIII (рис. 1.4). Цементит третичный наблюдается на границах 
ферритного зерна, значительно снижая пластичность сплава. 

 

Рис. 1.4. Выделения цементита третичного по границам ферритного зерна  
 
Кристаллы α-твердого раствора формируются из γ-фазы в процессе полиморфного превращения в интервале температур между 
линиями GS и GP (см. рис. 1.1). Выделение цементита третичного 
из феррита связано с уменьшением растворимости углерода в αтвердом растворе с понижением температуры; ЦIII начинает выделяться при пересечении линии переменной растворимости PQ, и 
его количество возрастает по мере охлаждения сплава.  
Максимальное количество ЦIII наблюдается в техническом железе с концентрацией углерода 0,025 % (точка Р). В соответствии  
с правилом обратных отрезков количество ЦIII в этом сплаве 

max
ЦIII
0,025
0,006
100 %
100 %
0,3 %.
6,67
0,006
P
Q
Q
L
Q










 

Таким образом, количество ЦIII в техническом железе столь 
мало, что зафиксировать его в структуре практически невозможно. 

Во всех остальных группах сплавов (см. табл. 1.1) при некотором переохлаждении относительно 727 °С идет эвтектоидная реакция: 
γS  αP + Fe3C. 

В результате эвтектоидного превращения формируется эвтектоидная смесь, которая в данном случае называется перлитом. Это 
название связано с перламутровым оттенком данной структуры. 
Перлит имеет пластинчатую структуру — чередование пластин 
феррита и цементита. При этом количественное соотношение фаз 
в перлите определяется как 

П
6,67
0,8
100 %
88 %;
6,67
0,025
Q





 

3
П
Fe C
0,8
0,025 100 %
12 %.
6,67
0,025
Q





 
В эвтектоидной стали (0,8 % С) однофазное аустенитное состояние сохраняется до температуры эвтектоидного равновесия. 
Далее весь аустенит по эвтектоидной реакции изотермически переходит в перлит. На рис. 1.5 представлена структура эвтектоидной стали при комнатной температуре. 

 

Рис. 1.5. Структура перлита 

В доэвтектоидной стали (% С = 0,025...0,8) однофазная -область сохраняется при охлаждении до линии GS (см. рис. 1.1), далее начинается полиморфное превращение: аустенит с ГЦК-ре- 
шеткой переходит в феррит с ОЦК-решеткой. При этом состав 
кристаллов аустенита меняется по линии GS, а состав кристаллов 
феррита — по линии GP. При температуре эвтектоидного равновесия состав аустенитного твердого раствора достигает 0,8 %, и весь 
оставшийся аустенит распадается по эвтектоидной реакции на 
перлитную смесь. Таким образом, в структуре доэвтектоидных 
сталей содержится избыточный феррит, который выделялся между 
линиями GS и PS, и перлит, формирующийся в изотермических 
условиях при температуре 727 °С — Т. Содержание углерода  
в зернах феррита составляет 0,025 %, а в перлите — 0,8 %. 
Количество феррита избыточного и перлита в сплаве x можно 
рассчитать по правилу обратных отрезков: 

Ф
0,8
100 %
100 %;
0,8
0,025
S
x
x
Q
S
P








  

П
0,025
100 %
100 %.
0,8
0,025
x
P
x
Q
S
P








 
В доэвтектоидной стали при концентрации углерода, близкой к 
эвтектоидной (0,8 %), в структуре содержится малое количество 
феррита избыточного, и он выделяется в виде сетки по границам 
бывшего аустенитного зерна (рис. 1.6, а). При большом содержании феррит избыточный присутствует в виде зерен равноосной 
формы (рис. 1.6, б). При концентрации углерода, близкой к точке P 
(0,1 %) (см. рис. 1.1), перлитная смесь вырождается: эвтектоидный 
феррит присоединяется к ферриту избыточному, а цементит эвтектоидный выделяется по границам зерен феррита. Таким образом, 
формируется структура, подобная структуре технического железа, но  
с большим количеством цементита по границам. 
При 
формировании 
структуры 
заэвтектоидных 
сталей 
(0,8...2,06 % С) однофазная аустенитная область сохраняется при 
охлаждении до линии переменной растворимости ES (см. рис. 1.1), 
при дальнейшем понижении температуры аустенитный твердый 
раствор пресыщается углеродом, и из него начинает выделяться