Металлография металлов, порошковых материалов и покрытий, полученных электроискровыми способами

МЕТАЛЛОГРАФИЯ МЕТАЛЛОВ, 
ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 
И ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ 

ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМИ СПОСОБАМИ

Â.Í. ÃÀÄÀËÎÂ, Â.Ã. ÑÀËÜÍÈÊÎÂ,

Å.Â. ÀÃÅÅÂ, Ä.Í. ÐÎÌÀÍÅÍÊÎ

Монография
Монография

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Москва 
ИНФРА-М 

202

УДК 621.7
ББК 34.5
 
Г13

Гадалов В.Н.

Металлография металлов, порошковых материалов и по
крытий, полученных электроискровыми способами : монография / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко. — Москва :  ИНФРА-М, 2024. — 468 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-009752-7 (print)
ISBN 978-5-16-101162-1 (online)

В издании изложены и обобщены рекомендации по подготовке шлифов 

для макро- и микроструктурного анализа, рассмотрены основные группы металлических материалов, включая стали на основе системы железо — углерод, 
стали и сплавы с особыми химическими свойствами, жаропрочные, тугоплавкие 
металлы и сплавы, даны основные сведения о строении и свойствах сплавов 
на основе титана, алюминия, меди и цинка. Изложены способы термической 
обработки сталей и сплавов и влияние различных структурных составляющих на 
свойства материалов, уделено внимание поверхностному упрочнению металлов 
и сплавов и нанесению покрытий с особыми свойствами и их последующей 
обработке, приведены макро- и микроструктуры сварных соединений. Представлены атласы структур и изломов.
 
УДК 621.7

ББК 34.5

Г13

©  Коллектив авторов, 

2011

Подписано в печать 23.11.2023.

Формат 60×90/16. Гарнитура Newton. 
Бумага офсетная. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 29,25.

ППТ12. Заказ № 00000

ТК 150100-2124912-250311

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ISBN 978-5-16-009752-7 (print)
ISBN 978-5-16-101162-1 (online)

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая книга является монографией в области общего мате
риаловедения, получения защитных покрытий с приложением атласов 
макро- микроструктур и изломов металлов, сплавов и покрытий. Пособие предназначено для студентов машиностроительных, приборостроительных и строительных специальностей технических вузов, а 
также будет полезно как практическое пособие технологам и преподавателям вузов, научно-техническим работникам, аспирантам, инженерам, работающим в областях машиностроения, металлургии и в 
смежных отраслях.

В издании изложены и обобщены вопросы металлографии и тер
мической обработки сталей и сплавов, поверхностного упрочнения и 
нанесения покрытий с особыми свойствами и их последующей обработки, приведен большой объем справочной информации.

Авторы стремились изложить материал книги с учетом последних 

исследований в области металловедения и разработки новых материалов и нанесения покрытий с особыми свойствами и структурой.

В учебном пособии использованы материалы научных исследова
ний, проведенных на ряде кафедр Юго-Западного государственного 
университета, а также в других организациях под руководством авторов.

Введение и главы 3, 4, 5, 6, 12 написаны В. Н. Гадаловым.
Главы 8, 9, 10, 11
написаны В.Г. Сальниковым.

Главы 1, 2 
 
 
написаны Д.Н. Романенко

Главы 7, 13  
 
написаны Е.В. Агеевым.

Авторы приносят извинения за возможные опечатки и ошибки.

ВВЕДЕНИЕ

Вряд ли можно назвать хотя бы одну отрасль промышленности, в 

которой не применяются металлы. В тяжёлом и транспортном машиностроении, энергомашиностроении, в автомобильной промышленности и во многих других отраслях основное оборудование изготавливается из металла. В связи с этим разработка и освоение технологии 
производства современных металлов и сплавов, необходимых промышленности, является одной из важнейших задач науки и практики.

Металловедение*1 - это наука материаловедения, занимающаяся 

разработкой принципов выбора и создания материалов с наперёд заданными свойствами применительно к требованиям их практического 
использования.

Основная задача этой науки - разработка принципов выбора и соз
дания материалов путём определения взаимосвязи электронного 
строения материалов с их составом, структурой, свойствами.

Для большинства технических материалов как металлических, так 

и неметаллических характерно кристаллическое состояние. Это позволяет с единых позиций рассмотреть закономерности формирования 
кристаллической структуры и свойств, определяемых природой связи 
между атомами.

Связь между свойством и кристаллической структурой, с одной 

стороны, и свойствами с другой, создаёт возможность не только 
улучшения свойств уже имеющихся материалов посредством корректировки химического состава и внешних воздействий, влияющих на 
структуру (теплового, пластического деформирования и др.), но и 
создания новых материалов с особыми свойствами.

Развитие тонких новых методов исследования кристаллической 

структуры создаёт научную основу для изыскания новых материалов 
и разработки новых технологических процессов. Необходимость в 
новых материалах диктуется научно – техническим прогрессом, который выдвигает новые требования к их свойствам, вследствие неуклонного повышения рабочих параметров машин и приборов.

Металлография 2 является одним из разделов науки о металлах 

металловедения. Металлография изучает влияние химического состава и различных видов обработки на структуру металлов и сплавов и 
закономерности структурообразования.

Основоположниками металлографии являются отечественные учё
ные П.П. Аносов (1799 – 1851) и Д.К. Чернов (1831 – 1921). Первые 
металлографические исследования железа и сплавов (в 1831 г) провёл 

1 - Верхотуров А.Д. О значении слова «материаловедение» («металловеде
ние») // МИТОМ, 1987, №2 – с. 37-39. 

2 - Лившиц Б.Г. Металлография//Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1990 –

236 с.

в России П.П. Аносов, который применил микроскоп и наблюдал изменения структуры после ковки и термообработки, установил существование связи между строением и свойствами стали. Он разработал 
теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали, из 
которой стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали зависит непосредственно от её структуры во всём объёме. 
Признанным отцом металлографии является русский металлург Д.К. 
Чернов, который открыл зависимость свойств, стали от температуры 
нагрева и охлаждения. Он указал значение длительности выдерживания стали при той или иной температуре, заложив тем самым основы 
изучения кинетики фазовых превращений и формирования структуры.

Известные работы Д.К. Чернова (1878) по кристаллизации и строе
нию слитка положили начало идеям теории затвердевания, не утратившим научного и практического значения и в настоящее время.

В начале XX века Н.С. Курнаков и его последователи провели ис
следования многих сплавов, на основании которых построили диаграммы состояния и установили зависимости между составом, структурой и свойствами различных сплавов, применив методы физикохимического анализа. В процессе исследований были обнаружены 
многие ранее неизвестные фазы в металлических сплавах, изучены 
условия их существования, вместе взятые они представляют собой 
стройное учение о фазовом равновесии металлических систем, составляющие одну из частей современной металлографии.

Для практической металлографии важно знать не только фазовое 

равновесие конкретных систем, но и их строение в общем понимании 
этого слова, а именно: атомное строение фаз, составляющих сплав; 
размер, форму и распределение кристаллов каждой фазы.

В настоящее время для структурного анализа используется рентге
новские лучи, электроны и нейтроны. Электронная оптика позволила 
усовершенствовать микроскопию, что позволило увеличить разрешение с 2000 до 106 раз для электронного микроскопа.

Электронная микроскопия тонких металлических фольг и нейтро
нография позволяют изучать элементы кристаллической структуры. 
Её дефекты и закономерности превращений под воздействием температуры, давления и др.

Фундаментальный вклад в теорию кристаллизации заложены рабо
тами Фольмера и Вебера (1925 г). Следует отметить, что ещё в 1878 г 
Д.К. Чернов сформулировал основные идеи теории образования зародышей («зачатков» в его терминологии). Общая теория кристаллизации была применена для исследования превращений в твёрдых металлах Тамманом.

Среди последующих работ следует отметить работы Б.В. Старкова 

и его ученика И.Л. Миркина (1935 г), посвящённых описанию распада 
аустенита на основе общей теории кристаллизации с использованием 
представлений о зарождении и росте.

В создании теории и практики термической обработки металлов 

много сделано С.С. Штейнбергом и его учениками. Многое для развития технологии термической и химико-термической обработки сплавов сделали Н.А. Минкевич, Н.Т. Гудцов, А.А. Бочвар. Значителен 
вклад в общую теорию термической обработки стали, закалки и отпуска школы Г.В. Курдюмова. Возможности упрочнения и изменения 
физико-механических свойств при старении сплавов были обнаружены в начале 20-го века многими учёными одновременно. Исследованию механизма старения сплавов посвящены работы. Т. Конобеевского, М.И. Захарова, Д.А. Петрова. Теория распада при старении была 
разработана Конобеевским совместно с Ю.А. Багаряцким.

Возможность изменения структуры при отжиге деформированного

металла была высказана Калишером в Германии, впервые структуры, 
образующиеся при рекристаллизации, наблюдали в Англии в 1920 г 
Элам с Карпентером. Значительный вклад в теорию рекристаллизации 
сделан А.А. Бочваром. Им же в 1943 г была разработана теория эвтектической кристаллизации.

При исследовании микроструктур современная металлография 

опирается на дислокационную структуру. Существенный вклад в теорию дислокации и её экспериментальные основы внесли за границей 
Тейлор, Орован, в России Я.И. Френкель и Т.А. Конторова.

Исследованию механизма и кинетики фазовых превращений в ме
таллических сплавах посвящены работы крупных отечественных учёных А.А. Байкова, В.Д. Садовского, С.Т. Кишкина, Н.В. Агеева, А.Л. 
Бабошина и многих других. 

Для решения основной задачи металлографии - определения связи 

между структурой металлических материалов и их свойствами можно 
разделить на две группы: структурные и механические. Для оценки 
поведения деталей при изготовлении и эксплуатации используют разнообразные технологические пробы и стендовые испытания.

К структурным методам относятся такие, которые основаны на не
посредственном наблюдении строения металла или сплава (макроскопический анализ, микроскопический анализ, просвечивающая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, рентгеноструктурные и др.).

Для контроля качества металлов основными являются величины, 

характеризующие сопротивление деформации (выраженные в напряжениях) или разрушению (выраженные в напряжениях с учетом длины трещин), деформацию (выраженную, например, относительным 
удлинением) и вязкость (выраженную работой деформации или разрушения), которые носят название механических свойств.

Наиболее полную информацию о строении и свойствах металлов и 

сплавов получают, применяя комплекс методов: структурных, физи

ческих, определения механических свойств и др. с использованием 
ПЭВМ.1

1 - Скоснягин Ю.А. Семинар «Компьютерное моделирование и информатиза
ция создания новых веществ и материалов»//Автоматическая сварка, 1995, №7. с 
56-57. 

ГЛАВА 1. 
АНАЛИЗ МАКРОСТРУКТУР МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

К основным свойствам металлургической продукции относятся: 

структура; величина зерна; прокаливаемость, механические, физические, химические свойства и др.

Структура сплавов контролируется на трех уровнях: макрострук
тура, микроструктура и тонкая структура. 

Контроль макроструктуры основной вид испытаний для определе
ния качества металлов и сплавов, в частности стали, и влияния дефектов металлургического производства и термической обработки.

1.1. АНАЛИЗ МАКРОШЛИФОВ

Для контроля металла слитков, отливок, катаных и кованых заго
товок образцы (пробы) вырезают в направлении, перпендикулярном 
продольной оси. При изучении строения слитка, при макроанализе 
сварных швов образцы микрошлифов вырезают и в продольном направлении (параллельно продольной оси). Эти образцы называют 
темплетами. 

Существуют несколько общих правил отбора и вырезки проб. 

Пробы отбирают из более загрязненной части слитка. При вырезке 
теплета расстояние от края заготовки должно быть не менее одного ее 
диаметра или стороны. Длина пробы должна быть не менее четырех 
диаметров (сторон) заготовки; темплет вырезают из середины пробы.

Рекомендуемая высота поперечных темплетов 15 – 40 мм. Длина 

продольных темплетов 100 – 150 мм.

Макрошлифом называется поверхность образца (темплета), под
готовленная для исследования макроструктуры. 

Контролируют макроструктуры как на поперечных, так и на про
дольных изломах. Для контроля излома темплет надрезают на глубину, позволяющую получить излом высотой 
10 мм для прутков диа
метром 
80 мм и 
5 мм – для прутков диаметром 
80 мм. Надрезан
ные образцы закаливают по режиму, принятому для данной марки 
стали, а затем ломают на копре или под прессом. Иногда после прокатки или ковки пробы отрезают в горячем состоянии. Условия резки 
(нагрев от автогена, смятие от пресса или пилы) не должны сказываться на состоянии поверхности контролируемого сечения. 

Контролируемую поверхность темплетов торцуют, строгают и 

шлифуют. Готовая поверхность должна быть ровной, гладкой, без 
наклепа и прижога.

Для выявления строения и дефектов макроструктуры темплеты 

травят специальными реактивами. Травление происходит неравно

мерно по подготовленной поверхности образца. Места скопления 
примесей, различные несплошности (поры, раковины, трещины) и 
другие дефектные участки структуры травятся сильнее. На поверхности макрошлифа появляются углубления, попадая в которые отраженный свет рассеивается и эти участки воспринимаются глазом как темные, в то время как гладкие, менее сильно травящиеся, участки поверхности кажутся светлыми. 

Оценку макротемплетов и изломов производят визуальным осмот
ром. Для уточнения классификации дефектов применяют двух- и четырехкратное увеличение. 

Макроструктуру металла сравнивают с фотоэталонами стандарт
ных шкал макроструктуры – ГОСТ 10242 – 75. Степень развития дефектов (балл) определяется количеством дефектных участков, их размерами, резкостью проявления, площадью образца, пораженной дефектами, или глубиной их залегания. 

Данный ГОСТ предусматривает оценку по пятибалльным шкалам 

следующих дефектов:

1. Центральной пористости.
2. Точечной неоднородности.
3. Общей пятнистой ликва
ции.

4. Краевой пятнистой ликва
ции.

5. Ликвационного квадрата.

6. Подусадочной ликвации.
7. Подкорковых пузырей.
8. Межкристаллитных трещин 

и прослоек.

9. Послойной кристаллизации.
10. Светлой полоски (контур)

Для выявления макроструктуры применяют реактивы глубокого и 

поверхностного травления, а также используют метод отпечатков. 

Метод отпечатков основан на том, что изображение структуры 

проявляется не на самом шлифе, а на фотобумаге. Этим методом выявляют неравномерное распределение (ликвацию) серы в стали. Сера 
находится в стали в виде сернистых соединений – сульфидов марганца и железа. Для выявления скоплений этих включений используют 
метод серного отпечатка (метод Баумана).

Фотографическую бромосеребряную бумагу засвечивают, смачи
вают в 5%-ном растворе серной кислоты, слегка подсушивают и укладывают на поверхность шлифа. Сернистые включения FeS и MnS, 
находящиеся на поверхности шлифа, реагируют с серной кислотой. 
При этом выделяется сероводород, который вступает в реакцию с 
бромистым серебром фотоэмульсии. Фотобумага в этом месте темнеет и на ней появляется отпечаток сернистого соединения. Затем бумагу промывают и закрепляют в растворе гипосульфита и подсушивают. 
На бумаге получается поверхность макрошлифа коричневого цвета, а 
участки скопления серы имеют более темную окраску. Полученный 
отпечаток показывает форму и распределение сульфидов в исследуемой стали.

Глубокое травление применяют для выявления макродефектов 

(пор, раковин, трещин и др.). В этом случае в качестве реактивов для 
травления сталей используют концентрированные растворы кислот 
или их смесей. Широко распространен реактив следующего состава: 
100 мл соляной кислоты, 100 мл воды. Травление осуществляется погружением образца в горячий реактив (t = 60 – 80 С), продолжительность травления 5 – 45 минут. Реактив рекомендуется для сталей всех 
составов, кроме специальных.

Для выявления несплошностей в сталях применяют поверхностное 

травление в реактиве Гейна, содержащего 85 г CuCl2 и 53 г NH4Cl, 
растворенных в 1000 мл воды. Режим травления (температура реактива 20 С, время травления 0,5 – 1,2 мин.). При погружении в реактив 
макрошлифа протекает обменная реакция. Железо растворяется и вытесняет медь из раствора, которая оседает на поверхности образца. На 
участках, недостаточно защищенных медью (поры, раковины, трещины, неметаллические включения), травление происходит сильнее. 
Осевшую на поверхности медь снимают ватным тампоном. 

Вышеуказанные реактивы глубокого и поверхностного травления 

применяются для выявления дендритного строения слитков, волокнистости кованой и катаной стали. Из-за неоднородного состава и различного строения волокна металла имеют различную травимость. Полосы, содержащие большое количество включений, имеют более темный цвет.

Для определения глубины поверхностного слоя, образованного по
сле цементации или закалки крупных изделий, темплет травят 3 мин. 
в 50 %-ном растворе соляной кислоты при 80 С. После травления 
закаленный слой имеет более темную окраску.

В таблице 1.1 представлены составы травителей для макроскопи
ческого исследования сталей и чугунов, а также режимы травления и 
способы употребления. На практике используют и другие реактивы, 
составы которых обычно указаны в справочной литературе.