Metalografie II - Pozorování světelným mikroskopem
Mikroskopické zjišťování základních struktur ocelí, litin a neželezných kovů
Po vybroušení, vyleštění a naleptání výbrusu provádíme mikroskopické pozorování struktury. Při pozorování se zaměřujeme hlavně na hodnocení jednotlivých charakteristických znaků struktury, které mají vliv na vlastnosti kovu nebo slitiny. Jsou to zejména:
počet strukturních složek
druh strukturních složek
charakter strukturních složek
stav vzorku (po odlití nebo po mechanickém či tepelném zpracování)
jakost provedeného zpracování
Pro identifikaci strukturních fází používáme v metalografii často vertikální metalografické mikroskopy. Pozorování se provádí zdola, tzn.. že vzorek je umístěn nad objektivem, takže pouhým položením vzorku na stolek mikroskopu je zajištěna kolmá poloha pozorovaná plochy k optické ose.
Vertiální metalografický mikroskop je výhodný pro svou stabilitu a úsporu místa. Pozorovaný vzorek se pokládá na pracovní stůl mikroskop, který je možno posouvat pomocí dvou vzájemně kolmých šroubů . Pozorování je tak možné provádět v různých místech studované plochy. Obraz se zaostřuje zvedáním nebo snižováním pracovního stolku pomocí dvou stavěcích šroubů (jeden je na hrubé a druhý na jemné zaostření struktury).
Optický systém metalografického mikroskopu se skládá z objektivu, okuláru, pomocných čoček, zrcátek a hranolů.
Základní částí mikroskopu je objektiv, který vytváří zvětšený a převrácený obraz studované struktury. Objektiv se skládá z několika čoček, neboť zobrazení jednoduchou čočkou není dokonalé.Obraz vytvořený objektivem je okulárem dále zvětšen. Zvětšení mikroskopu při vizuálním pozorování je určeno součinem zvětšení objektivu a okuláru, které je vyryto jejich objímkách.
Zde používaný metalografický mikroskop je dobře vybaven pro pozorování ve světlém a tmavém poli:
Při pozorování ve světlém poli se část světla vysílaného zdrojem odráží od planparalelního skla, projde objektivem a dopadá kolmo na povrch výbrusu.Odražené paprsky se potom vracejí objektivem zpět do okuláru. Při tomto průchodu světla se jeví rovné plochy výbrusu, které odrážejí paprsky, jako světlé. Prohlubně, rýhy a nerovnosti, které paprsky do objektivu neodrážejí, jako tmavé.
Při pozorování v tmavém poli musíme mikroskop upravit tak, že do průchodu paprsků vsuneme clonu a paprsky pak procházejí pouze jejím mezikružím. Po odrazu od planparalelní destičky se dále odrážejí od zrcadlových plošek kondenzoru nasazeného na objektiv. Na výbrus dopadají tedy paprsky šikmo a odrážejí se od roviny výbrusu mimo objektiv. V okuláru se proto odrážející se paprsky jeví jako tmavé. Nerovnosti potom odrazí alespoň část světla do objektivu a jeví se jako světlé.
Základní strukturní fáze ocelí a litin
Základní podmínky pro vznik jednotlivých strukturních fází příslušného kovu znázorňují rovnovážné i nerovnovážné diagramy. Na obr. 1 je část rovnovážného diagramu soustavy Fe-C.
Obr.1: Část rovnovážného diagramu soustavy Fe - C
V rovnovážném diagramu metastabilní soustavy Fe-Fe3C můžeme podle obsahu uhlíku vymezit několik koncentračních oblastí s charakteristickými strukturními součástmi, ve kterých se mění struktura a vlastnosti slitin jen na základě změny podílu přítomných složek.
Slitiny s nízkým obsahem uhlíku do 2,14 %C se nazývají oceli. Uhlík je nejdůležitějším prvkem oceli. Množství uhlíku určuje vlastnosti každého druhu oceli. Uhlík se vyskytuje ve slitinách železa volně jako grafit nebo ve formě sloučeniny se železem. Tato sloučenina Fe3C (karbid železa) se v metalografii nazývá cementit.
Oceli rozdělujeme na:
podeutektoidní …..do koncentrace 0,765% C
do 0,018% C je struktura tvořena feritem, na hranicích zrn se vyskytuje terc. cementit
0,018-0,765% C je struktura oceli tvořena feritem a perlitem (tmavší zrna po hranicích zrn feritu)
eutektoidní……….slitina s obsahem 0,765% C je čistě perlitická struktura
nadeutektoidní…... koncentrace 0,765 – 2,14% C
strukutra těchto ocelí je tvořena perlitem a sekundarním cementitem, který tvoří síťoví po hranicích zrn původního austenitu
Na obr. 2 jsou vidět struktury zmíněných ocelí.
Obr.2: Mikrostruktura slitin soustavy Fe - C
Při vyšším obsahu uhlíku můžeme materiál zpracovávat jen litím, a proto jej nazýváme litinou. Překročí-li obsah uhlíku ve slitině 2,14% C krystaluje soustava Fe- Fe3C v oblasti bílé litiny.
Litiny podle obsahu uhlíku rozdělujeme na :
podeutektické……………do 4,3% C - struktura je tvořena trans. ledeburitem, sek. cementitem a perlitem
eutektické……………….. 4,3% C - strukturu tvoří rozpadlý (trans.) ledeburit, který má v základní bílé cementitické hmotě uloženy tmavé ostrůvky perlitu
nadeutektické…………….nad 4,3% C - strukturu tvoří primární cementit a trans. ledeburit
Na obr. 3 jsou vidět struktury zmíněných kategorií bílých litin:
Obr.3: Mikrostruktura bílých litin
Kromě bílých litin se v praxi ve velké míře používají též šedé litiny. Šedá litina se od bílé liší tím, že u šedé litiny část nebo celé množství uhlíku je přítomno ve formě grafitu. Tvrdost šedé litiny je nižší než u bílé litiny, takže šedá litina má dobrou obrobitelnost řeznými nástroji a je proto důležitým konstrukčním materiálem.
Tyto litiny rozdělujeme též na podeutektické, eutektické a nadeutektické.
Struktury šedých litin jsou patrné na obr.4:
Obr.4: Mikrostruktura šedých litin
Na vlastnosti šedé litiny má velký vliv množství, velikost a způsob vyloučení lupínků grafitu. Grafit se může vylučovat ve formě:
lupínků, lamel
zrn
vloček
Hrubé částice grafitu porušují celistvost základní kovové hmoty a jsou příčinou místních koncentračních napětí při namáhání součásti. Mechanické vlastnosti šedé litiny lze zlepšit očkováním:
křemíkem..….zvýší se počet krystalizačních míst, ve kterých pak z taveniny přednostně krystaluje grafit ve tvaru jemných lupínků
hořčíkem……ten ovlivňuje tvar grafitu; ten se díky Mg vylučuje ve tvaru kulových částic a tím se zvýší tvárné vlastnosti a houževnatost šedé litiny
Základní strukturní fáze neželezných kovů
SLITINY HLINÍKU
Technicky významný je hliník a jeho slitiny. Je to nejdůležitější konstrukční materiál. Pevnost hliníku stoupá s tvářením za studena, přičemž platí zásada, že s vyšší čistotou hliníku se zpevnění zmenšuje.
Hliník tvoří s řadou kovů velké množství technicky významných slitin. Přísadové prvky se většinou v hliníku omezeně rozpouštějí a tvoří substituční tuhé roztoky. Nejčastějšími legujícími prvky jsou Si, Cu, Ni, Mn.
Nejznámějšími slévárenskými slitinami Al jsou siluminy:
podeutektické…….4,5-10% Si…struktura je tvořena primárními krystaly tuhého roztoku a a eutektika a+Si
eutektické…………10-13%Si….strukturu tvoří eutektikum, tzn. základní hmota tuhého roztoku a, ve kterém jsou uloženy jehlice eutektického Si
nadeutektické…….14-28% Si….ve struktuře vznikají kromě eutektika též primární krystaly Si
Křemík je ve všech slitinách vyloučen za normálních podmínek v podobě tenkých jehlic. Pro zjemnění struktury a tím i zlepšení mechanických vlastností se siluminy očkují nebo modifikují. Po modifikaci se struktura eutektického siluminu mění z jehličkovitého eutektika na eutektikum globulární obsahující dendrity tuhého roztoku a .
SLITINY MĚDI
Pro zvýšení pevnosti a jiných mechanických vlastností se Cu leguje přísadovými prvky. Slitiny Cu s jinými kovy se dobře svařují a dobře pájí. Ze slitin Cu používaných v průmyslu jsou nejznámější mosazi a bronzy.
Bronzy jsou obecne slitiny Cu s různými prvky. Bronz dostává název podle legujícího prvku, který je k Cu přidán.
Cínové bronzy
Jsou to slitiny Cu-Sn. S rostoucím obsahem Sn se barva bronzu rychle mění.Cínové bronzy do 5% Sn jsou červené, 5-10%Sn jsou zlaté, do 30%Sn jsou bílé.
Již malé množství Sn zvyšuje pevnost . Největší pevnost je při 10-15% Sn. Cín také snižuje teplotu počátku tání cínových bronzů a usnadňuje tak jejich výrobu. Pro technickou praxi jsou významné slitiny od 10 do 20% Sn.
Mosazi
Slitina Cu-Zn do 45% Zn je mosaz. Při malém množství Zn je mosaz zbarvena do červena, při vyšším obsahu Zn do žluta. Kolem 45% Zn je zbarvení světle žluté.
Rovnovážný diagram je složitý a pro technickou praxi má význam pouze oblast v rozmezí koncentrací 0-50% Zn. Při vyšších koncentracích jsou slitiny křehké.