Лабораторная работа № 2 Изучение микроструктуры

Лабораторная работа № 2
Изучение микроструктуры высокопрочного чугуна до и после пластической
деформации
Одной из важнейших задач современной физики является исследование
поверхности твердых тел. Необходимость в этом возникла, с одной стороны, в связи с
переходом современной технологии изготовления полупроводниковых приборов на
субмикронный уровень. Поверхность чипа, а не его объем, стала играть определяющую
роль при выполнении им логических функций, и при взаимодействии с другими
элементами.
Поверхность и происходящие на ней явления представляют интерес и с точки
зрения фундаментальной физики, поскольку атомная структура кристалла, то есть
расположение и свойства его решеточных слоев вблизи поверхности совершенно иное,
чем в объеме.
Традиционные методы исследования поверхности, такие как рентгеновская или
ионная дифракция, дифракция медленных электронов, электронная оже-спектроскопия,
позволяют получать усредненную по поверхности образца картину расположения атомов,
но не дают возможности своими глазами увидеть атомную структуру. Все эти методы,
работающие только в вакууме, позволяет разрешать детали нанометрового масштаба, но
при этом возможно повреждение образца пучком высокоэнергетических частиц. Кроме
того, они не позволяет непосредственно получать информацию о высоте поверхностных
деталей.
Частично эти проблемы удалось решить с помощью сканирующей туннельной
микроскопии (СТМ). В начале 1980-х годов СТМ ослепляла мир первыми
экспериментально полученными изображениями поверхности кремния с атомным
разрешением.
Однако новые, практически неограниченные возможности открылись с
изобретением атомного силового микроскопа (АСМ), с помощью которого стало
возможным изучать рельеф не только проводящих, но и диэлектрических материалов. С
тех пор области применения сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) значительно
расширились.
В настоящее время СЗМ используется в большом многообразии дисциплин, как в
фундаментальных научных исследованиях, так и прикладных высокотехнологичных
разработках. Многие научно-исследовательские институты страны оснащаются
аппаратурой для зондовой микроскопии. В связи с этим постоянно растет спрос на
высококлассных специалистов. Для его удовлетворения фирмой НТ-МДТ (г. Зеленоград,
Россия) разработана и создана специализированная учебно-научная лаборатория
сканирующей зондовой микроскопии NanoEducator.
СЗМ NanoEducator специально разработан для проведения лабораторных работ
студентов. Приборы ориентированы на студенческую аудиторию: они полностью
управляются с помощью компьютера, имеет простой и наглядный интерфейс,
анимационную поддержку, предполагают поэтапное освоение методик, отсутствие
сложных настроек и недорогие расходные материалы.
В данной лабораторной работе Вы рассмотрите основы сканирующей зондовой
микроскопии, изучите конструкцию и принципы работы прибора NanoEducator, а так же
под присмотром преподавателя получите свое первое СЗМ изображение поверхности
твердого тела и научитесь основам обработки и представления экспериментальных
результатов.
1.1. Цели работы
1. Получение СЗМ изображения образцов из высокопрочного чугуна с различными
структурами.
2. Сравнение полученных изображений. Выявление изменения микроструктуры
металлической матрицы и графитовых включений высокопрочного чугуна после
пластической деформации.
1.2. Информация для учителя
Получение изображения выполняется на одном приборе под присмотром учителя,
обработка экспериментальных данных каждым учащимся индивидуально. Образец для
исследования: образцы высокопрочного чугуна в исходном (литом) состоянии и
пластически деформированном состоянии.
1.3. Основные сведения
В последние годы в машиностроении все более широкое применение находит
эффективный заменитель стальных изделий-чугун. Чугун - сплав железа с углеродом, его
содержание более 2,14%. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и
графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый,
серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn,
S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.).
Традиционно принято считать, что пластическая деформация применима только для
сплавов, содержащих менее 2% С. Высокопрочный чугун обладает высокими
пластическими свойствами за счет графитных включений. В чугунах форма графита
оказывает определяющее влияние на прочностные характеристики материала. В
высокопрочном чугуне с шаровидным графитом (ВЧШГ) графитные включения имеют
шаровидную форму, вследствие чего по механическим свойствам превосходит серый и
успешно конкурирует со сталью.
По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть
ферритным или перлитным. Ферритный чугун в основном состоит из феррита и
шаровидного графита. В нем допускается до 20% перлита. Структура перлитного чугуна:
сорбитообразный или пластинчатый перлит и шаровидный графит. В ней допускается до
20% феррита.
а - ферритный; б - перлитно-ферритный; в - перлитный:
1 - феррит; 2 - шаровидный графит; 3 - перлит
Рисунок 1- Структуры высокопрочного чугуна.
Высокопрочный чугун является перспективным конструкционным материалом,
который широко используется в машиностроении, металлургии, и других отраслях. Этот
конструкционный материал, обладая целым комплексом уникальных технологических,
механических и эксплуатационных свойств, используется для изготовления ответственных деталей машин и механизмов, работающих в различных условиях при статических и
динамических нагрузках. Во многих случаях он успешно конкурирует с углеродистой и
легированными сталями. Доля отливок из ВЧШГ в общем объеме выпуска отливок в
ведущих странах мира достигает 30% и более. [1]
На рисунке 2 представлены изображения излома высокопрочного чугуна в литом
состоянии, полученные на растровом электронном микроскопе HITACHIS3400n. На
изображениях отчетливо видно шаровидные графитовые включения.
а)
б)
Рисунок 2 – Излом высокопрочного чугуна
а) увеличение х100; б) увеличение х500
На рисунке 3 представлены изображения графитового включения после
электролитического полирования.
а)
б)
Рисунок 3 – Графитовое включение
а) увеличение х1000; б) увеличение х2000
В структуредеформированного чугуна шаровидные включения в направлении
вдольвытяжки сохраняют компактный вид и вытянуты по направлению к краям. В
поперечном сечениивключения сохраняют округлую форму. На боковой поверхности
графитные частицы имеют вид вытянутых вдоль направления течения металла эллипсов.
Прибольших степенях деформации их форма становится иглообразнойи даже нитевидной.
Для сравнения на рисунке 4 представлены металлографические изображения
микроструктуры литого и деформированного чугуна.
1.4. Задание
1. Установите на приборный столик образец чугуна в литом состоянии
2. Получите изображения исследуемого образца.
3. Установите на приборный столик образец чугуна в деформированном состоянии
4. Получите изображения исследуемого образца.
5. Сравните полученные изображения. Сделайте выводы.
1.5. Контрольные вопросы
1. Дать определение понятию «высокопрочный чугун»
2. В чем отличие высокопрочного чугуна от серого чугуна
3. В чем отличие графитовых включений деформированного и литого высокопрочного
чугуна.
4. Какими преимуществами обладает высокопрочный чугун.
Литература:
1. Дмитриев, Э.А. Обработка давлением чугуна с шаровидной формой графита (обзор) /
Э.А. Дмитриев, Б.М. Соболев, А.А. Рыбалкин // Ученые записки Комсомольского-наАмуре гос. техн. ун-та. Науки о природе и технике. - 2012. – № III -1(11). – С.83-86.