Зерна стали под световым микроскопом

Оптическая микроскопия является основным инструментом для оценки зеренной структуры сталей. Обычно структуру, которую видят в световой микроскоп, называют микроструктурой. Механические свойства любой стали сильно зависят от ее микроструктуры.

Вид зерен стали в световой микроскоп

Структура зерен железа и стали выявляется путем полирования ее поверхности до зеркального блеска, травления в кислотном растворе и осмотра под световым микроскопом (см. Структура зерна чистого железа).

В результате травления с полированной поверхности удаляются атомы, а скорость этого удаления зависит от ориентации кристалла зерна и типа зерна, например, феррита или аустенита. Контрастность данного зерна под микроскопом зависит от степени гладкости его поверхности после травления.

Как показано на рисунке 1 зерна, которые являются одной и той же фазой, такой как феррит, аустенит, цементит, будут травиться равномерно по всей поверхности. Поэтому после травления исходная зеркальная поверхность останется гладкой внутри каждого отдельного зерна.

zerna-stali-pod-mikroskopomРисунок 1 – Вид различных типов зерен в стали в световой микроскоп

Как работает световой микроскоп

Световой микроскоп использует для формирования своих изображений отраженный свет. Луч света направляется сверху вниз на поверхность стали (светлые стрелки на рисунке 1). Изображение формируется фотопленкой (фотопластинкой, цифровым устройством) или глазом от света, который отражается вдоль того же направления (черные стрелки).

Для гладкой поверхности очень большая доля света, пришедшего на образец, отразиться обратно и создаст яркое (белое) изображение. Поэтому однофазные зерна феррита, аустенита и цементита будут выглядеть белыми. Поскольку они выглядят белыми их часто невозможно различить под микроскопом без дополнительной информации.

Структура перлита под световым микроскопом

Рассмотрим теперь перлит. Обычными травителями, которые применяют для сталей, являются нитал (азотная кислота в спирте) и пикрал (пикриловая кислота в спирте). Эти травители травят ферритные пластины перлита значительно быстрее, чем цементитные пластины. Поэтому после травления цементитные пластины  выступают из ферритных пластин. Цементитные пластины являются очень тонкими, и они хорошо рассеивают падающий на них свет (рисунок 2). Это приводит к формированию темносерого изображения. По этой причине перлит выглядит под световым микроскопом в оттенках от серого до черного.

v-mikroskopeРисунок 2 – Отражение света от травленой поверхности перлита

Однако так бывает не всегда. Если расстояние между цементитными пластинами достаточно велико, они выглядят как темные линии с белыми ферритными пластинами между ними. Оптический микроскоп може «видеть» только расстояния до приблизительно 0,2 мкм при максимальном увеличении около 1000х. Поэтому, когда межпластиночное расстояние в перлите становиться менее 0,2 мкм, то оптический микроскоп показывает перлитные зерна в виде темносерых пестрых изображений, как это показано на рисунке 3.

Межпластиночное расстояние в перлите

Расстояние между цементитными пластинами в перлите зависит от того, на сколько быстро образец охлаждался из аустенитной области через температуру А1 – чем быстрее охлаждение, тем меньше это расстояние. Обычно, чтобы достичь такое охлаждение образец просто вынимают из печи и позволяют ему охладиться на воздухе.

Скорость охлаждения, понятно, зависит от размеров образца. Даже для довольно больших образцов охлаждение на воздухе дает межпластиночное расстояние меньше чем 0,2 мкм. Поэтому перлит в образцах, которые охлаждались на воздухе, почти всегда выглядят так как на рисунке 3.

perlitРисунок 3 – Фотография микроструктуры структуры перлита: травитель – пикрал, увеличение при съемке — 500х

Пикраловый травитель, который применялся для образца на рисунке 3, растворяет феррит более однородно при изменении ориентации кристаллов зерен, чем это делает ниталовый травитель. Поэтому пикрал дает более однородный серый цвет для каждого зерна и он является предпочтительным травителем для перлита.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-metallurgist, 2007