Основные методы исследования строения металлов и сплавов

Одна из важных задач металловедения заключается в установлении фундаментальных связей между составом, строением и свойствами металлов и сплавов. Для решения этой задачи необходимо тщательное изучение структуры металлов и сплавов на макрои микроуровнях. Существующие методы исследования структуры металлов можно подразделить на две основные группы: металлографические и фрактографические.

Металлографические методы исследования позволяют выполнить структурный анализ металлов и сплавов.

Макроструктурный анализ состоит в изучении структуры металлов и сплавов невооруженным глазом или с помощью луп, обладающих увеличением до 50 раз. Этот анализ проводят после шлифования и химического травления поверхности металла реактивами. При этом в поле зрения попадает относительно большая поверхность изучаемого металла. Макроструктурный анализ позволяет установить форму и расположение крупных зерен в литом металле, выявить трещины, усадочные пустоты, зональную ликвацию (неоднородность по химическому составу в объеме слитка).

Микроструктурный анализ состоит в изучении структуры металлов и сплавов с помощью световых микроскопов, обладающих увеличением от 50 до 2000 раз и более. Для микроструктурного анализа необходимо изготовить небольшой образец (микрошлиф), имеющий обычно форму цилиндра или призмы. Плоскую поверхность микрошлифа готовят более тщательно, чем при макроструктурном анализе. После шлифовки и полировки поверхность подвергают химическому травлению специальными реактивами. Так, например, для углеродистых сталей и чугунов применяют спиртовой 2—4%-ный раствор азотной или пикриновой кислоты. В результате действия травителя происходит растворение металлических зерен и их пограничных слоев, причем эти слои растворяются более интенсивно. Это приводит к тому, что отражение вертикально падающих лучей света от поверхности зерен и их границ происходит под разными углами. Поэтому границы зерен выявляются в виде темных линий.

Кроме того, имеются различия в скоростях растворения отдельных фаз и структурных составляющих. После травления микрошлиф промывают в проточной воде, высушивают и размещают на предметном столике металлографического микроскопа. Перемещая столик микрометрическими винтами, можно детально изучить различные относительно малые участки поверхности металла. Чем больше увеличение микроскопа, тем выше локальность анализа.

Микроструктурный анализ позволяет установить размеры кристаллических зерен, относительное количество структурных составляющих, размеры и расположение неметаллических включений, наличие микродефектов в виде пор и трещин, дендритную ликвацию в объеме отдельного зерна, ориентировочно химический состав, изменения в строении сплава под воздействием различных видов обработки.

Однако теоретическая разрешающая способность оптического микроскопа равна длине волны света, т. е. приблизительно 0,6 мкм. Поэтому для изучения более тонкой структуры применяют методы электронной микроскопии, использующие взаимодействие потока электронов с твердым телом.

Метод просвечивающейся электронной микроскопии основан на упругом рассеянии электронов в поле электрического потенциала атомов. Один из простых способов изучения микроструктуры этим методом предусматривает подготовку тонких пленок-реплик путем конденсации паров углерода на поверхности металла в вакууме. Реплика с высокой точностью воспроизводит микрошлиф изучаемой поверхности. Разрешающая способность просвечивающего электронного микроскопа составляет приблизительно 1 нм.

Метод растровой электронной микроскопии основан на сканировании тонким электронным пучком изучаемой поверхности металла. При этом электроны испытывают неупругие столкновения с электронами образца и упругие столкновения с ядрами. Электроны, испускаемые металлом под воздействием электронного пучка, регистрируются специальными датчиками. Разрешающая способность растрового электронного микроскопа ниже, чем просвечивающего, и составляет 7—10 нм. Но вместе с тем растровая электронная микроскопия позволяет получить более четкое изображение микрошлифа изломов металлов и сплавов.

Однако следует отметить, что для изучения изломов разрушенных материалов предназначены фрактографические методы исследования. При фрактографических исследованиях поверхность излома полировке и шлифовке (как при металлографических исследованиях) не подвергается, благодаря чему имеется возможность изучить излом в естественном виде с сохранением разрушенных элементов микроструктуры. По излому можно получить ценную информацию о поведении металла под действием критических нагрузок и выявить не только характер, но и причину его разрушения.

Макрофрактография заключается в изучении поверхности изломов на макроуровне невооруженным глазом или с небольшим увеличением, как при макроструктурном анализе. Па этом уровне можно качественно установить характер и вид разрушения материала (вязкий, хрупкий, смешанный).

Микрофрактография заключается в изучении поверхности излома с помощью электронного микроскопа. Как уже отмечалось выше, высокая глубина резкости позволяет детально исследовать топографию поверхности разрушения, включая микрополости.

Для изучения кристаллических решеток и их дефектов, исследования действующих в них микронапряжений используют рентгеноструктурный метод. Этот метод основан на рассеянии рентгеновских лучей электронами твердого тела. Метод позволяет выявлять тонкие структурные изменения в металле при обработке различными способами, оценивать концентрацию дефектов упаковки, плотность дислокаций, проводить фазовый анализ сплавов.

Помимо перечисленных методов изучения и анализа структуры существуют методы, основанные на изменении теплофизических, электрических и магнитных свойств металлов и сплавов. Так, например, в металлах и сплавах могут происходить обратимые и необратимые изменения линейных размеров и объема. Если изменения необратимы, то это свидетельствует о фазовых превращениях в материале. На этом принципе основан дилатометрический метод, который дает возможность выявить критические точки в металлах и сплавах, характеризующие фазовые превращения.

В основе электрических методов лежит изменение электросопротивления, которое реагирует на состав сплавов, фазовые превращения, дефекты микроструктуры.

Магнитный метод основан на изменении магнитных свойств металлов и сплавов. Магнитный анализ позволяет изучить процессы при переходе из парамагнитного состояния в ферромагнитное и наоборот. Метод применяют при исследовании влияния легирующих элементов, термической, термомеханической и других видов обработки на структуру материалов.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Какие вам известны свойства материалов?
• 2. Что такое свободная энергия системы?
• 3. Как вы представляете кристаллическое строение металлов?
• 4. Назовите известные вам тины кристаллических решеток металлов.
• 5. Что такое кристаллографические направления и плоскости, и как они обозначаются?
• 6. Что такое аллотропия (полиморфизм) металла?
• 7. Какие существуют дефекты кристаллического строения металлов?
• 8. Что такое дислокации в металлах, и как оценивается их количество?
• 9. При каких условиях образуются крупнозернистая и мелкозернистая структуры сплавов?
• 10. Для чего применяются модификаторы и модифицирование сплавов?
• 11. Какие вам известны методы исследования строения металлов и сплавов?