Структура металлов и методы ее исследования

Излом

Самым простым и доступным методом оценки внутреннего строения металлов является наблюдение вида излома, связывающего внутреннюю структуру металла с его качеством. Еще в 1722 г. Р. Реомюр (Франция), исследуя под микроскопом изломы стали и ковкого чугуна, сделал предположение, что разница между железом, сталью и чугуном заключается в основном в содержании углерода.

Аморфное тело, не имеющее кристаллического строения, (стекло, канифоль, эбонит, целлулоид), дает на изломе кривые поверхности (рис. 2.1, а). Вещество, состоящее из кристаллических зерен (мрамор, сталь, литое железо и другие металлы), дает зернистый или кристаллический излом, представляющий собой плоскости скалывания отдельных зерен (рис. 2.1, б). Поэтому при зернистом изломе можно наблюдать зерно излома, которое дает представление о внутреннем кристаллическом строении металла (рис. 2.2).

Рис. 2.1. Виды излома:

а — аморфный, стекловидный излом вулканического стекла (оксид кремния Si0₂ без кристаллической структуры); 6 —кристаллический излом друзы мориона (черный или темно-бурый кварц (Si0₂), иногда называемый черным хрусталем) Зерна металла называют кристаллитами, чтобы отличать их от кристаллов, которые имеют правильную огранку, состоящую из закономерно расположенных в пространстве геометрически правильных плоскостей. Поверхность (или границы) зерен металлов обыкновенно случайна и неправильна, но внутреннее их строение всегда оказывается кристаллическим.

Рис. 2.2. Мелкие кристаллики, видимые на изломе металла

Хрупкие кристаллические изломы подразделяют на изломы межкристаллические, т. е. проходящие между кристаллитами (но их границам) и транскристаллические, т. е. пересекающие кристаллиты. Отличить межкристаллический излом от транскристаллического достаточно трудно, в особенности при малых размерах кристаллитов.

Если излому предшествует пластическая деформация металла, искажающая действительную форму зерна, то такой излом называют волокнистым (рис. 2.3). При волокнистом изломе структура металла (по форме зерна) не обнаруживается.

Описание поверхности металлических изломов с целью анализа причин и протекания процесса разрушения называется фрактографией (от лат. fractus — излом и… графия). Фрактографическое исследование проводят невооруженным глазом, с помощью лупы, оптического или электронного микроскопов. В просвечивающем электронном микроскопе изучают отпечаток (реплику) с поверхности излома,.

Рис. 23. Структура волокнистого излома гомогенной брони, имеющей, но всему сечению одинаковый химический состав и одинаковые механические свойства

оттененный слоем металла, в растровом (сканирующем) электронном микроскопе — саму поверхность разрушения. Вид излома зависит от способа нагружения (статическое, ударное, переменное) и условий нагружения (температура, среда и т. п.), а также от характера распространения трещины (внутризеренный или межзеренный излом) и от.

Рис. 2.4. Излом 1500-кг слитка самозакаливающейся хромоникелевой стали в литом состоянии, показывающий все три зоны кристаллизации (Х2): мелкозернистую, столбчатую и равномерных кристаллов

Рис. 25. Разрушение детали из сплава АК4−1Т1 при длительном статическом нагружении, X 8

степени развития пластической деформации при разрушении (хрупкий или вязкий излом).

Например, изучая излом стали, можно видеть, что размеры ее зерен могут колебаться в широких пределах: от нескольких сантиметров — в литой и медленно остывшей болванке, до тысячных долей миллиметра — в кованом и правильно закаленном бруске. В большинстве случаев мелкозернистый вид излома отвечает лучшему качеству — более высоким механическим свойствам (рис. 2.4). На рис. 2.5 показан излом преимущественно зернистого строения штампованной детали из алюминиевого сплава АК4−1Т1, свидетельствующий о наличии перекоса, приведшего к увеличению нагрузки. Макроскопически наблюдаются две зоны: длительного развития трещины (стрелка 1) и долома (стрелка 2).