Методы исследований в металловедении и материаловедении

12

Методы исследований в металловедении и материаловедении

Основными методами исследования в металловедении и материаловедении являются:

1. Излом - самый простой и доступный способ оценки внутреннего строения металлов. Метод оценки изломов, несмотря на свою кажущуюся грубость оценки качества материала, применяется довольно широко в различных отраслях производства и научных исследований. Оценка излома во многих случаях может характеризовать качество материала.

Излом может быть кристаллическим или аморфным. Аморфный излом характерен для материалов, не имеющего кристаллического строения, таких как стекло, канифоль, стекловидные шлаки.

Металлические сплавы, в том числе сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы, цинк и его сплавы дают зернистый, кристаллический излом.

Каждая грань кристаллического излома является плоскостью скалывания отдельного зерна. Поэтому излом показывает нам размеры зерна металла. Изучая излом стали, можно видеть, что размер зерна может колебаться в очень широких пределах: от нескольких сантиметров в литой, медленно остывшей, стали до тысячных долей миллиметра в правильно откованной и закаленной стали. В зависимости от размера зерна, излом может быть крупнокристаллический и мелкокристаллический. Обычно мелкокристаллический излом соответствует более высокому качеству металлического сплава.

В случае если разрушение исследуемого образца проходит с предшествующей пластической деформацией, зерна в плоскости излома деформируются, и излом уже не отражает внутреннего кристаллического строения металла; в этом случае излом называется волокнистым. Часто в одном образце в зависимости от уровня его пластичности, в изломе могут быть волокнистые и кристаллические участки. Часто по соотношению площади излома, занятого и кристаллическими участками при данных условиях испытания оценивают качество металла.

Хрупкий кристаллический излом может получаться при разрушении по границам зерен или по плоскостям скольжения, пересекающим зерна. В первом случае излом называется межкристаллитным, во втором транскристаллитным. Иногда, особенно при очень мелком зерне, трудно определить природу излома. В этом случае излом изучают с помощью лупы или бинокулярного микроскопа.

В последнее время развивается отрасль металловедения по фрактографическому изучению изломов на металлографических и электронных микроскопах. При этом находят новые достоинства старого метода исследований в металловедении - исследований излома, применяя к таким исследованиям понятия фрактальных размерностей.

2. Макроструктура - является следующим методом исследования металлов. Макроструктурное исследование заключается в изучении плоскости сечения изделия или образца в продольном, поперечном или любых иных направлениях после травления, без применения увеличительных приборов или при помощи лупы. Достоинством макроструктурного исследования является то обстоятельство, что с помощью этого метода можно изучить структуру непосредственно целой отливки или слитка, поковки, штамповки и т.д. С помощью этого метода исследования можно обнаружить внутренние пороки металла: пузыри, пустоты, трещины, шлаковые включения, исследовать кристаллическое строение отливки, изучать неоднородность кристаллизации слитка и его химическую неоднородность (ликвацию).

С помощью серных отпечатков макрошлифов на фотобумаге по Бауману определяется неравномерность распределения серы по сечению слитков. Большое значение этот метод исследования имеет при исследовании кованых или штампованных заготовок для определения правильности направления волокон в металле.

3. Микроструктура - один из основных методов в металловедении - это исследование микроструктуры металла на металлографических и электронных микроскопах.

Этот метод позволяет изучать микроструктуру металлических объектов с большими увеличениями: от 50 до 2000 раз на оптическом металлографическом микроскопе и от 2 до 200 тыс. раз на электронном микроскопе. Исследование микроструктуры производится на полированных шлифах. На нетравленых шлифах изучается наличие неметаллических включений, таких как оксиды, сульфиды, мелкие шлаковые включения и другие включения, резко отличающиеся от природы основного металла.

Микроструктура металлов и сплавов изучается на травленых шлифах. Травление обычно производится слабыми кислотами, щелочами или другими растворами, в зависимости от природы металла шлифа. Действие травления заключается в том, что он по-разному растворяет различные структурные составляющие, окрашивая их в разные тона или цвета. Границы зерен, отличающиеся от основного раствора имеют травимость обычно отличающуюся от основы и выделяется на шлифе в виде темных или светлых линий.

Видимые под микроскопом полиэдры зерен представляют собой сечения зерен поверхностью шлифа. Так как это сечение является случайным и может проходить на разных расстояниях от центра каждого отдельного зерна, то различие в размерах полиэдров не соответствует действительным различиям в размерах зерен. Наиболее близкой величиной к действительному размеру зерна являются наиболее крупные зерна.

При травлении образца, состоящего из однородных кристаллических зерен, например чистого металла, однородного твердого раствора и др. наблюдается часто различно протравленные поверхности разных зерен.

Это явление объясняется тем, что на поверхности шлифа выходят зерна, имеющие различные кристаллографическую ориентировку, вследствие чего степень воздействия кислоты на эти зерна оказываются разной. Одни зерна выглядят блестящими, другие сильно протравливаются, темнеют. Это потемнение связано с образованием различных фигур травления, по-разному отражающих световые лучи. В случае сплавов, отдельные структурные составляющие образуют микрорельеф на поверхности шлифа, имеющий участки с различным наклоном отдельных поверхностей (рисунок 1.2, а).

Нормально расположенные участки отражают наибольшее количество света и оказываются наиболее светлыми. Другие участки - более темные. Часто контраст в изображении зернистой структуры связан не со структурой поверхности зерен, а с рельефом у границ зерен. Существует 3 разновидности границ зерен (рисунок 1.2, б, в, г). Кроме того, различные оттенки структурных составляющих могут являться результатом образования пленок, образованных при взаимодействии травителя со структурными составляющими.

С помощью металлографического исследования можно осуществлять качественное выявление структурных составляющих сплавов и количественное изучение микроструктур металлов и сплавов, во-первых, путем сравнения с известными изученными микросоставляющими структур и, во-вторых, специальными методами количественной металлографии.

Величина зерна определяется:

Методом визуальной оценки, состоящей в том, что рассматриваемая микроструктура, приближенно оценивается баллами стандартных шкал по ГОСТ 5639-68, ГОСТ 5640-68. По соответствующим таблицам, для каждого балла определяется площадь одного зерна и количество зерен на 1 мм² и в 1 мм³.

Методом подсчета количества зерен на единице поверхности шлифа по соответствующим формулам. Если S - площадь, на которой подсчитывается количество зерен n, а М - увеличение микроскопа, то средняя величина зерна в сечении поверхности шлифа

Определение фазового состава.

Фазовый состав сплава чаще оценивают на глаз или путем сравнения структуры со стандартными шкалами.

Приближенный метод количественного определения фазового состава может быть проведен методом секущей с подсчетом протяженности отрезков, занятых разными структурными составляющими. Соотношение этих отрезков соответствует объемному содержанию отдельных составляющих.

Точечный метод А.А. Глаголева. Этот метод осуществляется путем оценки количества точек (точек пересечения окулярной сетки микроскопа), попадающих на поверхности каждой структурной составляющей. Кроме того, методом количественной металлографии производят:

определение величины поверхности раздела фаз и зерен;

определение числа частиц в объеме;

определение ориентации зерен в поликристаллических образцах.

На основании изучения изменения микроструктуры сплавов под действием различных технологических параметров обработки исследуется механизм протекающих превращений в структуре сплавов.

4. Электронная микроскопия. Большое значение в металлографических исследованиях находит в последнее время электронный микроскоп. Несомненно, ему принадлежит большое будущее. Если разрешающая способность оптического микроскопа достигает значений 0,00015 мм = 1500 А, то разрешающая способность электронных микроскопов достигает 5-10 А, т.е. в несколько сот раз больше, чем у оптического.

На электронном микроскопе осуществляют исследование тонких пленок (реплик), снятых с поверхности шлифа или непосредственное изучение тонких металлических пленок, полученных утонением массивного образца.

В наибольшей степени нуждаются в применении электронной микроскопии исследования процессов, связанные с выделением избыточных фаз, например, распад пересыщенных твердых растворов при термическом или деформационном старении.

5. Рентгеновские методы исследования. Одним из наиболее важных методов в установлении кристаллографического строения различных металлов и сплавов является рентгеноструктурный анализ. Этот метод исследования дает возможность определения характера взаимного расположения атомов в кристаллических телах, т.е. решить задачу, не доступную ни обычному, ни электронному микроскопу.

В основе рентгеноструктурного анализа лежит взаимодействие между рентгеновскими лучами и лежащими на их пути атомами исследуемого тела, благодаря которому последние становятся как бы новыми источниками рентгеновских лучей, являясь центрами их рассеяния.

Рассеяние лучей атомами можно уподобить отражению этих лучей от атомных плоскостей кристалла по законам геометрической оптики. Рентгеновские лучи отражаются не только от плоскостей, лежащих на поверхности, но и от глубинных. Отражаясь от нескольких одинаково ориентированных плоскостей, отраженный луч усиливается. Каждая плоскость кристаллической решетки дает свой пучок отраженных волн. Получив определенное чередование отраженных пучков рентгеновских лучей под определенными углами, рассчитывают межплоскостное расстояние, кристаллографические индексы отражающих плоскостей, в конечном счете, форму и размеры кристаллической решетки.

Кроме того, с помощью рентгеноструктурного анализа решается целый ряд металловедческих задач.

В материаловедении, кроме указанных методов применяются:

дилатометрический метод исследования внутренних превращений в металлах, основанный на измерении изменений индивидуальных объемов фаз в процессе фазовых превращений,

метод термического анализа, основанный на принципе учета и измерения скрытого тепла превращения, происходящего в металле при тех или иных превращениях,

магнитный анализ, основанный на свойствах ферромагнитных материалов изменять магнитные свойства с изменением температуры и протеканием фазовых превращений.

Кроме того, в материаловедении для характеристики превращений, происходящих в металлах и сплавах, используются все доступные измерению химические, физические и механические свойства, изменяющиеся при протекании исследуемых превращений. Очень важными свойствами, определяющими кинетику многих превращений, является электропроводность, растворимость в кислотах, плотность, твердость и др.

Практически все методы исследования, включая чисто металловедческие и изменения физико-механических свойств должны применяться в комплексе, дополняя друг друга.

Физико-химические представления о металлах

Трудно переоценить значение металлов в нашей жизни. Машины и механизмы, посуда и железнодорожные мосты, украшения и строительные конструкции - все это металлы.

По многим оценкам металл относят к фундаментам цивилизации. Обеспеченность металлом в значительной мере определяет уровень жизни людей, уровень развития науки и техники. Уникальный комплекс свойств металлических материалов - высокая прочность, пластичность, электропроводность, жаропрочность и др. обеспечивает очень широкое применение их в промышленно-экономическом комплексе, во всех отраслях науки и техники. По данным ООН все другие вместе взятые неорганические материалы пока смогли заменить лишь 6% металла.

Сейчас ежегодно добывается и используется в деятельности человека в мире многие миллионы тонн различных металлов:

Fe около 300 млн. т; Cu около 4 млн. т; Al около 5 млн. т; Zn, Pb около 2 млн. т; Mg более 100 тыс. т; Ni, Sn около 200 тыс. т; Ti около 20 тыс. т; Mg, Bi, Cd, Co, Ag от 1000 до 10 000 т; Au около 1000 т; Pt около 10 т; Mn свыше 1 млн. т; Cr не менее 200 тыс. т.

Что же такое металл? Как его отличить от неметаллов? Какие свойства являются характерными для металла?

Первое научное определение металла дано великим русским ученым М.В. Ломоносовым: "Металл - это светлое тело, которое ковать можно". В этом определении заложен глубокий физический смысл, вытекающий из особенностей атомного строения.

В настоящее время металлами называют вещества, обладающие высокой электропроводностью и отрицательным термическим коэффициентом электропроводности.

Атомы любого вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, распределяющихся по энергетическим уровням: 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, (3d, 4s²), 4p⁶, (4d¹⁰, 5s²), 5p⁶, (5d¹⁰, 4f¹⁴), 6s², (6d¹⁰,5f¹⁴), 7s².

Заполнение электронных уровней происходит в указанной последовательности. Для металлов характерным является наличие незаполненных уровней, наряду с полностью заполненными электронными уровнями. Электроны незаполненных уровней являются такими электронами, которые и образуют "электронный газ", обеспечивающий создание металлической связи.

Сущность металлической связи атомов металлов в твердом или жидком состоянии в следующем. Атомы металлов легко расстаются со своими валентными электронами, наиболее удаленными от ядра, образуя положительные ионы и поле свободных электронов. Ионы, освободившиеся от валентных электронов, располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку металла. Таким образом, кристалл типичного металла можно рассматривать как коллектив положительных ионов, находящихся в среде свободных электронов.

Взаимодействие между положительными ионами и отрицательными коллективизированными электронами является основным фактором, определяющим металлическую связь. Ионы сохраняют постоянное положение и образуют пространственную решетку металла. Электроны, оторвавшиеся от атомов, свободно перемещаются между ионами. Считается, что электроны, оторвавшиеся от одних атомов, после некоторого перемещения вновь присоединяются к ионам, образуя нейтральные атомы, а затем вновь отрываются и т.д. Таким образом, в каждый момент времени определенная часть электронов может находиться в свободном состоянии.

Каждый из типов уровней, а именно уровни s имеют сферическую ориентацию, уровень p - гантелевидную, уровни d и f - эллипсоидальную. На внешней орбитали металлов обычно имеется 1 или 2 электрона.

Переход электронов в коллективизированное состояние с внешней электронной орбитали приводит либо к сохранению формы внешней орбитали (если переходит в коллективизированное состояние 1 электрон), либо к оголению новой (нижней) орбитали. Это явление лежит в основе полиморфизма (аллотропического превращения) металлов, например, железа, марганца, кобальта, урана и других полиморфных металлов. Если после перехода электронов в коллективизированное состояние внешняя электронная оболочка - сферическая, то атомы упаковываются наиболее плотно, образуя одну из плотноупакованных решеток. Образование несферических орбиталей на поверхности атома приводит к формированию менее плотно упакованных решеток - обычно объемно-центрованных.

Чем больше оторвавшихся (коллективизированных) электронов, тем больше электропроводность металла. Коллективизированные электроны движутся в самых различных направлениях и поэтому в нейтральном кристаллическом металле нет направленного потока и результирующею переноса электричества. Но как только между двумя точками кристалла извне создается разность потенциалов, коллективизированные электроны металла устремляются в определенном направлении или другими словами в металле появляется электрический ток. Чем менее связаны коллективизированные электроны, и чем больше их количество, тем выше электропроводность металла. У элементов с малым количеством коллективизированных электронов наблюдается пониженная электропроводность и пластичность. Так как объем электрона ничтожно мал по сравнению с пространством, занятым кристаллической решеткой, коллективизированные электроны могут быть сравнены с атомами или молекулами газа и к ним до некоторой степени могут быть применены законы газового состояния. В связи с этим совокупность коллективизированных электронов называют электронным газом.

Электронный газ играет роль матрицы, связывающей положительные ионы прочной связью в своих положениях в кристаллической решетке. При этом электронные силы притяжения между электронами ионами уравновешивает силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ионами.

Высокая пластичность металлов, отмеченная М.В. Ломоносовым, также обусловлена наличием коллективизированных электронов электронного газа. Например: в ионных соединениях солеобразного типа, обладающих высокой хрупкостью, взаимодействие атомов осуществляется за счет притяжения положительно и отрицательно заряженных ионов.

При воздействии на кристалл соли напряжений, вызывающих перемещение иона на долю междуатомного расстояния, происходит следующее: положительный ион, ранее находящийся в непосредственной близости с отрицательными ионами, и притягивавшийся к нему, приближается к другому положительному иону и отталкивается от него. В результате возникают силы отталкивания между атомами, приводящие к хрупкому сколу кристалла.

Поскольку в металлическом кристалле связь между ионами обеспечивается за счет перемещающихся частиц (электронов), не связанных с конкретным атомом, смещение ионов на расстояния, соизмеримые с межатомными, не вызывает появления сил отталкивания.

При смещении слоя ионов перемещаются и электроны, поддерживая связь всего коллектива частиц, т.е. металлическому состоянию свойственна возможность смещения атомов из своего положения под действием силы извне без сколов, т.е. налицо явление пластичности.

Таким образом, в связи с наличием металлической связи в кристаллах металлов, им свойственны следующие особенности физических свойств по сравнению с неметаллами:

более высокая электропроводность (на несколько порядков);

падение электропроводности с повышением температуры (у неметаллов с повышением температуры электропроводность растет);

наличие у некоторых металлов явления сверхпроводимости при температурах вблизи абсолютного нуля;

более высокая по сравнению с неметаллами теплопроводность. Отличие в теплопроводности металлов и неметаллов значительно меньше, чем отличие в электропроводности. Например, теплопроводность серы всего в 3 раза меньше теплопроводности висмута и только на полтора порядка меньше теплопроводности железа;

наличие пластичности металлов [1,2].

Литература

Лившиц В.Г. Металлография. М.: Металлургия, 1990. - 236 с.

Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: 1983.