2.1.5.3. Поверхневі дефекти

Поверхневі дефекти малі в одному вимірі і значно більші в двох інших. До цих дефектів належать границі зерен, границі фрагментів і блоків.

Конструкційні метали та їх сплави мають полікристалічну будову: вони складаються із безлічі дрібних кристаликів — зе­рен (рис. 2.1.10). Сусідні зерна мають неоднакову орієнтацію кристалічних ґраток (рис. 2.1.10, а). Між зернами існують вузькі перехідні зони шириною до декількох атомних діаметрів — грани­ці зерен із нерегулярним розташуванням атомів (рис. 2. 1.10, б).

На границях концентруються дислокації та домішки. Зерно не є кристалом ідеальної будови. Воно складається з фрагментів, а фрагменти — з блоків. Ґратки сусідніх фрагментів розорієнтовані на кут до кількох градусів, а ґратки сусідніх блоків — на кут менший за один градус. На границях фрагментів і блоків концентруються дислокації (рис.2.1.11). Якщо розорієнтація сусідніх зерен становить декілька десятків градусів, то такі границі називають великокутовими, а при розорієнтації до 5° маємо малокутові границі. Малокутові границі властиві фраг­ментам і блокам; вони утворюються під час холодної деформа­ції, рекристалізації й полігонізації.

По границях зерен порівняно легко здійснюється дифузія. Границі зерен мають помітний вплив на механічні властивості металів. Що дрібніші зерна, то вища пластичність і міцність металів.

79

2.1.5.4. Об'ємні дефекти

Об'ємними можна вважати локальні нагромадження точко­вих дефектів — вакансій, а також газові порожнини, мікротріщини й неметалеві вкраплення.

2.1.6. Методи дослідження структури

Методи дослідження структури — макро- і мікроскопічний аналіз, рентгеноструктурний аналіз та інші — широко викорис­товують не лише в наукових, але й у заводських лабораторіях, оскільки здебільш існує надійний зв'язок між структурою та властивостями металів. На підставі структурних досліджень і механічних випробовувань можна зробити висновок про при­датність обстежуваного матеріалу для тих чи інших умов екс­плуатації.

Макроскопічний аналіз полягає у дослідженні будови ме­талу неозброєним оком або при невеликих збільшеннях до ЗО разів. Будову металу, яку виявляють при цьому, називають ма­кроструктурою (цакро — великий (гр.)). Макроструктуру мо­жна спостерігати на поверхні виробів, на зламах і на шліфах. Макроскопічний аналіз застосовують для виявлення макродефектів: порожнин і тріщин, хімічної та структурної неоднорід­ності металу, форми та розмірів кристалів у литому металі тощо. Перевагою макроаналізу є можливість швидко обстежити дослід­жувану поверхню з метою отримати попередні дані про будову металу. Водночас, внаслідок невеликих збільшень, макроаналіз не дає змоги виявити всі особливості будови металу. На під­ставі даних макроаналізу часто роблять висновок про недоціль­ність застосування технологій, які мають вплив на формування макроструктур, що погіршують механічні властивості металу.

Мікроскопічним аналізом називають дослідження будови металу за допомогою мікроскопа; будова металу, яку вивчають під мікроскопом, є мікроструктурою (дікрон — малий (гр.)). Для мікроскопічних досліджень широко використовують оптичні та електронні мікроскопи.

Під час мікроаналізу вивчають тонку будову матеріалу: форму та розміри зерен і фаз у сплаві, їх відносний розподіл, а також виявляють неметалеві вкраплення (оксиди, сульфіди) чи мікро-

Рис. 2.1.12. Схема виявлення границь зерен (а, в) і різних фаз (б)

травленням: / — зерно слабопротравленої; 2 — непротравленої; 3 — сильнопротравленої фази

дефекти (дислокації, мікропорожнини, мікротріщини). Зокре­ма, за мікроструктурою знаходять в сплаві частку певного хіміч­ного елемента, наприклад Карбону у сталі.

Об'єктом мікроскопічних досліджень є мікрошліф, тобто зразок із шліфованою, полірованою і здебільшого протравле­ною хімічним реактивом поверхнею. Оскільки реактив неодна­ково взаємодіє з різними структурами, то він утворює на відпо­лірованому шліфі характерний мікрорельєф. Зокрема, під час травлення чистих металів або твердих розчинів реактив актив­ніше взаємодіє з границями зерен. При прямому освітленні про­травлені границі зерен найбільше розсіюють світло й мають вигляд темних ліній (рис. 2.1.12, а, в). Під час травлення різно-фазового сплаву реактив найслабше реагує з хімічно тривкою фазою 2 (рис. 2.1.12, б), менш тривку фазу 1 розчиняє частково і нетривку щодо реактиву фазу З розчиняє найбільше. Тому фаза З, найсильніше розсіюючи світло, виглядає в окулярі мікроско­па найтемнішою, а фаза 2 — навпаки, найсвітлішою.

За допомогою оптичного металографічного мікроскопа до­сліджують структуру при збільшенні від 50 до 2000 разів, тобто з його допомогою можна розрізнити елементи структури розмі­ром до 0,2 мкм (200 нм).

Дуже дрібні частинки структури вивчають завдяки елек­тронному мікроскопу, де зображення створюється за допомо­гою швидкого потоку електронів. Відомі прямі й непрямі мето­ди дослідження структури в електронних мікроскопах.

Непрямі методи ґрунтуються на просвічуванні потоком еле­ктронів дуже тонких зліпків — реплік, які виготовляють за

—

спеціальними методиками і які з великою точністю відтворю­ють рельєф поверхні травленого шліфа. На репліках можна спо­стерігати частинки структури розміром до 2...5 нм.

У сканівних (растрових) електронних мікроскопах зображен­ня створює вторинна емісія електронів, що випромінюються поверхнею об'єкта дослідження під дією потоку первинних еле­ктронів (прямі методи дослідження).

Фрактографія — дослідження поверхонь руйнування (зла­мів) візуально або за допомогою оптичного чи електронного мікро­скопів для встановлення зв'язку між структурою металу, умо­вами навантаження, середовищем і механізмами руйнування. Електронний мікроскоп на противагу оптичному забезпечує знач­ну глибину різкості зображення при великих збільшеннях.

Розташування атомів у кристалах і відстані між ними визна­чають шляхом рентгеноструктурного аналізу з використан­ням рентгенівських променів. Характерною особливістю рент­генівських променів є їх дуже мала довжина, внаслідок чого промені, скеровані на кристалічне тіло, не відбиваються поверх­нею, а проникають в нього і спричинюють виникнення розсія­них променів, генерованих збудженими атомами цього тіла. Оскільки атоми в кристалі регулярно розташовані, то розсіяні промені взаємодіють між собою, посилюючи або гасячи один одного. Якщо в напрямку потоку цих променів поставити фото­пластинку, то посилені промені залишать на ній кільцеві пля­ми, розшифровуючи які, можна встановити тип кристалічної комірки і величину її параметрів. Рентгенівськими променями визначають також дефектність, деформацію кристалічної ґрат­ки та орієнтацію зерен.