10.3. Методы исследования структуры металлов

Для получения достаточно полной и надежной информации о свойствах металлов и сплавов и об изменении их в зависимости от химического состава, структуры и обработки используют разнообразные методы исследований и испытаний. Условно их можно разбить на две группы:

• методы, с помощью которых определяют строение и превращения, протекающие в материалах;

• методы, использование которых позволяет непосредственно определять свойства материалов, в тех или иных условиях эксплуатации.

К первой группе относятся структурные методы и, прежде всего, методы металлографического анализа. Главное преимущество их заключается в том, что между структурой металла и его свойствами в большинстве случаев существует связь, пользуясь которой можно судить о надежности работы деталей машин, приборов, аппаратуры и других конструкций. Это позволяет по данным микроанализа (частично и макроанализа) не только указать, в каком направлении изменяются механические, физические или химические свойства при тех или иных изменениях структуры, но и объяснить причины различия в свойствах. По данным, получаемым этими методами, можно указывать пути наиболее эффективного улучшения структуры и свойств и прогнозировать эксплуатационную надежность изделий.

Металлографический анализ подразделяют на макро- и микроанализ. Макроанализ (исследование металлов и сплавов невооруженным глазом или с помощью лупы) позволяет установить макроструктуру, а именно строение металла или сплава в поковках и отливках; химическую неоднородность, получаемую в процессе кристаллизации или создаваемую термической или химико-термической обработкой. Этот метод позволяет также определить глубину закаленного, цементованного, азотированного, цианированного слоя; характер излома металла или сплава и установить вид разрушения металла – вязкий, хрупкий или вызванный усталостью. Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях (от 50 до 2500 раз) с помощью металлографического микроскопа.

Для исследования атомно-кристаллической структуры применяют увеличение от 3000 до 200000 раз.

В этом случае структуру металлов и сплавов изучают с помощью электронного микроскопа на прозрачном слепке, полученном с поверхности протравленного шлифа, воспроизводящем детали его микрорельефа, зависящего от действительной структуры сплава. Слепки изготовляют из лака, графита или кварца. Слепок должен быть толщиной не более 0,1 мкм, так как более толстые слепки не будут точно передавать строение исследуемого шлифа.

Данные, получаемые структурными методами, не всегда позволяют получить количественные значения свойств, необходимые для инженерных расчетов, а также закономерности их изменения, требуемые для выбора или создания новых сплавов с более высокими свойствами. Для этого требуются и прямые определения свойств металлов и сплавов, т.е. методы второй группы. К ним, прежде всего, относятся методы определения механических (прочности, твердости, пластичности, ударной вязкости и др.), физических (коэффициента теплового расширения, магнитной проницаемости и др.), химических (электрохимического потенциала, стойкости против коррозии в различных средах и т.д.) свойств.

Методы второй группы позволяют судить о превращениях и изменениях, протекающих в тех или иных металлических сплавах, которые не удается отметить структурными методами (в частности, когда превращения, протекающие в них, приводят к изменению электронной структуры атомов металлов). С помощью этих методов можно непрерывно и автоматически фиксировать изменения состояния материалов в условиях быстрого нагрева или охлаждения под действием высоких или, наоборот, низких давлений, температур или деформаций.

По этим причинам в материаловедении используется комплекс методов, дающих всестороннюю информацию о структуре материалов, их превращениях и свойствах.