Глава і. Металознавство - наука про метали і методи дослідження металів

Металознавство - наука, яка вивчає будову і властивості ме- , галів, і сплавів і встановлює зв'язок між їх складом і властивостями.

Властивості чистих металів обумовлюються силами міжатомного зв'язку, будовою зовнішніх електронних оболонок атомів.

Властивості технічно чистих металів і сплавів визначаються внутрішніми і зовнішніми факторами: хімічним складом, механічним впливом (пластичне деформування), термічним впливом. Можуть мати місце і інші діяння: радіаційне, лазерне, електромеханічне тощо.

В залежності від вищевказаних факторів змінюється внутрішня будова металу, яка називається структурою. Отже можна вважати, що кінцеві властивості металу залежать від структури, створеної під час тієї чи іншої обробки.

Важливо не просто знати і описати структуру і конкретні властивості металів і їх сплавів, але й освоїти методи і принципи їх реалізації. Тому металознавство - це область знань, в якій викладаються закономірності, котрі зв'язують склад і структуру металів з їх службовими характеристиками, а також із змінами властивостей виробів в умовах експлуатації.

Структура металів і сплавів визначається за допомогою різних методів дослідження. Найпоширенішими є металографічні методи: макроаналіз і мікроаналіз. Відповідно вивчають макроструктуру або мікроструктуру металу.

Макроаналізом називається дослідження будови металів в зламі або на спеціально підготовленій поверхні (макрошліфі) неозброєним оком або при невеликих збільшеннях (до ЗО разів). При цьому можна виявити: порушення суцільності металу (тріщини, пори, газові пухирі, раковини); орієнтацію кристалів, їх форму і розміри; хімічну і структурну неоднорідність (ліквацію); орієнтацію волокна в деформованих металах; в зварних швах можна виявити зону наплавленого металу і зону термічного впливу основного металу.

Мікроаналізом називається метод дослідження структури металів і сплавів за допомогою спеціального обладнання- мікроскопів. Для цього приготовляють мікрошліфи, які спочатку шліфують, полірують і травлять спеціальними реактивами. Мікро-

скопи бувають оптичні (з оптичною системою лінз) і електронні (з електромагнітною системою лінз).

За допомогою оптичних мікроскопів структура мікрошліфів або будова зламів вивчається при збільшеннях від 50 до 2000 разів. Розрізшовальна здатність 1750 А (175 нм).

Застосування більших збільшень даремне, тому що нові дрібні структурні складові не стають видимі, змінюється лише масштаб зображення. Це пояснюється тим, що розрізшовальна здатність, яка визначається хвильовою природою світла, не змінюється.

За допомогою оптичних мікроскопів вивчають розміри і форми зерен, взаємне розташування фаз, їх форму і розміри.

Електронна мікроскопія і мікрофрактографія дозволяють досліджувати репліки (відбитки) від мікрошліфів та зламів або зрізи (тонку фольгу) металу при збільшеннях від 2000 до 200000 разів. Розрізнювальна здатність 5-10 А (0,5-1 нм). При цьому вивчають окремі структурні складові, характер їх розташування, внутрішньокристалічну (тонку) структуру і дефекти кристалічної будови. Можливості різних систем мікроскопів і різних методів дослідження структури показано на рис. 2.

Для дослідження атомно-кристалічної будови металів і сплавів і її порушень (дефектів) використовують методи структурного аналізу, рентгеноструктурний і електронографічний.

Реитгеноструктурний аналіз - метод дослідження атомно- кристалічної структури металів і сплавів способом вивчення дифракції рентгенівських променів на кристалічній решітці. Довжина хвилі рентгенівських променів - 0,1-100 А (0,01-10 нм).

Електронографічний аналіз - метод дослідження атомно-кристалічної структури металів і сплавів при вивченні дифракції електронних променів на кристалічній решітці. Довжина хвилі електронних променів залежить від швидкості руху електронів (Х.=Ь/тУ). Середня довжина хвилі складає 0,07-0,03 А (0,007-0,003 нм).

Методи структурного аналізу використовуються для визначення: взаємного розташування атомів в кристалах (періодів кристалічної решітки); фазового складу матеріалів; дефектів кристалічної будови; внутрішніх напружень; змінень тонкої кристалічної будови після теплової або деформаційної обробки металів і сплавів (риє.2).

В металознавстві все частіше застосовують метод рентгеноспектрального мікроаналізу (РСМА) для вивчення розподілу домішок і спеціально введених елементів в сплавах. Метод РСМА визначає хімічний склад мікрообластей на металографічних шліфах, при цьому досягається розділення порядку мікрометрів.

Вивчення структурних змін і властивостей металів і сплавів нерідко проводиться за допомогою використання фізичних методів дослідження (теплових, об’ємних, електричних, магнітних). В основу таких досліджень покладено взаємозв'язок між зміненнями фізичних властивостей і процесами структуроутворення, які відбуваються при обробці металів і сплавів (тепловій, механічній тощо).