книги из ГПНТБ / Качанов Н.Н. Рентгеноструктурный анализ (поликристаллов) практическое руководство

a-фаз. В этом случае находят сначала концентрацию г~ и у'-фаз.

Для этой цели, приняв концентрацию одной из этих фаз, например

е-фазы, за единицу, находят соотношение е- и у'-фаз; затем, снова

приняв за единицу концентрацию е-фазы, находят соотношение

концентрации е- и a-фаз. Сумму полученных чисел концентраций трех фаз принимают за 100%, после чего вычисляют концентрацию каждой фазы в отдельности.

Сравнение интенсивности для определения концентрации фаз по приложенной методике может быть осуществлено визуально. Од­ нако при этом вероятны ошибки в случаях заметной разницы в ши­ рине сравниваемых линий.

7. РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ И ОКИСЛЕНИЯ СТАЛИ

Определение глубины обезуглероживания слоя и степени обез­ углероживания основано на зависимости ширины линий мар­

тенсита па рентгенограмме от содержания углерода. Эта зависи­ мость показана на фиг. 50 для линий [(110)]—[(011) (101)] углеро­ дистых сталей.

Для определения глубины обезуглероженного слоя по указан­ ной методике необходимо в общем случае снять две рентгенограммы:

одну — с поверхности обезуглероженного слоя, а другую на неко­ торой глубине обезуглероженного слоя. Определив ширину линии

[(110)]—[(011) (101], по графику 50 находят содержание углерода на поверхности слоя и на некоторой глубине.

Затем строится график фиг. 53, где точка 1 указывает содержание углерода на поверхности, а точка 2 — на некоторой глубине. Че­ рез эти точки проводится прямая АВ до пересечения с прямой CD, соответствующей уровню содержания углерода в стали (по данным

углероживания на всей глубине обезуглероженного слоя.

Для использования изложенной методики контроля глубины обезуглероженного слоя и степени обезуглероживания примени­ тельно к сложным сталям необходимо в каждом конкретном случае построить график, связывающий ширину линии с содержанием углерода в стали.

Контроль окисления стали сводится к получению рентгенограмм либо непосредственно с объектов для изучения, либо с продуктов

окисления, собранных с объектов. Для индицирования линий рент­

генограмм могут быть применены шаблоны, построенные для каж­

142

дого окисла металла (см. фиг. 16), для которых расчет — мож^т

быть произведен теоретически.

Ниже приводится пример расчетарентгенограммы слоя окалины, снятой с армко-железа. Съемка рентгенограммы производилась на излучении хромового анода при асимметричном расположении

пленки. Эффективный диаметр кассеты 56,39 мм.

Как видно из табл. 35 имеет место вполне удовлетворительное

Для количественного фазового анализа окалины, образовав­ шейся при температуре ниже 570°, когда окалина состоит из окис­ лов РегОз и РезО4, можно применить метод гомологических пар.

Окалина, образовавшаяся на железе при окислении в области температур выше 570°, состоит из указанных трех окислов. Учи­

тывая, что количество окисла ГегОз по сравнению с количеством

двух других окислов относительно мало (около 10%), для сравни­ тельной оценки количества фаз можно применить метод гомологи­ ческих пар, не принимая в расчет наличие указанного окисла. Для осуществления фазового анализа следует приготовить ряд эталон­ ных смесей, содержащих различное соотношение окислов FesO4 и FeO и подобрать соответствующие гомологические пары.

143

8. ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ СЛОЕВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ НАСЫЩЕНИИ СТАЛИ МЕТАЛЛАМИ

В настоящее время в промышленности находят применение раз­ личные методы диффузионной металлизации — хромирование, али­ тирование, вольфрамирование, силицирование и др.

Методика исследования фазового состава диффузионных слоев в общем одинакова во всех случаях. Поэтому в качестве иллюстра­

ции применения фазового анализа для исследования процессов диффузионной металлизации рассмотрим, определение фазового со­ става вольфрамированного слоя стали марки 35XH3M. Вольфрами­ рование проводилось в твердой среде (смесь порошка ферроволь­ фрама с шамотом) при 1050* в течение 10 час. Для ускорения про­ цесса насыщения порошок ферровольфрама перед смешиванием с шамотом был обработан концентрированной соляной кислотой.

Рентгенограмма снималась в лучах хромового анода, в камере с асимметричным расположением пленки (РЭф$ — 57,46 мм). Диа­ метр образца 0,9 мм.

Расчет рентгенограмы приведен в табл. 37.

Сравнение полученных значений ~ с табличными данными для

карбида FeaWsC показывает их полное совпадение. Поэтому можно сделать вывод, что одной из фаз вольфрамированного слоя является сложный карбид FeaWaC. Поэтому соответствующим линиям рент­ генограммы можно приписать индексы линий указанного карбида. Остается решить вопрос о принадлежности 7-й, 13-й, 21-й, 22-й и 23-й линий рентгенограммы. Исходя из диаграммы Fe — W, можно ожидать, что в процессе вольфрамирования имело место образование

твердого раствора вольфрама в решетке a-Fe. Вследствие этого период и межплоскостные расстояния решетки a-Fe должны увели-

в литературе, можно видеть, что межплоскостные расстояния 7-й, 13-й и 23-й линий рентгенограммы действительно несколько больше

значений , приведенных в графе 12 таблицы. Таким образом,

можно предполагать, что 7-я, 13-я и 23-я липни рентгенограммы

144

принадлежат a-Fe, в котором растворено некоторое количество вольфрама.

В справедливости этого предположения можно убедиться, со­ ставив отношение sin2ft указанных линий. Действительно

sin2 О?: sin2 ftls: sin2 (>23 = 1 : 2: 3.

Это отношение, как указывалось выше, справедливо только

для объемноцентрированной решетки, которую имеет a-Fe. Следо­

вательно, 7-й, 13-й и 23-й линиям рентгенограммы можно приписать

индексы линий a-Fe.

Принадлежность 21-й и 22-й линий установить в данном случае не удается, и вопрос об их индексах остается нерешенным.

Таким образом, вольфрамированный слой стали марки 35XH3M

состоит из карбидов FesWsC, твердого раствора вольфрама в a-Fe и, возможно, из неизвестной фазы, решетка которой не определена.

Определим теперь количество вольфрама, растворенного в a-Fe.

Расчет периода решетки твердого a-раствора по линии (112) пока­ зывает, что а = 2,868г кХ. Исходя из данных, приведенных в табл. 37, можно определить, что в решетке a-Fe растворено около 4,5%W.

9. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

При различных видах термической, химико-термической и ме­ ханической обработки в поверхностном слое металлов происходят изменения фазового состава и тонкой кристаллической структуры (искажений решетки, размеров блоков и др.).

Для исследования поверхностного слоя можно применять ме­ тоды послойного анализа и методы анализа, не требующие разруше­ ния образцов.

Послойный анализ образцов можно проводить двумя различными методами: либо напиливать порошок с поверхности образца и изу­ чать его фазовый состав, что не всегда целесообразно из-за возмож­ ных фазовых превращений, либо сошлифовывать или удалять по­

лированием слои с поверхности образца и изучать структуру *по

верхности после каждого снятия слоя.

В большинстве случаев последний способ оказывается более вы­ годным, так как позволяет определять не только фазовый состав по­ верхности, но и напряжения в поверхностном слое.

Следует отметить, что при снятии слоя с помощью шлифования образца напряженное состояние поверхностного слоя сильно из­ меняется, а при травлении могут вытравливаться преимущественно определенные структурные составляющие. Наилучшим способом снятия слоев является электролитическое полирование, при кото­

ром не вносится никаких дополнительных искажений структуры

и снимается равномерный слой металла по всей поверхности. Метод снятия слоев можно применить для исследования дробе­

струйного наклепа стали. В этом случае измеряют относительную

146

для съемки на ионизационной установке

Экспериментально толщину слоя можно определить различными методами; например, путем напыления в вакууме или электроли­ тического осаждения никеля на железный образец и последователь­

ной съемки рентгенограмм можно определить толщину слоя, при которой на рентгенограмме исчезают линии объемноцентрированной

решетки.

Для случая тонких слоев с изменяющимся фазовым составом,

например поверхностных слоев, возникающих при шлифовании

закаленной высокоуглеродистой стали, где на поверхности обра­ зуется аустенпт, можно определить глубину аустенитного слоя, количество остаточного аустенита, искажения решетки и др. Сле­ дует иметь в виду, что при съемке на различных излучениях необ­ ходимо проводить съемку линий с близкими углами скольжения Ф и углами поворота шлифа по отношению к первичному пучку.

10. ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗАЦИОННОГО МЕТОДА

Применение ионизационных установок для качественного и ко­

личественного фазового анализа позволяет значительно сократить время и увеличить точность анализа.

Особенно большие преимущества ионизационный метод имеет при определении фаз с известными и постоянными межплоскост­ ными расстояниями (например составляющих механических сме­

сей, карбидов и нитридов в сталях и сплавах). В этом случае счет­ чик устанавливается в положение, соответствующее удвоенному углу скольжения для самой сильной линии искомой фазы (т. е.

под углом 20), образец устанавливается под углом О и, в случае присутствия искомой фазы, интенсивность отражения резко возра­ стает. Весь процесс определения при благоприятных условиях за­ нимает не больше 1—2 мин., а при использовании несложных спе­ циальных приспособлений еще меньше. Таким образом, ионизацион­ ный метод может быть использован для контроля фазового состава изделий непосредственно в потоке. Следует отметить, что аналогич­ ные методы применяются для контроля правильности изготовления

пластинок пьезокварца, причем аппаратура в этом случае значи­

тельно менее сложна (установка УРС-25И и др.).

Процентное содержание каждой фазы определяется с помощью предварительно построенных градуировочных кривых зависимости максимальной интенсивности линии от фазового состава для различ­ ных уровней фона.

148

ГЛАВА VI

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ КРИСТАЛЛОВ (БЛОКОВ)

В МЕТАЛЛАХ

Величина кристаллов в исследуемом материале оказывает боль­ шое влияние на форму и интенсивность дифракционных линий на

рентгенограммах.

При крупных размерах кристаллов (больше 2 ■ 10~4 см) в обра­ зовании линии на рентгенограмме участвует небольшое число от­ дельных кристалликов, и линия получается несплошной. При умень­ шении размеров кристаллов до 10-4—10^5сж изменение их величины проявляется в изменении интенсивности отдельных линий на рент­ генограмме (эффект экстинкции); при величине кристаллов в интер­ вале 10~5—10-7 см изменяется ширина линий на рентгенограммах;

наконец, при меньших размерах частиц, составляющих лишь не­ сколько атомных диаметров, уменьшается интенсивность всех ли­ ний и увеличивается интенсивность диффузного фона.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ КРИСТАЛЛОВ ПО ТОЧЕЧНЫМ РЕНТГЕНОГРАММАМ

При съемке рентгенограмм в общем случае каждый кристалл поликристаллического образца дает свое отражение в соответствии с уравнением дифракции рентгеновских лучей. При большом числе отражающих кристаллов все отражения накладываются, и линия на рентгенограмме получается сплошной; при малом числе кристал­ лов, попадающих в отражающее положение, линия получается пре­ рывистой. При наличии крупных хаотически расположенных кри­ сталлов возникает нарушение .сплошности линии. В этом случае поверхностный слой образца, облучаемый первичным пучком рент­ геновских лучей, содержит небольшое число кристаллов, из которых только часть находится в отражающем положении, что и приводит к получению точечной рентгенограммы.

Другим из возможных источников возникновения несплошного кольца на рентгенограмме является преимущественная ориенти­ ровка кристаллитов (текстура), рассмотренная ниже в специальном разделе. Величина кристаллов, при которой нарушается сплош­ ность дебаевского кольца, зависит от ряда условий, в том числе от геометрии рентгеновской съемки и коэффициента поглощения рент-

150

геновских лучей данной длины волны в исследуемом веществе.

Чем больше коэффициент поглощения, тем меньше минимальные размеры кристаллов, дающих точечную линию на рентгенограмме. Например, при съемке рентгенограмм вещества с большим коэф­ фициентом поглощения (вольфрама) на железном излучении то­

чечные линии получаются при размерах кристаллов, превышающих 10-4сз1, а для вещества с малым коэффициентом поглощения (алю­

миния) — начиная с 5•10-4 см.

При количественных измерениях размеров кристаллов рассма­ триваемыми методами следует учитывать ряд источников ошибок. Одним из условий точной оценки размеров кристаллов является их

равноосность и отсутствие преимущественной ориентировки. Кроме того, при съемке тонких образ­

но построить градуировочные кривые, связывающие размеры кристал­

лов, определенные обоими методами. При этом следует проводить

съемку с диафрагмами большого диаметра, чтобы обеспечить облу­ чение достаточно большого числа кристаллов. Уменьшение размеров

диафрагмы проводят при исследовании материалов с небольшими кристаллами, дающими при большой диафрагме сплошную линию или линию с очень большим числом пятен.

Одним из преимуществ описываемого метода исследования является возможность изучения поверхности с относительно грубым рельефом.

Измерение размеров пятен на рентгенограммах

Величина кристаллов в грубозернистом образце связана с разме­ ром пятен на рентгенограмме, т. е. каждый кристалл является как

бы зеркалом, отражающим рентгеновские лучи. Более строгий ана­ лиз показывает, что форма и размеры пятен, кроме размеров кри­

на дебаеграмме существует строгая линейная зависимость. Более детальное исследование позволило построить зависимость между средним диаметром металлографического зерна (т. е. баллом по

151