книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

Рентгеновский спектральный анализ позволяет по рентгенов­ скому спектру определять состав сплава. Преимуществами этого метода по сравнению с обычным химическим анализом являются

высокая чувствительность и возможность применения для

анализа очень малых количеств вещества.

Рентгеновские лучи, подающие на деталь

Плотное

включение

Деталь

Paкодина

деталь

Негативная

лленко

Потемнение Посдетление

Фиг. 1S. Схема съемки рентгеновскими лучами

5. Металлографический анализ

Задачей металлографического анализа является непосредст­

венное наблюдение строения металлов и сплавов невооружен­

ным глазом или при помощи микроскопа. Металлографический

анализ делят на два метода: макроскопический и микроскопиче­

ский. Макроскопический анализ состоит в исследовании строения

металлов и сплавов невоооруженным глазом или при небольших увеличениях, не превышающих 30 раз. Микроскопический ана­

лиз заключается в исследовании строения металлов и сплавов

под микроскопом при увеличениях от 50 до 2000 раз.

В соответствии с этим разделением структура, видимая нево­

оруженным глазом или при небольших увеличениях, называет­ ся макроструктурой, а структура, мелкая, различимая лишь под

микроскопом, называется микроструктурой.

В процессе макроскопического анализа, например, аварийной детали, производят ее наружный осмотр, устанавливают харак­ тер излома, выявляют поверхностные трещины, поражения кор­

20

розией и другие внешние особенности. C целью выявления макро­

структуры деталь или ее часть разрезают, шлифуют грубой на­ ждачной бумагой по плоскости разреза и подвергают глубокому травлению, в результате которого выявляются: дендритное строе­

ние, расположение волокон, пористость, скрытые трещины, плены и другие особенности внутреннего строения.

Для микроскопического анализа из детали вырезают микро­

шлиф (около 1 см3), одну из граней которого шлифуют, полиру­

ют, травят и затем рассматоивают под микроскопом.

В результате микроскопического анализа выявляют струк­

турные составляющие, их величину, форму и расположение, не­ металлические включения, окисление по границам зерен, обез­

углероживание с поверхности, микротрещины, характер и глу­

бину поверхностного насыщения углеродом, азотом и другими

элементами, толщину и строение хромированных и других метал­

лических покрытий и т. п.

Впоследние годы в практику металловедения входит элект­

ронный микроскоп, позволяющий достигать увеличений до

25000—100000 раз. Разрешающая способность электронного микроскопа достигает 0,0002—0,0003 мк, а оптического микро­ скопа только — 0,15 мк.

Впринципе электронный микроскоп несколько сходен с опти­

ческим, но роль световых лучей в нем выполняет поток быстро­

движущихся электронов, получаемых с помощью электронной

пушки. Вместо оптических линз для преломления электронных

лучей применяются электромагнитные катушки. Прошедшие че­

рез объект электронные лучи дают светящееся изображение на

люминесцирующем экране или направляются на фотопластинку. Непосредственное рассмотрение металлических сплавов с по­ мощью электронного микроскопа невозможно, так как металлы не пропускают потока электронов. Однако представление о строе­ нии сплава можно получить, если с протравленной поверхности

микрошлифа сделать лаковый, кварцевый или угольный слепок

(реплику) и рассматривать этот слепок под электронным микро­ скопом.

6. Магнитная дефектоскопия

Метод магнитной дефектоскопии позволяет выявлять поверх­ ностные и подповерхностные трещины в деталях без их разру­ шения. Однако этот метод может быть применен только к фер­ ромагнитным материалам, способным намагничиваться. Наибо­ лее широкое распространение этот метод получил при контроле стальных изделий.

Метод магнитной дефектоскопии основан на том, что если

намагнитить деталь, имеющую трещину, то вблизи последней

нарушается равномерность магнитного поля и возникает мест­

ное рассеянное поле утечки. Если затем нанести на поверхность

детали ферромагнитный порошок, то частицы его втянутся в это

21

поле утечки и создадут очертания скрытой.или мало заметной трещины.

Намагничивание деталей производят между полюсами элект­ ромагнита. Однако чаще применяют метод циркулярного намаг­ ничивания, при котором круговое магнитное поле создают путем пропускания электрического тока через деталь или через провод­

ник, расположенный внутри полой детали. Практически для на­

магничивания деталей пользуются специальными дефектоско­

пами.

В качестве ферромагнитного вещества обычно применяют по­

рошок окиси железа (крокус), взмученный в воде или трансфор­

маторном масле.

На фиг. 14 показаны характерные трещины, выявленные ме­

тодом магнитной дефектоскопии. Практически с помощью этого

Фиг. 14. Продольная трещина в болте, выявленная магнитным методом

метода можно выявить закалочные трещины, волосовины, шли­

фовочные трещины, трещины в сварных швах и эксплуатацион­

ные трещины.

Метод магнитной дефектоскопии получил широкое примене­ ние на заводах и в ремонтных органах при выявлении производ­

ственных и эксплуатационных дефектов.

7. Люминесцентная дефектоскопия

Метод люминесцентной дефектоскопии позволяет обнаружи­ вать дефекты в деталях без их разрушения. В отличие от маг­ нитного метода он применим к деталям, изготовленным из лю­

бых материалов: цветных сплавов, немагнитных сталей, пласт­ масс и т. п. Однако при помощи этого метода можно обнаружить

только поверхностные трещины.

Метод люминесцентной дефектоскопии основан на способно­

сти некоторых веществ ярко светиться (люминесцировать) под

действием ультрафиолетовых лучей. Если заполнить трещины таким люминесцирующим веществом, то при облучении детали

22

ультрафиолетовыми, лучами трещины становятся хорошо замет­ ными. Наиболее распространенным люминесцирующим вещест­

вом является обычное авиационное масло, к которому добавля­

ют керосин и мыло. Керосин добавляется для большей подвиж­ ности, а мыло — для облегчения смывания избытка жидкости.

Метод люминесцентной дефектоскопии оказался особенно

удобным для контроля многих деталей из немагнитных сталей и сплавов, например, лопаток турбины реактивного двигателя.

8. Ультразвуковая дефектоскопия

Метод ультразвуковой дефектоскопии, предложенный в 1929 г.

профессором С. Я. Соколовым, основан на том, что ультрако­

роткие звуковые волны, направленные в деталь, способны отра­

жаться от находящихся внутри детали трещин, раковин и дру­

гих дефектов. Улавливая с помощью приемно-усилительного уст­ ройства отраженные волны, можно по времени распространения

прямой и отраженной волны не только установить местоположе­ ние дефекта, но также определить глубину его залегания. Это явление подобно отражению радиоволн в радиолокаторах.

Практически для выявления дефектов этим методом пользу­

ются специальными ультразвуковыми дефектоскопами. Ультра­

звуковые волны в этих приборах возбуждаются с помощью спе­

циального лампового генератора и передаются изделию через «щупы», заканчивающиеся призмами из органического стекла, в которые вмонтированы пластинки из титаната бария. Прием­

ная часть прибора состоит также из щупа, передающего отра­

женные колебания через усилитель на экран электронно-луче­ вой трубки.

Получаемая на экране «развертка» в виде светящейся ли­

нии позволяет определить положение и глубину залегания де­

фекта.

Данный метод имеет особые преимущества в случае контроля

крупных слитков, поковок и потовых деталей, в которых можно обнаружить пороки на глубине до нескольких метров.

9. Гамма-дефектоскопия

Метод гамма-дефектоскопии основан на способности гам­ ма-лучей проникать через непрозрачные для видимого света

тела. Возникают гамма-лучи при ядерных процессах, происхо­

дящих в радиоактивных элементах.

Самопроизвольный распад ядер атомов некоторых химиче­ ских элементов, происходящий вне зависимости от какого-либо

на них внешнего воздействия, называется естественной радио­

активностью.

При естественной радиоактивности химических элементов про­

исходит излучение альфа- и бета-частиц и выделение гамма-

лучей.

23

Альфа-частицы — это ядра атома гелия. Бета-частицы — это

электроны, из которых состоят электронные оболочки атомов.

Гамма-лучи — это распространяющиеся в пространстве электро­

магнитные колебания, отличающиеся от видимого света и рент­

геновских лучей значительно меньшей длиной волны и частотой колебания.

Из естественных, долгоживущих радиоактивных элементов наиболее известными являются уран* , торий и актиний.

Для просвечивания изделий гамма-лучами используются ис­

кусственные радиоактивные изотопы. Искусственную радиоак­

тивность элементов можно вызвать бомбардировкой ядер альфа-

частицами или другими радиоактивными излучениями.

Наиболее мощными источниками радиоактивного излучения являются урановые реакторы. При распаде ядер урана обра­ зуется поток нейтронов, который и используется для облучения различных химических элементов с целью получения искусст­ венных радиоактивных изотопов.

Наиболее распространенным источником гамма-излучения

для дефектоскопии является искусственный радиоактивный изо­ топ кобальт-60, который обычно получается цри нейтронном

облучении основного стабильного химического элемента кобаль­

та-59 или никеля-62.

Метод просвечивания гамма-лучами принципиально ничем не

отличается от просвечивания лучами Рентгена с той лишь раз­

ницей, что гамма-лучи по сравнению с рентгеновскими лучами

мер, раковину, гамма-лучи ослабляются в меньшей степени, чем в здоровой части детали, и поэтому вызывают в этом месте более

сильное физико-химическое действие на фотоэмульсию.

24

10. Метод радиоактивных изотопов

Метод радиоактивных изотопов или метод «меченых атомов» в последние годы получил широкое распространение в металло­

ведении и за короткое время стал одним из основных методов

исследования металлов и сплавов.

Этот метод основан на том, что меченые атомы, введенные в сплав в виде радиоактивных изотопов, можно легко обнару­

жить при помощи радиографии или при помощи измерения

масс-спектрометром их излучения.

Метод радиоактивных изотопов позволяет исследовать рас­ пределение легирующих элементов между различными фазами

всплавах и внутри отдельных фаз, изучить процессы диффузии

исамодиффузии и с большой точностью измерить коээффициен-

ты диффузии, которые представляют большой интерес для про­

блем жаропрочности; определить наличие примесей и выяснить источники проникновения в сплавы нежелательных компонен­

тов — олова, свинца, серы и др.; выяснить распределение угле­ рода в стали после ее обычной или высокочастотной закалки;

изучить механизм химико-термической обработки стали и опре­

делить скорость этого процесса, изучить механизм окисления железа и пассивации металлов в растворах окислителей и мно­ гие другие процессы.

Меченые атомы вводятся в сплавы при их приготовлении в ви­ де радиоактивных изотопов или при химико-термической обра­ ботке методом поверхностного насыщения.

На фиг. 16 показана микроструктура а и соответствующая ей

микрорадиография б углеродистой стали, содержащей 0,2% угле-

Фиг. 16. Микроструктура («) и соответствующая ей микрорадиография (<?) стали марки 20. Трав­ лено 5% раствором HNO3 в спирте, х 135.

рода. Из сравнения микрофотографии с микрорадиографией вид­

но, что участки почернения от радиоактивного углерода, вве­

денного в сталь, на микрорадиографии точно соответствуют

участкам перлита на микрофотографии.

25

IV. ОСНОВНЫЕ ДИАГРАММЫ состояния

1. Общие сведения о сплавах

Сплав — это вещество, полученное в результате взаимодей­

ствия двух или нескольких элементов (преимущественно метал­

лов) в большинстве случаев при охлаждении их из жидкого

состояния, т. е. при их сплавлении.

Если элементы, составляющие сплав, не вступают ни в какие

взаимодействия друг с другом, то образуется механическая

смесь. По структуре смесь представляет собой вещество, элемен­ ты которого различимы невооруженным глазом или при увели­

чении под микроскопом. Структура сплава в этом случае будет

состоять из зерен чистых элементов, входящих в состав сплава.

Если элементы, составляющие сплав, вступают при кристал­ лизации в химические взаимодействия друг с другом, то образу­

ются химические соединения. По структуре химические соедине­

ния представляют собой однородные твердые тела; они образуют свои кристаллические решетки и отличаются от составляющих

их элементов температурой плавления и свойствами. Структура

сплава в этом случае будет состоять из зерен образовавшегося

растворяться один в другом, то в результате этого взаимодейстствия образуются так называемые твердые растворы, которые

представляют собой однородные тела, входящие в состав кото­

рых элементы не-различимы даже при самых больших увеличе­

ниях. Образуются твердые растворы путем замещения (фиг. 17)

атомов основного металла в его кристаллической решетке ато­ мами другого металла или путем внедрения (фиг. 18) атомов

другого металла между атомами решетки основного металла.

Отметим, что сплавы можно получать не только путем сплав­

ления, но и путем спекания смеси спрессованных порошков раз­

личных металлов, неметаллов или химических соединений. В этом

26

случае получаются металлокерамические сплавы. Кроме того,,

сплавы можно получать путем сублимации или путем электро.-

лиза. Однако наиболее распространенным способом получения

сплавов является метод сплавления.

2. Диаграмма состояния эвтектического типа

Для построения диаграмм состояния, как было сказано выше,,

обычно пользуются термическим методом.

Диаграммы состояния показывают изменение состояния спла­

вов в зависимости от температуры и концентрации (давление

принимается постоянным).

На фиг. 19 приведены кривые охлаждения и диаграмма со­

стояния сплавов системы свинец—сурьма, образующих эвтекти-

Фиг. 19. Построение диаграммы состояния эвтектического < типа системы свинец—сурьма по кривым охлаждения

ческую смесь. Свинец и сурьма не вступают ни в какие взаимо­ действия друг с другом при кристаллизации и в твердом состоя­

нии образуют механические смеси. Начальные точки каждой

кривой охлаждения соответствуют нулевому отсчету времени.

Точки излома и горизонтальные площадки на кривых охлажде­

ния соответствуют критическим точкам.

Изготовив достаточное количество сплавов различного соста­

ва и определив в каждом сплаве критические точки, т. е. темпе­ ратуры начала и конца кристаллизации, можно легко построить,

как это показано на фиг. 19, диаграмму состояния эвтектическо­ го типа системы свинец—сурьма.

Линия ABC называется линией ликвидуса (точки I на кри­ вых охлаждения). Все сплавы выше этой линии находятся в жид­

ком состоянии.

Линия DBE называется линией солидуса (точки S на кривых охлаждения). Все сплавы ниже этой линии находятся в твердом

состоянии.

27

Металлы, затвердевающие в соответствии с диаграммой со­ стояния эвтектического типа, в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях, в твердом состоянии совер­

шенно не растворяются один в другом, не образуют между собой химических соединений, в определенных соотношениях образу­

ют эвтектику — особую механическую смесь чередующихся мел­

ких кристалликов свинца и сурьмы и не имеют аллотропических

превращений.

При охлаждении сплавов свинец — сурьма на линии AB

диаграммы состояния начинается кристаллизация чистого свин­ ца, а на линии BC — чистой сурьмы. На линии DBE, называе­

мой также эвтектической линией, происходит полное затвердева­ ние сплавов с образованием эвтектики. На участке DB обра­ зуется структура, состоящая из кристаллов свинца и эвтектики,

а на участке BE — из кристаллов сурьмы и эвтектики.

3. Диаграмма состояния неограниченных твердых растворов

Металлы, затвердевающие в соответствии с диаграммой со­ стояния неограниченных твердых растворов, в жидком состоянии обладают полной взаимной растворимостью, в твердом состоя­

нии образуют друг с другом твердые растворы неограниченной

растворимости, не образуют химических соединений и не дают

эвтектик.

Кристаллизация любого сплава такой системы будет проис­

ходить при переменной температуре, причем характер кривых ох-

Ф и г. 20. Построение диаграммы состояния неограниченных твердых растворов системы никель—медь по кривым охлаж­ дения

лаждения для сплавов с любым соотношением компонентов бу­

дет один и тот же. На фиг. 20 приведены кривые охлаждения и

диаграмма состояния сплавов системы никель — медь, образую­ щих неограниченные твердые растворы. В точках I начинается

28

процесе кристаллизации, а в точках S — процесе кристаллизации

заканчивается.

Сплавы этой системы в области, лежащей выше линии ликви­ дуса, будут находиться в жидком состоянии. В области, лежа­ щей между линией ликвидуса и линией солидуса, сплавы будут

находиться частично в твердом, частично в жидком состоянии^

Наконец, в области, лежащей ниже линии солидуса, сплавы

будут находиться в твердом состоянии и представлять собой

однородные твердые растворы замещения неограниченной раст­ воримости.

4. Диаграмма состояния ограниченных твердых растворов

Металлы, затвердевающие в соответствии с диаграммой со­

стояния ограниченных твердых растворов, в жидком состоянии

обладают полной взаимной растворимостью, в твердом состоянии

обладают ограниченной растворимостью, в определенных соотно­

шениях образуют эвтектику и в некоторых системах образуют металлические соединения.

На фиг. 21 приведены кривые охлаждения и диаграмма со­

стояния сплавов системы Al—Cu Al2, образующих ограниченные

Фиг. 21. Построение диаграммы состояния ограниченных твердых растворов системы Al-CuAl2 по кривым охлажде­ ния

твердые растворы. Эта диаграмма несколько похожа на диаграм­

му состояния эвтектического типа. Линия ABC представляет со­ бой линию ликвидуса. Линия солидуса ANBE имеет горизон­ тальный участок NBE, называемый эвтектической линией. Одна­

ко в левой части имеется дополнительная линия MN — линия предельной, переменной по температуре растворимости меди

валюминии.

Вобласти I любой сплав будет находиться в жидком состоя­ нии. В областях II и III сплавы будут находиться частично

вжидком и частично в твердом состояниях. Твердой составляю­

29-