Основы практической металлографии. Учебное пособие

вале длин волн, то характеристическое практически монохромно. В практике рентгеноструктурного и фазового анализа используют, как правило, характери-

стическое излучение Fe, Co, Ni, Cr, Mo, W, Ag.

Основной задачей рентгеноструктурного анализа является определение расположения атомов в кристалле. Помимо кристаллографии, методы рентгеновского анализа широко применяются в металловедении для идентификации различных фаз в общей структуре. Специфической особенностью метода рентгенографического анализа является необходимость использования расчётного (таблицы и графики решения уравнений) и экспериментального справочного материала. Этот материал обобщён в справочнике Л. И. Миркина 5 .

Современную аппаратуру для рентгеноструктурного анализа применяют в основном для съёмки образцов с плоской поверхностью, которые могут быть изготовлены как из сплошного материала, так и из порошков. Наиболее распространены рентгеновские дифрактометры общего назначения ДРОН-2,0, ДРОН-3,0 и их современные модификации. Эти аппараты позволяют применять различные варианты хода рентгеновских лучей при съёмке, менять детекторы, использовать различные методы регистрации дифракционной картины. Основными узлами дифрактометра являются генераторное устройство, предназначенное для питания рентгеновской трубки высоковольтным (до 50 кВ) постоянным током (до 30–60 мА), гониометр, предназначенный для регистрации

иизмерения интенсивности отражённых рентгеновских лучей, блок обработки

ирегистрации, представляющий результаты измерения в наиболее удобной для оператора форме (цифропечатающее устройство, самописец, компьютер).

2.4.1. Закон Бугера – Ламберта – Бера Закон определяет ослабление пучка монохроматического света при про-

хождении через поглощающее вещество. Его можно сформулировать следующим образом: в равных толщинах одного и того же вещества поглощаются равные доли одного и того же излучения. Пусть J – интенсивность излучения, а dJ/J – доля излучения, поглощённого в слое толщиной dx, тогда:

где - линейный коэффициент поглощения. Интегрирование (2.6) даёт зависимость интенсивности излучения от толщины вещества:

где J0 – начальная интенсивность излучения на границе поглощающего вещества. Соотношение (2.7) называется законом Бугера – Ламберта – Бера. Теоретически J всегда больше нуля, но при большом коэффициенте поглощения уже несколько миллиметров вещества практически полностью удерживают излуче-

31

ние. Ослабление интенсивности зависит от длины волны характеристического излучения: при определённом значении длины волны коэффициент поглощения резко возрастает.

Помимо линейного коэффициента поглощения используют другую характеристику массовый коэффициент поглощения , где - плотность вещества (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Значения массовых коэффициентов поглощения для некоторых металлов

2.4.2. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах Длина волны рентгеновского излучения связана с параметрами элемен-

тарной ячейки кристалла d1, d2, d3, углами падающего 0, 0, 0 и дифракцион-

ного , , лучей уравнениями Лауэ:

d1 (cos cos 0 ) h ,

d3 (cos cos 0 ) l ,

где h, k, l – целые числа (кристаллографические индексы). Уравнения Лауэ представляют собой условия возникновения дифракции рентгеновских лучей на кристалле: разность хода между параллельными лучами, рассеянными атомами соседних узлов решётки, должна быть кратна целым числам длин волн.

Дифракционный рентгеновский пучок можно считать результатом отражения падающего луча от системы кристаллографических плоскостей с межплоскостным расстоянием d, (рис. 2.10). Направления, в которых получаются дифракционные максимумы, определяются уравнением Брэгга – Вульфа:

32

2.4.3. Экспериментальные методы рентгеновского структурного анализа Простейшим методом получения рентгенограмм монокристаллов являет-

ся метод Лауэ. Рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр, кристалл неподвижен, получаемая рентгенограмма называется лауэграммой. Метод позволяет отнести монокристалл к одной из 11 лауэвских групп симметрии и установить ориентацию его кристаллографических осей с точностью до угловых минут. Возможно также выявление внутренних напряжений и других особенностей строения образца.

Методами качания и вращения образца определяют периоды повторяе-

мости вдоль заданных кристаллографических направлений, проверяют симметрию кристалла и измеряют интенсивности дифракционных отражений. В этом методе используется монохроматическое рентгеновское излучение, образец приводится в колебательное или вращательное движение вокруг оси, совпадающей с кристаллографическим направлением. Уравнения Лауэ выполняются за счёт изменения углов при качании или вращении образца.

Рентгенгониометрическими методами определяют положение как мож-

но большего числа дифракционных отражений и измеряют их интенсивность при всех возможных ориентациях образца, соответствующих уравнениям Лауэ. Интенсивность линий определяют микрофотометром по степени почернения каждого пятна на рентгенограмме или регистрируют непосредственно с помощью счётчика квантов. Серия рентгенограмм содержит полный набор интенсивностей дифракционных отражений, которые обрабатываются с помощью современной вычислительной техники.

Метод Дебая – Шеррера применяется для исследования поликристаллических объектов. Рентгенограмма образцов получается с помощью монохроматического излучения и называется дебаеграммой. Она представляет собой совокупность концентрических колец, каждое из которых состоит из дифракционных отражений от различным образом ориентированных систем плоскостей с определённым межплоскостным расстоянием в различных зёрнах. Анализ распределения интенсивностей в кольцах позволяет оценить размеры зёрен,

33

наличие напряжений и преимущественной ориентации (текстурирования) в расположении зёрен.

Исследование аморфных материалов и частично упорядоченных объек-

тов. Чем ниже степень упорядоченности атомного строения вещества, тем более размытый характер приобретает рассеянное им рентгеновское излучение. Тем не менее, диаметр диффузного кольца на рентгенограмме аморфного вещества даёт возможность оценить межатомные расстояния в этом веществе. По мере роста степени упорядоченности в строении объектов дифракционная картина усложняется и содержит всё больше информации о структуре вещества.

Метод малоуглового рассеяния. Если размеры неоднородностей в объекте исследования превышают межатомные расстояния и составляют от 0,5–1 до 103 нм, т. е. во много раз превышают длину волны рентгеновского излучения, то рассеянное излучение концентрируется вблизи падающего пучка – в области малых углов рассеяния. Малоугловое рассеяние применяют для изучения пористых и мелкодисперсных материалов, сплавов и биологических объектов. Метод позволяет фиксировать возникновение новых фаз в сплавах, определять размеры включений и упаковку частиц в текстурах, контролировать процессы изготовления высокодисперсных материалов и др.

2.4.4. Фазовый анализ Фазовый анализ основан на том, что каждая фаза имеет свою специфиче-

скую кристаллическую решетку с определёнными параметрами, следовательно, ей соответствует на рентгенограмме своя система линий. В общем случае при съёмке материалов, имеющих в своей структуре несколько фаз, получается рентгенограмма, на которой присутствуют линии всех фаз, входящих в состав образца. Каждая фаза гетерогенной смеси даст на рентгенограмме характерное отражение, что позволяет осуществить качественный анализ. Количественный анализ основан на сравнении интенсивности определённого дифракционного максимума на рентгенограмме изучаемого вещества с интенсивностью эталона.

В качестве примера рассмотрим определение количества остаточного аустенита основано на измерении интенсивности линий мартенсита и аустенита. Метод основан на том, что соотношение интенсивностей мартенсита и аустенита на рентгенограмме связано с соотношением объёмных количеств этих фаз. Оценка интенсивности может производиться путём измерения высоты максимумов пиков мартенсита и аустенита или измерением их площадей. Сравнивая величину отношения интенсивности пика мартенсита к интенсивности пика аустенита с градуировочным графиком или подставляя эту величину в расчётную формулу, получают количество остаточного аустенита. Градуировочные графики строятся по образцам с известным содержанием остаточного аустенита или при сравнении данных металлографического и рентгеноструктурного анализа.

Качественный анализ является наиболее распространённой и сравнительно легко решаемой задачей. Для установления наличия той или иной фазы в пробе достаточно сравнить полученный ряд межплоскостных расстояний с

34

табличными значениями. Если из наиболее интенсивных линий отсутствуют 3 4, предполагаемую фазу следует исключить из рассмотрения. Наиболее подробным и постоянно обновляемым справочным материалом по фазовому анализу является картотека ASTM американского общества испытаний металлов.

Существует много разновидностей количественного фазового анализа, описанных в специальной литературе. Все они основаны на сравнении так называемых «аналитических» линий как правило, наиболее интенсивных и свободных от наложения линий других фаз.

Точность метода, обычно составляющая 5–10 % от определяемой величины, определяется качественным фазовым составом, содержанием определяемой фазы, стабильностью работы дифрактометра и другими факторами. Тщательная проработка условий анализа, учёт и исключение возможных погрешностей позволяют повысить точность до 1 %. При наличии у контролируемого изделия выраженной текстуры точность намного ниже, вплоть до невозможности количественного анализа.

2.4.5. Определение остаточных напряжений Одной из наиболее трудных металловедческих задач, успешно решаемых

с помощью рентгеноструктурного анализа, является определение внутренних напряжений, точнее напряжений II рода по классификации Н. Н. Давиденкова. Эти напряжения, как и измельчения блоков, приводят к уширению линий на рентгенограммах. Следовательно, задача по определению напряжений II рода сводится к наиболее точному определению доли уширения выбранных дифракционных линий, вызванных этими напряжениями. Метод заключается в измерении ширины выбранных дифракционных линий эталона (образца с таким же химическим составом и напряжениями II рода, равными нулю, что достигается, например, отжигом) и исследуемого образца на уровне 0,5 высоты дифракционной линии. Далее определяется физическое уширение линий образца, для чего вычисляется отношение ширины линии эталона к ширине линии образца с коррекцией на немонохроматичность линий эталона и образца.

Величины микронапряжений d/d находится из зависимости:

где - угол скольжения для данной дифракционной линии.

2.5. Неразрушающие методы контроля

Существенным недостатком металлографических, рентгеноструктурных, спектральных и многих других методов контроля является необходимость разрушения годных изделий, что позволяет использовать лишь выборочный контроль. Для устранения этого недостатка разработан ряд неразрушающих методов контроля, позволяющих установить корреляционную связь между измерением какой-либо структурно чувствительной характеристики материала и ранее принятыми показателями качества.

35

Для контроля качества стальных и чугунных изделий наибольшее распространение получили следующие методы неразрушающего контроля (НК): магнитный, вихретоковый, ультразвуковой, рентгеновский и электрический.

Магнитный метод нашёл применение для целей дефектоскопии (магнитный контроль трещин, раковин, волосовин и т. д.) и для контроля структуры и механических свойств (временное сопротивление, предел текучести, твёрдость

идр.). В промышленности используются магнитные дефектоскопы ПМД-70, МД-10Ф и магнитные структуроскопы типа КИФМ-1, МС-10, КИФМ-10.1 и целый ряд других.

Впроцессе магнитного контроля изделие намагничивается, с помощью магнитных датчиков считывается информация о его магнитном состоянии. В качестве информативных параметров могут использоваться магнитные поля рассеяния, возникающие в местах дефектов, и магнитные характеристики материала: коэрцитивная сила, магнитная проницаемость, остаточная индукция. С помощью экспериментальных графиков по этим характеристикам можно определять твёрдость изделия, глубину закалённого слоя и другие механические свойства без разрушения этих изделий, причём время, затрачиваемое на анализ, не превышает 5–20 сек.

Вихретоковый метод основан на регистрации изменений электромагнитного поля измерительного преобразователя (катушки индуктивности) при его взаимодействии с электропроводящим изделием. Структурное состояние металлов и сплавов влияет на их магнитные и электромагнитные характеристики, поэтому оказывается возможным контролировать изменения химического состава, концентрации структурных составляющих, а также определять механические напряжения в изделиях.

Вотличие от магнитных методов, вихретоковый контроль может применяться как для магнитных, так и для немагнитных материалов. В промышленности используются вихретоковые толщиномеры ВТ-20Н, ВТ-40НЦ, «Пермаскоп» (ФРГ); вихретоковые дефектоскопы ВД-20НД, ВД-40Н, «Дефектометр 2.164» (ФРГ); вихретоковые структуроскопы ВС-10П, ВС-70НЦ, «Магнатест QP3.203» (ФРГ), «Мультитест ЕМ-1100» (США). Достоинствами этого метода являются высокая точность и скорость контроля (3–5 сек.), а к недостаткам следует отнести высокую сложность при настройке и калибровке аппаратуры.

Перспективным методом неразрушающего контроля является ультразвуковой метод, основанный на прозвучивании деталей ультразвуковыми волнами

иприёме их отражений от дефектов. С помощью этого метода удается проводить контроль дефектов в сварных швах, в литых изделиях, измерять толщину

ифизико-механические свойства различных изделий. В производстве применяются ультразвуковые дефектоскопы ДУК-70, УД-10П, УД-12; толщиномеры УТ-1А, УТ-12; структуроскопы УС-10П, УС-12И и многие другие.

Неразрушающие методы контроля материалов и изделий находят всё более широкое применение в промышленности, по мере совершенствования аппаратуры и её автоматизирования, видимо, вытеснят традиционные методы.

36

3.ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОГРАФИИ

3.1.Количественная оценка фазового состава сплава

Впрактике металлографического анализа часто оценивают фазовый состав сплава. Качественная оценка не может дать точного представления о структуре металла. Наиболее объективную характеристику структуры можно получить, применив количественные методы оценки: линейный метод Розиваля и точечный метод Глаголева.

Воснове линейного метода Розиваля лежит принцип, согласно которому зависимость между объёмами двух тел, заключённых между параллельными плоскостями, сохраняется и для площади сечений этих тел параллельными плоскостями. Суть метода заключается в следующем. Изображения микроструктуры, содержащей различные фазы или структурные составляющие, пересекаются линиями. Линии могут быть прямыми и кривыми, но должны охватывать всю изучаемую площадь и распределяться по ней равномерно. Чем длиннее секущие линии, тем выше точность определения.

Чтобы определить долю площади шлифа или объёма сплава, занимаемых каждой из фаз, надо просуммировать длины отрезков, попадающих на каждую фазу, а затем сумму разделить на общую длину секущей линии. Для получения надёжного среднего значения измерения проводят в нескольких полях зрения, равномерно распределённых по площади шлифа. Длины отрезков оценивают целым числом делений на шкале окуляра, разделенной на 100 равных частей. Подсчитывают деления, попавшие на все структурные составляющие, кроме фазы, присутствующей в наибольшем количестве. Погрешность измерения тем меньше, чем длиннее отрезки, то есть чем крупнее структура и больше увеличение.

Вкачестве примера рассмотрим шлиф двухфазной структуры на рис. 3.1. Среди более распространённой фазы А имеются зёрна фазы В. В поле зрения шкала пересекает восемь зёрен фазы В с общей протяжённостью 34 деления. Значит содержание фазы В составляет 34 %, а содержание фазы А – 66 %.

Линейный метод определения структурного и фазового состава сплава позволяет применять различные приборы. В последнее время используется новый автоматический метод количественного микроструктурного анализа с помощью компьютеров и необходимого программного обеспечения. Линейным методом можно определить величину удельной поверхности анализируемой структурной составляющей. Методика подсчёта прежняя: подсчитывается суммарная длина отрезков, и результат делится на длину секущей линии.

Точечный метод А. А. Глаголева применяют для определения фазового состава высокодисперсных структур. Теория вероятностей показывает, что при беспорядочном и равномерном расположении точек на плоскости число точек, находящихся на отдельных участках, будет пропорционально площади этого участка.

37

Точность и достоверность результатов анализа, проведённого точечным методом, зависят от общего количества подсчитанных точек. Анализ проводят следующим образом. На микроскоп устанавливают окуляр с перекрестьем.

Рис. 3.1. Определение фазового состава линейным методом Розиваля

Шлиф равномерно перемещают и подсчитывают число точек определяемых фаз, попавших на перекрестье. Количественное содержание данной фазы в исследуемом сплаве определяют по формуле:

где С - содержание фазы А в сплаве, %, А – количество точек, попавших на фазу А, В – общее число точек.

Например, в трёхфазном сплаве движущееся перекрестье прошло 500 точек. Из них на фазу А попало 140 точек, на фазу В – 280, на фазу С – 80. В этом случае относительное содержание этих составляющих на площади шлифа будет следующим: А – 28 %, В – 56 % и С – 16 %.

Подсчёты можно производить непосредственно через окуляр, но удобнее их делать на матовом стекле фотокамеры. Шлиф следует перемещать равномерно, вращая микрометрические винты столика микроскопа. Процесс перемещения шлифа и подсчёта точек можно механизировать, применяя пушинтегратор. Наиболее простой пуш-интегратор представляет собой регистратор, состоящий из нескольких счётчиков, соединенных гибким проводником с микрометрическим винтом и винтом салазок микроскопа. Для каждой структурной составляющей предназначен свой счётчик. Нажимая на клавишу соответствующего счётчика, наблюдатель фиксирует количество точек, попавших на данную структурную составляющую, и одновременно перемещает шлиф в новое положение. Продолжительность анализа сплава, содержащего до 6 структурных составляющих, при подсчёте 1000 точек составляет 15–20 мин.

При необходимости подсчёта очень большого количества точек (десятки тысяч) используют «метод полей». Для этого применяют квадратно-сетчатый

38

окуляр, имеющий около ста узловых точек. Подсчитывают количество узловых точек, попавших на анализируемую структурную составляющую в поле зрения шлифа. В этом случае общее число точек подсчитывается перемножением числа точек пересечения в окуляре на количество просмотренных полей зрения. Число точек, попавших на определяемую фазу, подсчитывается суммированием полученных цифр в каждом поле зрения.

Анализ структуры точечным методом можно проводить при непрерывном перемещении шлифа в одном направлении, суммируя длины путей шлифа при прохождении перекрестья через каждую из структурных составляющих. Для работы по этому методу применяют специальные предметные столики, называемые интеграционными, которые механически суммируют длины отрезков. Эти столики позволяют последовательно и плавно перемещать шлиф и регистрировать величину перемещения раздельно для каждой фазы или структурной составляющей.

В настоящее время во многих лабораториях для количественного анализа микроструктуры используют количественные телевизионные микроскопы (КТМ), которые представляют собой телевизионный микроскоп, снабженный автоматическим счётным приспособлением, позволяющим упростить и ускорить процесс счёта микрочастиц. На приборе КТМ можно определять процент площади, занимаемой определённой фазой, среднее число зёрен, оценивать распределение частиц по группам крупности и т. д.

3.2. Определение величины зерна в сталях

Металлы и в том числе сталь, как тела поликристаллические, состоят из зёрен. Размеры зерна определяются характером и технологией производства стали (температурой литья, скоростью разливки, скоростью охлаждения в форме и т. д.), а также различными видами последующих обработок: горячей деформацией и термообработкой. Величина зерна влияет на механические свойства стали и её способность к восприятию различных видов термической обработки. Как правило, мелкозернистые стали имеют более высокие механические свойства. В ряде случаев отожжённая или нормализованная сталь с крупным зерном легче обрабатывается резанием, но этот факт имеет ограниченное практическое значение.

Крупнозернистые стали обладают большей прокаливаемостью по сравнению с мелкозернистыми. Этим свойством восприятия закалки руководствуются в практике при выборе материалов для деталей различного назначения. Одинаковые марки стали могут иметь различные величины зёрен в зависимости от условий выплавки и разливки.

Различают два вида сталей: наследственно крупнозернистые и наследст-

венно мелкозернистые. Мелкозернистые стали при нагреве до 1000–1050°С дают небольшой рост, а после 1050°С бурный рост зерна. Крупнозернистые стали характеризуются большой скоростью роста зёрен уже при незначительном нагреве. Различная склонность к росту зерна обусловлена способом рас-

39

кисления и составом стали. Стали, раскисленные алюминием, являются наследственно мелкозернистыми в связи с барьерной функцией образующихся субмикроскопических фаз оксидов и нитридов алюминия. Эти фазы тормозят рост зёрен, располагаясь по их границам. После растворения или распада мелкодисперсных нитридов или оксидов алюминия зерно быстро растёт. Аналогичное влияние оказывают легирующие элементы, особенно карбидообразующие (титан, ванадий, цирконий, ниобий, вольфрам, молибден). Наоборот, марганец и фосфор способствуют росту зерна.

Из-за роста зёрен при нагреве металла вводится понятие о действительном зерне. Термины «наследственно крупнозернистая сталь» и «наследственно мелкозернистая сталь» не означают того, что данная сталь всегда имеет крупное или всегда мелкое зерно. Действительным называется зерно, которое имеет сталь при данной температуре в результате той или иной термической обработки. Величину действительного зерна можно регулировать и получать по своему усмотрению путём изменения режима термической обработки. Методика выявления и определения величины зерна определена ГОСТ 5639-82.

Для измерения величины зерна при контрольных испытаниях применяют один из трёх методов:

–визуальное сравнение видимых под микроскопом зёрен с эталонными изображениями шкал;

–подсчёт количества зёрен на единице площади поверхности шлифа;

–измерение среднего условного диаметра (или площади) зерна или количества зёрен в 1 мм3.

Метод сравнения. По методу сравнения шлиф изучают под микроскопом при увеличении 100х и сравнивают величину зерна с эталонными изображениями на шкале. На эталонных шкалах приведены микроструктуры с раз-

личной величиной зерна, оцениваемой номером или баллом при увеличении 100х. Эталоны составлены так, что при увеличении в 100 раз номер зерна N свя-

зан с размером зерна по уравнению n = 8 2N, где n – число зёрен на 1 мм2 площади шлифа. Зерно с №1–5 считается крупным. Мелким зёрнам соответствуют №6–15, то есть чем меньше зерно, тем выше его номер. Диаметр каждого изображения шкалы по ГОСТ 5639-82 равен 79,8 мм, что соответствует натурной площади на шлифе 0,5 мм2 при 100-кратном увеличении микроскопа (рис. 3.2).

Рис.3.2. Схематичное изображение микроструктуры с различной величиной зерна (в баллах): а – №1, б – №3, в – №5, г – №7, д – №9

40