Раздел 2. Методы контроля структуры и свойств материалов

2.1. Металлографические методы испытаний

При изучении строения металла различают макроструктуру - строение металла, видимое невооруженным глазом, и мик­роструктуру - строение металла, определяемое металлографи­ческими методами, т. е. с использованием различных типов микроскопов (оптических, электронных и ионных).

Макроструктуру металла изучают путем просмотра поверхно­сти специально подготовленных образцов – продоль-ных или по­перечных макрошлифов (темплетов) или изломов - невооружен­ным глазом, а также с помощью лупы при уве-личении до 30 раз. Это позволяет контролировать большую поверхность и получать общее представление о качестве металла и о наличии в нем опре­деленных пороков после различных видов технологического про­цесса изготовления деталей: литья, обработки давлением, сварки, термической и химико-термической обработки.

Макроанализ, как правило, является не окончательным, а предварительным этапом исследования структуры металла. Он позволяет выбрать те участки, которые затем тщательно изучают­ся с помощью металлографических методов.

Путем исследования макроструктуры металла можно опреде­лить:

1. нарушение сплошности металла: усадочную рыхлость, пористость, газовые пузыри и раковины, подкорковые пузыри, межкристаллитные трещины; трещины и пустоты в литом металле; трещины, возникшие при обработке давлением и термической обработке, флокены; пороки сварки (в виде непровара,газовых пузырей, пустот);

2. дендритное строение и зону транскристаллизации в литом металле, размер зерна;

3. химическую неоднородность литого металла (ликвацию);

4. волокнистую структуру деформированного металла;

5. структурную или химическую неоднородность металла по­сле обработки давлением, термической, термомеханической или химико-термической обработки;

6) вид излома: вязкий, хрупкий, камневидный и т. д.

Большое значение для успешного проведения макро-анализа имеет правильный выбор наиболее характерного для исследуемой детали сечения или места излома. Как правило, для контроля ка­чества металла число образцов, их размеры, место вырезки и дру­гие условия отбора проб указывают в стандартах и технических условиях на конкретную металлопродукцию.

Для изучения изломов образцы, вырезанные в поперечном или в продольном направлении, надрезают, а затем разрушают по месту надреза на прессе или копре.

Для изучения микроструктуры используются оптические, электронные и ионные микроскопы.

Изучение микроструктуры обычно начинают с рас-смотрения специально приготовленного образца (шлифа) в нетравленом ви­де, т. е. после его полирования и промывки. В этом случае можно изучать неметаллические включения, мелкие поры, некоторые структурные составляющие, характерные для ряда сплавов (на­пример, графит в сером чугуне).

Количество и характер распределения неметаллических вклю­чений определяют сравнением наблюдаемых изображений на шлифе при увеличении в 100 раз со стандартными шкалами. По­сле этого проводится травление шлифа. Реактивы для травления выбирают в зависимости от состава изучаемого сплава и от задачи исследования.

Микроскопы делятся на переносные и стационарные. Пе-ре­носные микроскопы используются для исследования поверх-ности металла непосредственно на изделии (без вырезки образца).

Металлографический микроскоп имеет довольно сложное уст­ройство, включающее в себя механическую, оптическую (объек­тивы, окуляры), осветительную системы и фотографическую ап­паратуру. Наиболее широкое применение в исследовательских и заводских лабораториях нашли микроскопы МИМ-7, МИМ-8, "Неофот-21".

Микроскопическое исследование специально подготов-ленного образца позволяет изучать такие структурные особен-ности, как форма, размер, распределение фаз и неметаллических включе­ний, размер зерна, ликвационные области и др. Разработано несколько типов микроскопов для изучения микро-структуры металлов и сплавов в различных температурных условиях. С их помощью можно про­водить наблюдения за ростом зерна в металле при нагреве, фазо­выми превращениями, процессом спекания, поверхностными яв­лениями. Существуют приспособления, позволяющие проводить деформацию нагретого образца и дающие возможность наблюдать за процессами скольжения, двойникования, релаксации, фазовы­ми превращениями, происходящими в материале образца.

В электронных микроскопах ис­пользуются не оптические, а электронные лучи с очень малой дли­ной волны. Это позволяет изучать объекты размером до 0,2 - 0,5 нм.

В электронной микроскопии используются два принципиально различных типа электронных микроскопов: просвечивающие электронные ми­кроскопы (ПЭМ) и растровые (сканирующие) электронные микроскопы (РЭМ). Наибольшее распространение нашли ПЭМ, которые позволяют получать увеличение исследу­емого объекта до 10⁶ раз.

Достаточно широкое применение в современной металлогра­фии получили растровые электронные микроскопы (РЭМ). Уве­личение в РЭМ достигает от 10⁴ до 10⁵ раз.

РЭМ занимает промежуточное положение между опти-ческими микроскопами и просвечивающими электронными микроскопами (ПЭМ).

Недостатками РЭМ являются ограниченная разрешающая способность - до 4 - 12 нм; невозможность выявления структуры внутри образца, необходимость помещения образца в вакуум и др. Основная область применения РЭМ - фрактография, т. е. изу­чение характера разрушения материала с получением качествен­ной и количественной информации и поверхности излома.

Благодаря высокой разрешающей способности РЭМ широко используется для металлографического исследования сплавов, обладающих гетерогенными и дисперсными струк-турами. С помощью РЭМ изучается строение эвтектических и эвтектоидных смесей, размеры, форма и распределение дисперс-ных частиц вто­рой фазы и т. д. Широкие возможности имеет РЭМ для исследо­вания порошковых и композиционных материалов на разных стадиях их изготовления.

В основе рентгеноструктурного анализа (РСА) лежит взаимодействие рентгеновского излу­чения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей (длина волны 0,02-0,2 нм).

РСА особенно широко применяется для изучения кристалли­ческой структуры материалов, так как они представляют собой созданную самой природой дифракционную решетку для рентге­новского излучения. Прикладной частью рентгеноструктурного анализа является идентификация фаз по их кристаллоструктурным параметрам. Это важно при изучении многокомпонентных и многофазных металлических сплавов.

РСА применяется также для определения разного рода нару­шений кристаллической структуры в реальных веществах (дис­персности и блочного строения кристаллитов, дислокаций, дефек­тов упаковки и т. п.), текстуры металлов, а также для ана-лиза атомной структуры частично упорядоченных и некрис-талличе­ских материалов (например, металлических стекол).