23

Лекция 2

1.4. Методы исследования в материаловедении

Основными методами исследования в металловедении и материаловедении являются макро- и микроанализ.

Макроанализ включает изучение поверхностных дефектов, поверхности разрушенных образцов или изломов и макроструктуры слитков, полуфабрикатов и изделий. Макроанализ не требует использования специального оборудования, проводится без применения увеличительных приборов или при помощи лупы. Анализ осуществляется визуальным наблюдением дефектов поверхности и внутреннего строения материалов.

Излом – самый простой и доступный способ оценки внутреннего строения металлов. Метод оценки изломов, несмотря на свою кажущуюся грубость оценки качества материала, применяется довольно широко в различных отраслях производства и научных исследований. Оценка излома во многих случаях может характеризовать качество материала.

Излом может быть кристаллическим или аморфным. Аморфный излом характерен для материалов, не имеющих кристаллического строения, таких как стекло, канифоль, стекловидные шлаки.

Металлические сплавы, в том числе сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы, цинк и его сплавы, дают зернистый, кристаллический излом.

В зависимости от пластичности и вязкости металлических материалов, поверхность изломов существенно различается, излом может быть вязким или хрупким. Для вязкого разрушения, которое сопровождается значительной пластической деформацией, характерна развитая поверхность излома. Такой излом называется волокнистым. Хрупкое разрушение реализуется при незначительной пластической деформации, и поверхность излома часто имеет морфологию, связанную с формой и расположением кристаллов. К хрупким изломам относят кристаллические, фарфоровидные, нафталинистые, камневидные. Каждая грань кристаллического излома является плоскостью скалывания отдельного зерна. Поэтому по излому можно определять размеры зерна металла. Изучая излом стали, можно видеть, что размер зерна изменяется в очень широких пределах: от нескольких сантиметров в литой, медленно остывшей, стали до тысячных долей миллиметра в правильно откованной и закаленной стали. В зависимости от размера зерна, излом может быть крупнокристаллический и мелкокристаллический. Обычно мелкокристаллический излом соответствует более высокому качеству металлического сплава.

В случае волокнистого излома разрушение исследуемого образца проходит с предшествующей пластической деформацией, зерна в плоскости излома деформируются, и излом уже не отражает внутреннего кристаллического строения металла. Часто в одном образце, в зависимости от уровня его пластичности, в изломе могут быть волокнистые и кристаллические участки.

Хрупкий кристаллический излом может быть получен при разрушении по границам зерен или по плоскостям скольжения, пересекающим зерна. В первом случае излом называется межкристаллитным, во втором – транскристаллитным. Иногда, особенно при очень мелком зерне, трудно определить природу излома. В этом случае излом изучают с помощью лупы или бинокулярного микроскопа.

В последнее время получило развитие фрактографическое изучение изломов на металлографических и электронных микроскопах. При этом находят новые достоинства старого метода исследований в металловедении (исследований излома), используя понятия фрактальных размерностей.

Следующим методом исследования металлических материалов является макроструктурное исследование, которое заключается в изучении после травления плоскости сечения изделия или образца в продольном, поперечном или любых иных направлениях. Достоинством макроструктурного исследования стала возможность изучения структуры целой отливки или слитка, поковки, штамповки и т.д. С помощью этого метода исследования можно обнаружить внутренние пороки материала: поры, пустоты, трещины, расслоения шлаковые включения, определить размер и форму кристаллов, и изучать и химическую неоднородность (ликвацию) при кристаллизации слитка. Например, с помощью серных отпечатков макрошлифов на фотобумаге по Бауману определяется неравномерность распределения серы по сечению слитков. Большое значение этот метод исследования имеет при исследовании кованых или штампованных заготовок для определения правильности направления волокон в металле.

Одним из основных методов в металловедении является исследование микроструктуры металла на металлографических и электронных микроскопах. Этот метод позволяет изучать микроструктуру металлических объектов с большими увеличениями: от 50 до 2 000 раз на оптическом металлографическом микроскопе и от 10 до 200 тыс. раз на электронном микроскопе. Исследование микроструктуры производится на полированных шлифах. На нетравленых шлифах изучается наличие неметаллических включений, таких как оксиды, сульфиды, мелкие шлаковые включения и другие включения, резко отличающиеся от природы основного металла.

Микроструктура металлов и сплавов изучается на травленых шлифах.

Травление обычно производится слабыми кислотами, щелочами или другими растворами, в зависимости от природы металла шлифа. При травлении по-разному растворяются различные структурные составляющие, которые окрашиваются в разные тона или цвета. Границы зерен, отличающиеся от основного раствора, имеют травимость, обычно различающуюся от основы, они выделяются на шлифе в виде темных или светлых линий.

Видимые под микроскопом полиэдры зерен представляют собой сечения зерен поверхностью шлифа. Так как это сечение является случайным и может проходить на разных расстояниях от центра каждого отдельного зерна, то различие в размерах полиэдров не соответствует действительным различиям в размерах зерен. Более крупные зерна имеют величину, наиболее близкую к действительному размеру зерна.

При травлении образца, состоящего из однородных кристаллических зерен, например чистого металла, однородного твердого раствора наблюдается часто различно протравленные поверхности разных зерен (рис. 1.18). Это явление объясняется тем, что на поверхности шлифа выходят зерна, имеющие различные кристаллографическую ориентировку, вследствие чего степень воздействия кислоты на эти зерна оказываются разной. Одни зерна выглядят блестящими, другие сильно протравливаются, темнеют (рис. 1.18, б). Это потемнение связано с образованием различных фигур травления, по-разному отражающих световые лучи. В случае сплавов, отдельные структурные составляющие образуют микрорельеф на поверхности шлифа, имеющий участки с различным наклоном отдельных поверхностей (рис. 1.19, а).

Нормально расположенные участки отражают наибольшее количество света и оказываются наиболее светлыми. Другие участки – более темные. Часто контраст в изображении зернистой структуры связан не со структурой поверхности зерен, а с рельефом у границ зерен. Существует 3 разновидности границ зерен (рис. 1.19, б, в, г). Кроме того, различные оттенки структурных составляющих могут являться результатом образования пленок, образованных при взаимодействии травителя со структурными составляющими.

С помощью металлографического исследования можно осуществлять качественное выявление структурных составляющих сплавов. Количественное изучение микроструктуры металлов и сплавов можно проводить, во-первых, путем сравнения с известными изученными структурными составляющими и, во-вторых, специальными методами количественной металлографии. Использованием методов количественной обработки изображений в микроскопе можно определить размер зерна, размеры и объем структурных составляющих материала, протяженность границ зерен и другие количественные характеристики.

Рис. 1.18. Микроструктура (а, б) однофазного сплава – твердого раствора в отожженном состоянии.

Рис. 1.19. Схема образования контраста в изображении рельефных структур: а – формирование контраста; б – граница зерен; в – избирательное растравливание одной из фаз; г – граница с примесями.

В настоящее время для исследования структуры металлов в металлографических исследованиях широко применяются электронный сканирующий и просвечивающий микроскопы. Если разрешающая способность оптического микроскопа достигает значений 0,00015 мм = 1500 Å, то разрешающая способность электронных микроскопов достигает 2–10 Å, т.е. в несколько сот раз больше, чем у оптического, что связано с использованием волнового потока электронов с длинами волн 0,05–0,037 Å.

В просвечивающем электронном микроскопе осуществляют исследование тонких пленок (реплик), снятых с поверхности шлифа или непосредственное изучение тонких металлических пленок (фольг), полученных утонением массивного образца. Разрешение микроскопа позволяет изучать дефекты кристаллического строения, строение малоугловых и высокоугловых границ субзерен и зерен, распад пересыщенных твердых растворов при термическом или деформационном старении, связанных с выделением зоны Генье-Престона (ЗГП), когерентных и полукогерентных метастабильных фаз. Сочетание дифракции электронов с тонкой структурой фаз разрешает идентифицировать фазовый состав, устанавливать ориентационные соотношения, определять плотность дислокаций и решать другие задачи практического материаловедения.

Сканирующий (растровый) микроскоп дает возможность исследовать при значительном разрешении развитые поверхности, например изломы.

Анализ структуры изломов позволяет описать характер разрушения, установить причину разрушения детали или изделия. Растровые электронные микроскопы снабжены рентгеновскими спектрометрами для проведения микрорентгеноспектрального анализа материалов. Такой анализ позволяет осуществлять с точностью 1–4 % качественного и количественного анализа поэлементного состава сплавов от 4 до 42 элемента в микрообъемах вещества до 0,5 мкм.

Методы рентгеноструктурного анализа (РСА) используют для решения широкого спектра материаловедческих задач. Этим методом можно определять качественный и количественный фазовый состав многокомпонентных веществ, оценивать степень упругой и пластической деформации без разрушения образца, изучать и контролировать процессы термообработки металлов и сплавов, расшифровывать структуры сложных кристаллических материалов и т.д.

Этот метод дополняет другие методы анализа веществ, а в ряде случаев является важным звеном в технологической цепочке, например, автоматизированный контроль фазового состава электролита при получении алюминия из глинозема.

Рентгеноструктурный анализ – это дифракционный метод. В его основе лежит взаимодействие между рентгеновскими лучами и кристаллическим веществом. Сложную картину рассеяния рентгеновских лучей атомами можно уподобить отражению этих лучей от атомных плоскостей кристалла по законам геометрической оптики. «Отражаясь» от параллельных плоскостей (hkl) с межплоскостным расстоянием d_hkl, электромагнитные волны рентгеновских лучей будут усиливать друг друга (интерферировать), если они совпадут по фазе, т.е. в разность хода лучей уложится целое число длин волн nλ.

Уравнение дифракции рентгеновских лучей под названием формулы Вульфа-Брэггов имеет вид: 2 d_hkl sin θ = nλ; если nλ – целое число длин волн,то 2d_hklsinθ – разность хода лучей, где θ – угол дифракции между отраженным лучом и атомной плоскостью. В случае использования монохроматического излучения (λ = const) для атомных плоскостей (hkl) с определенным значением d_hkl/n имеем единственный угол θ, под которым будет наблюдаться интерференционный максимум на регистрирующем устройстве.

Данное следствие позволяет применить формулу Вульфа-Брэггов для установления фазового состава вещества. Каждая фаза обладает собственной кристаллической решеткой с определенным набором отражающих плоскостей и значениями d_hkl/n. Зная длину волны рентгеновских лучей λ и определив угол дифракции θ из рентгенограммы, находим значения d_hkl/n для всех атомных плоскостей, участвующих в отражении. Далее сравниваем d_hkl/n расчетные с d_hkl/n табличными из международной базы данных дифракционных стандартов ICDD (Объединенный комитет дифракционных данных). При совпадении значений делаем вывод о фазовом составе пробы. В настоящее время рентгенофазовый анализ автоматизирован и дает высокую точность, как в качественном, так и в количественном определении соотношении фаз многокомпонентного образца.

Любые изменения в кристаллической решетке в случае полиморфного превращения, упругой, пластической деформации, термообработки ведут к изменению межатомных расстояний и, следовательно, изменению d_hkl.

В свою очередь это приводит к изменениям в дифракционной картине образца: к смене положения линий на рентгенограмме, их размытию, нарушению сплошности (например, в случае текстуры на размытых линиях появляются характерные уплотнения – текстурные максимумы) и т.д.

Изучая методом РСА изменения в кристаллической решетке по сравнению с исходным её состоянием, можно судить о тех процессах, которые вызвали эти изменения. Ярким примером являются труды отечественных ученых Г.В. Курдюмова, Л.И. Лысака, М.В. Захарова, Г.С. Жданова, В.И. Ивероновой, Я.С. Уманского и многих других, которые с помощью методов РСА внесли ясность в теорию термообработки (например, мартенситного превращения стали), старения цветных сплавов, фазовых превращений и т.д.

В материаловедении, кроме указанных методов, применяются:

• дилатометрический метод исследования внутренних превращений в металлах, основанный на измерении изменений индивидуальных объемов фаз в процессе фазовых превращений;

• метод термического анализа, основанный на принципе учета и измерения скрытого тепла превращения, происходящего в металле при тех или иных превращениях;

• магнитный анализ, основанный на свойствах ферромагнитных материалов изменять магнитные свойства с изменением температуры и протеканием фазовых превращений.

В материаловедении для определения характеристик превращений, происходящих в металлах и сплавах, используются также все доступные измерению химические, физические и механические свойства, изменяющиеся при протекании исследуемых превращений. Очень важными свойствами, определяющими кинетику многих превращений, является электропроводность, растворимость в кислотах, плотность, твердость и др.

Практически все методы исследования, включая чисто металловедческие и изменения физико-механических свойств, должны применяться в комплексе, дополняя друг друга.