1.3.3. Поверхностные дефекты

Двумерные или плоские несовершенства, (которые малы только в одном измерении) представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами, блоками поликристаллического металла (Рис. 1.5.г). Зерна, или кристаллиты металла, разориентированы относительно друг друга на несколько градусов (или на несколько десятков градусов) и повернуты в разных направлениях. Это фактически переходная область порядка 5 – 10 атомных размеров, где решетка одного кристаллита переходит в решетку другого, имеющего другое кристаллографическое направление. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, скапливаются дислокации и вакансии.

Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов.

Кроме перечисленных дефектов в металлах имеются различные пустоты (поры), неметаллические включения, микро и субмикротрещины, остаточные напряжения.

Выявляемая в процессе эксплуатации, или во время специальных испытаний, прочность металлов, называемая фактической или технической, ниже теоретической на 2 – 3 порядка. Теоретической прочностью обладает совершенно бездефектный металл, имеющий идеально построенную, однородную во всех ее частях кристаллическую решетку.

Техническая прочность в сотни раз меньше вычисляемой по формулам величины. Это объясняется наличием в реальном металле концентраторов напряжений, металлургических дефектов и дефектов кристаллической решетки, важнейшими из которых являются дислокации.

1.4. Методы изучения структуры металлов

Структуру металлов изучают различными способами: макроанализ (изучение излома), микроанализ, рентгеноструктурный анализ, дефектоскопия, электронная микроскопия.

Макроанализ – изучение структуры невооруженным глазом или при небольшом увеличении (лупа). При этом можно обнаружить усадочные раковины, рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения. Крупнозернистый излом свидетельствует о перегреве металла, слоистый о загрязнении неметаллическими примесями, структура и вид блестящего излома говорит о степени вязкости стали например. Исследования проводятся на макрошлифах – их отрезают от заготовки, шлифуют и травят.

Микроанализ – проводится с помощью металлографического микрос-копа.(Оптический) Увеличение примерно 3000 раз. При этом можно изучить загрязненность сплава, степень однородности, качество термической обработки, характер неметаллических включений структуру, виды дефектов. Для микроанализа готовят специальные шлифы с зеркальной поверхностью.

Электронные микроскопы позволяют изучать структуру металлов с помощью пучка электронов, падающих на слепок со шлифа и изображающих его на пластинке. Увеличение до десятков тысяч раз. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, неметаллические включения и их характер – трещины, пористость т.д., качество термической обработки. Зная микроструктуру можно объяснить причины изменения свойств металла.

Рентгеноструктурный анализ - специальные установки с рентге-новскими трубками, дающими очень коротковолновое излучение и поэтому можно изучать не только поверхность, но и внутреннее строение – тип кристаллической решетки, параметры, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ основан на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов кристаллической решетки и это позволяет обнаружить дефекты (пористость, трещины, газовые пузыри, шлаковые включения) не разрушая металла. В местах дефектов рентгеновские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта.

Дефектоскопия – позволяет выявить внутренние пороки изделий без разрушения (трещины, пустоты, неметаллические включения, сварочные швы). Дефектоскопия может быть магнитная, ультразвуковая, γ-дефекто-скопия. При магнитной дефектоскопии деталь намагничивается, затем покрывается магнитным порошком и, где имеет место дефект, происходит искривление магнитных силовых линий. Γамма-дефектоскопия основана на использовании γ-лучей, частота которых больше рентгеновских и это позволяет изучить дефекты металла или изделия на еще большей глубине. Ультразвуковая дефектоскопия позволяет просвечивать детали до 1 метра. Частота ультразвуковых колебаний от 2 до 10⁶ герц.