Общая характеристика и структурные методы исследования металлов
Все металлы и металлические сплавы - тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличие от аморфных тел, в которых атомы расположены хаотично.
Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10-1…10-4 см), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами.
Металлы в твердом и отчасти в жидком состояниях обладают рядом характерных свойств:
· высокими теплопроводностью и электрической проводимостью;
· положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов (~30) обладает сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля);
· термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве;
· хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском;
· повышенной способностью к пластической деформации.
Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние веществ.
Чистые металлы в обычном структурном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Наиболее широко используются сплавы, которые получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов.
В металловедении широко используются понятия “система”, “фаза”, “структура”. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные одна от другой поверхностями раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.
Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.
Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30 – 40 раз) и микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).
Макроструктуру исследуют на специальных макрошлифах (темплетах). Для приготовления макрошлифа образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами.
При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле (см. рис. 1, а, б); волокна (деформированные кристаллиты) в поковках и штамповых заготовках (см. рис. 1, в), дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т. д.); химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической или химико-термической (цементация, азотирование и т. д.) обработкой.
а б
в
Рис. 1. Макроструктура излома слитка цинка (а), слитка меди (б)
и деформированной стали (в)
Микроструктурапоказывает (см. рис. 2, а, б) размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму и размеры.
Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.
Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе - оптическом или электронном.
Разрешающая способность оптического микроскопа, т.е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200 нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз.
Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны (0,04–0,12) 10-1 нм, дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2–0,5 нм.
а б в
Рис. 2. Микроструктура железа (а) и стали с 0,8 % С (б, в):
а – ´ 250; б – ´ 300; в - электронная микрофотография, ´ 5000
Для оценки металлургического качества металла, закономерностей процесса разрушения, влияния структурных, технологических и других факторов на разрушение широко применяют методы фрактографии – области знания о строении изломов.
Под изломом понимают поверхность, образующуюся в результате разрушения металла. Вид излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим строением и микроструктурой металла (сплава), формируемой технологией его выплавки, обработки давлением, термической обработки, температурой и средой, в которой работает конструкция.
Изломы изучают на макро- и микроуровне (при увеличениях до 50 тыс. крат и выше). Метод визуального изучения изломов, а также с помощью светового микроскопа при небольших увеличениях, называется фрактографией. Исследование особенностей тонкой структуры изломов под электронным или растровым микроскопом носит название микрофрактографии.
Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02–0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле. Для этой цели кроме рентгеновских лучей используют электроны и нейтроны, которые также дают дифракционные картины при взаимодействии с ионами (атомами) металла.
В металловедении все шире применяют метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металлографическом шлифе, при этом достигается разрешение порядка микрометров.
Для изучения металлов и сплавов нередко используют физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные). В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий (термических, механических и др.). Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения в координатах температура - время) и дилатометрический метод, основанный на изменении объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов применяется магнитный анализ.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы Fe - С. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе Fe - Fе3С(цементит), и стабильная, характеризующая превращения в системе Fe - С (рис. 58).
Рис. 58. Диаграмма состояния системы железо – углерод
На то, что система Fe - С является более стабильной, чем система Fe - Fе3С, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и графит, т. е. переходит в более стабильное состояние.