Поверхность металла под микроскопом

Обновлено: 08.01.2025

Огда мы рассматриваем кусок стали, меди, свинца или какого-либо другого металла невооружённым глазом, металл нам кажется совершенно однородным, сплошным.

С помощью лупы можно увидеть, что поверхность одного металла оказывается зернистой, поверхность дру­гого имеет волокнистый вид (рис. 3). Можно также рас­смотреть на поверхности трещины, раковины и т. д.

Долгое время считалось, что металлы — вещества аморфные, то-есть бесформенные, такие же, как, напри­мер, воск или стекло. Но в 1878 году, изучая процесс за­твердевания жидкой стали, великий русский металлург Д. К. Чернов установил, что при застывании сталь обра­зует сложную систему кристаллов.

Любой металл состоит из огромного множества мель­чайших кристаллических зёрнышек, крепко соединённых друг с другом. Их можно отчётливо видеть только при помощи микроскопа с большим увеличением.

Первым учёным, применившим микроскоп для науче­ния строения металлов, был замечательный русский ме­таллург первой половины прошлого века П. П. Аносо&.

Чтобы различить внутреннее строение или, как гово­рят, структуру металла под микроскопом, поверх­ность металла особым образом обрабатывают.

Почему нужна эта обработка? Обычно поверхность металла состоит из громадного количества выступов и впадин, и если бы мы наблюдали в микроскоп такую

СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ МЕТАЛЛ ПОД МИКРОСКОПОМ

Рис. 3. Зернистое строение литой стали и волокнистое строение стали после прокатки.

Необработанную поверхность, выступы и впадины затем­нили бы нам истинную картину строения металла. Кроме того, поверхность, как правило, покрыта тончайшей плён­кой окислов (соединений металла с кислородом) и раз­личными загрязнениями. Поэтому поверхность металла сначала тщательно зачищают напильником или наждач­ным кругом, затем шлифуют и полируют. После такой обработки поверхность становится зеркальной. Образец металла с зеркальной поверхностью называют шли­фом. Далее поверхность шлифа подвергается тра­влению: смачивается в течение двух-трёх минут спе­циальным раствором, содержащим кислоты и другие вещества, а потом промывается водой.

Способ приготовления и травления шлифов впервые был разработан П. П. Аносовым. В основных чертах этот способ используется и теперь,

Различные зёрна сплава разъедаются кислотой неоди­наково, и поэтому после травления на поверхности шлифа выступают грани отдельных кристаллов. Если протравлен­ный шлиф, находящийся под микроскопом, осветить, то часть зёрен отражает падающий на них свет прямо на объектив, и такие зёрна при наблюдении в микроскоп

СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ МЕТАЛЛ ПОД МИКРОСКОПОМ

Рис. 4. Металломикроскоп. Справа вверху — лучи света, отражённые от поверхности шлифа, идут в объектив микроскопа. Справа внизу — поверхность чистого железа под микроскопом.

Кажутся светлыми. Другие зёрна отражают свет в сторону и кажутся тёмными. Кроме того, разные зёрна после трав­ления нам кажутся окрашенными по-разному. Это также помогает разобраться в строении металла.

При микроскопическом изучении металлов приме­няется боковое освещение, так как все металлы непро­зрачны и освещать их снизу нельзя. Источник света располагается так, чтобы часть отражённых поверхностью шлифа лучей попадала в объектив (рис. 4).

С помощью микроскопа можно узнать, какое строение имеют металлы, как расположены в сплаве отдельные зёрна, какие неметаллические включения содержит сплав, есть ли в сплаве мельчайшие трещины и т. д. Микроскоп является теперь чрезвычайно распространённым средст­вом исследования металлов.

Строение металлов

Все металлы состоят из огромного количества кристаллических зерен, которые соединяются между собой. Такое зернистое кристаллическое строение вещества можно увидеть, применяя специальные микроскопы, получившие название металлографических. Они отличаются от обычных тем, что здесь применяется боковое освещение металла, потому что металлы непрозрачны и их невозможно освещать снизу. В таких микроскопах источник света располагается так, чтобы часть лучей отражалась от поверхности металлов и попадала в объектив.

stroenie-metallov

Рис. 1. Металломикроскоп.

Справа сверху — лучи света, отраженные от поверхности шлифа, идут в объектив микроскопа. Справа внизу — поверхность чистого железа, видимая с помощью металломикроскопа.

На рисунке 1 представлен один из таких микроскопов. Прежде чем рассматривать в нем образец, поверхность металла тщательно очищают наждачной бумагой, шлифуют и полируют до зеркального блеска. Такой образец называют шлифом. Затем поверхность шлифа подвергают так называемому травлению, для чего он смачивается в течение 2—3 мин раствором, чаще всего содержащим азотную кислоту и этиловый спирт. Применяют и другие растворы для травления шлифов. Делают это вот для чего: различные зерна сплава неодинаково растворяются кислотой, вследствие чего на поверхности металла выступают отдельные грани кристаллов, и когда протравленную часть шлифа освещают, то часть зерен отражает падающий на них свет прямо на объектив. Эти места под микроскопом кажутся светлыми. Другие зерна отражают свет в сторону, поэтому кажутся темными. Другой оттенок и даже окраску приобретают под микроскопом места сцепления отдельных кристаллических зерен, так называемые межкристаллитные участки (рис. 2).

stroenie-metallov

Рис. 2. Шлифованная пластинка под микроскопом (травление стали 2-процентным спиртовым раствором азотной кислоты).

Применение металломикроскопа дало возможность установить, какое строение имеют металлы, как расположены в сплаве отдельные зерна, какие неметаллические включения содержат сплавы, отражение трещин на поверхности сплавов и т. д. На рисунке 3 приведена микрофотография чугуна, где ясно видны отдельные включения графита.

stroenie-metallov

/>

Рис. 3. Графит в чугуне (темные включения):

а-крупнопластинчатый графит в обычном сером чугуне; б-мелкопластинчатый графит в модифицированном сером чугуне (модификация 0.15%); в-шаровидные графитовые включения в чугуне, модифицированном магнием (×100).

Металломикроскоп в настоящее время является одним из приборов любой лаборатории, где изучают свойства различных металлов и сплавов.

Кристаллическая решетка металлов

С кристаллами вы уже знакомы. Так, например, изучая поваренную соль, вы знаете, что она состоит из 8 отдельных кристаллов кубической формы. Само слово «кристалл» происходит от греческого слова «кристаллос», означающее «лед». В будущем так стали называть все твердые тела, которые имеют определенную геометрическую форму. В природе подавляющее большинство твердых тел находится в кристаллическом состоянии. Железо как одно из твердых тел при застывании также образует кристаллы. Кристалл железа имеет кубическую решетку. Однако, рассматривая под микроскопом поверхность металла, мы не увидим этой правильной кубической формы кристаллов. Неправильная форма кристаллов возникает потому, что в расплаве при его затвердевании возникает много мельчайших зародышей, которые образуют более крупные кристаллы. Эти крупные кристаллы, сталкиваясь, начинают теснить, сдавливать друг друга. Следовательно, в затвердевающем слитке металла одновременно находится огромное количество кристаллов. Нарушению их формы способствует не только то, что они теснят друг друга, но также неодинаковая температура в различных местах остывания. Отдельные кристаллические зерна в застывшем металле имеют различную форму и величину. Они отделены друг от друга прослойкой, которая состоит из различных неметаллических включений. Эти неметаллические включения всегда присутствуют в том или другом количестве в металле.

На рисунке 4 представлена схема образования зернистой структуры металла при его застывании.

stroenie-metallov

Рис. 4. Схема роста кристаллов в застывающем расплаве:

а-образуются зародыши; б-растут кристаллы; в-кристаллы начинают теснить друг друга; г-отдельные зерна сращиваются.

Вещества, входящие в состав стали, имеют различную температуру плавления, а, следовательно, и затвердевания. Например, чистое железо становится твердым уже при температуре 1539° С, а в соединении с серой или другими элементами температура затвердевания более низкая. Поэтому слой металла, затвердевающий в первую очередь, состоит из наиболее тугоплавких элементов, например, железа и углерода. Такие примеси, как сера и фосфор, дают более легкоплавкие сплавы и затвердевают в последнюю очередь. Сера и фосфор — вредные примеси потому что их присутствие значительно уменьшает прочность сплава, делает его хрупким и малопригодным для изделий.

При затвердевании сплава более легкоплавкие соединения железа с серой и фосфором концентрируются в верхней части слитка и застывают в последнюю очередь, поэтому сплав железа с фосфором и серой собирается в верхней части слитка.

В кристаллах атомы каждого металла распределяются в строго определенном порядке. Они образуют так называемую пространственную решетку, которую нельзя увидеть ни в один из существующих микроскопов. Однако с помощью рентгеновских установок и других современных приборов можно изучить расположение атомов в кристаллической решетке.

Типы кристаллических решеток металлов

Среди металлов чаще всего встречаются три типа решеток, к первым из них относятся кубические объемноцентрированные. Они характерны тем, что атомы в них находятся в вершинах и центре куба например у лития, хрома, ванадия и других металлов (рис. 5,а).

stroenie-metallov

Рис.5. Типы кристаллических решеток металла:

в-гексагональная (плотная упаковка).

Ко второму типу относят решетку кубическую гранецентрированную (рис. 5,6), атомы в (которой расположены в вершинах куба и его гранях (например, у алюминия, меди, свинца, никеля, золота, серебра и платины).

Третий тип — это гексагональные, или шестиугольные, плотно упакованные решетки (рис.5,в). Они встречаются у магния, цинка, кадмия и бериллия.

Как видно из схемы, приведенной на рисунке 6, наиболее плотные упаковки атомов имеют гранецентрированные и гексагональные решетки.

Рис.6. Схема строения металла.

В узлах решетки положительно заряженные ионы. В промежутка находятся свободные электроны.

Интересно отметить, что некоторые металлы, в частности железо, цинк и никель, могут существовать в нескольких кристаллических формах, переходя из одной в другую. Этот переход совершается при различных температурах. Такие видоизменения, когда одно и то вещество может находиться в различных кристаллических формах, называются аллотропическими, а сами вещества аллотропными. Название «аллотропия» происходит от греческих слов «аллос»—другой, «тропос»—свойство.

Углерод может встречаться в природе в виде графита и алмаза, причем, как вы помните, графит является мягким веществом, оставляющим след на бумаге, в то время как алмаз один из наиболее твердых природных веществ. Температуры плавления алмаза и графита различны.

Известно аллотропическое видоизменение серы (ромбическая и призматическая). Ромбическая сера образуется при температуре ниже 96° С, выше этой температуры она переходит в призматическую. В зависимости от изменения кристаллического строения изменяются и свойства вещества.

Такие же аллотропические изменения наблюдают и у железа. Оно имеет решетку центрированного куба то температуры 910° С, а в интервале температур 910—1390° С совершается переход в гранецентрированную.

Аллотропические превращения металла легко наблюдать на примере олова. Обычное серебристо-белое олово имеет сложную кристаллическую решетку, которая устойчива при температуре выше 18° С, при более низкой температуре атомы олова в кристаллах начинают перестраиваться. Упаковка их (атомов) становится менее прочной, блестящее олово теряет блеск, ковкость и превращается в хрупкое серое олово, имеющее другую кристаллическую решетку.

Это явление было давно замечено и получило название «оловянной чумы», так как оловянные изделия — тарелки из олова, кубки, органы в церкви — иногда вдруг начинали разрушаться. «Оловянная чума» была большим бедствием. Как бороться с ней, не знали, потому что не знали причины ее происхождения. Сейчас нам ясно, что если нагревать изделие из олова, «заболевшее оловянной чумой», то кристаллы серого олова будут перестраиваться в кристаллы белого олова, и оно вновь приобретает ковкость и белый цвет.

Строение металлов

На схемах кристаллов (рис. 5) условно в кристаллической решетке проведены линии, соединяющие один атом металла с другим. В действительности никаких линий, соединяющих атомы, в узлах решетки нет. Они уложены плотно, соприкасаясь друг с другом. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы, окруженные электронами. Валентные электроны атомов металлов так же, как и сами атомы, находятся в беспрерывном колебании. Но внешне электроны (валентные) могут легче покинуть свой атом и перейти к соседнему. Следовательно, в кристаллической решетке имеются так называемые свободные электроны, или свободный электронный «газ», присущий всему комплексу атомов. Таким образом, возникает взаимодействие электронов внешних оболочек атомов металла. Благодаря этому внешнему взаимодействию электронов создается связь между атомами металла, возникают силы сцепления, прочно удерживающие атомы металла в кристаллической решетке (рис. 6). Ионы атомов металлов в кристаллической решетке, окруженные подвижными (незакрепленными) электронами, получили название ион-атомов, в отличие от обычных ионов.

То, что мы говорили о кристаллической решетке металлов, относится к чистым металлам, но мы знаем, что в практике применяют преимущественно сплавы.

Привет студент

О структуре (строении) металлов можно получить представление прежде всего по виду излома, наблюдаемого невооруженным глазом; структура, наблюдаемая невооруженным глазом или с увеличением не больше чем в 10 раз, называется макроструктурой.

Более подробно можно рассмотреть структуру металла в микроскоп. Начало применения микроскопа при изучении строения металлов было положено в 1831 г. инженером одного из уральских заводов П. П. Аносовым. Так как металлы непрозрачны, то под микроскопом их можно рассматривать только в отраженном свете. Для получения ясного изображения рассматриваемой под микроскопом поверхности необходимо, чтобы все точки ее находились на равном расстоянии от объектива, поэтому поверхности рассматриваемых под микроскопом металлов подвергают шлифованию. Однако рассматривая такой шлиф под микроскопом, трудно заметить подробности его структуры. Подвергая шлиф воздействию разъедающих жидкостей, действующих различно на цельную поверхность зерна и на поверхности соприкосновения зерен (границы зерен), мы получим в результате такой обработки (травления) под микроскопом отчетливую картину слегка рельефной поверхности. Если травлению подвергнуть шлиф сплава, то картина делается еще более сложной, так как обычно на различные структурные составляющие сплава травитель действует не только в разной степени, но и придает им различную окраску. Строение металла, наблюдаемое под микроскопом, называется микроструктурой.

Наблюдая микроструктуру различных металлов, можно убедиться, что все они имеют зернистое строение. Величина и форма зерен зависят от природы металла, условий кристаллизации слитка и его последующей обработки (пластической и термической).

При рассмотрении травленой поверхности шлифа под микроскопом обнаруживается характерный для каждого металла рисунок, представляющий собой сечение границ зерен металла рассматриваемой поверхностью. На фиг. 37 представлена фотография травленой поверхности литой меди, на которой ясно видна сетка тонких линий, соответствующих сечению границ зерен плоскостью шлифа. Произвольность очертаний сетки указывает на произвольность

очертании тел, сечение которых представляет сетка; эти тела называются кристаллитами (или кристаллическими зернами) — зернами, образованными при затвердевании металла растущими навстречу друг другу кристаллами.

Процесс образования кристаллитов представлен схематически на фиг. 38; фиг. 38, а соответствует началу затвердевания металла, когда в расплавленном металле начинают возникать зародыши кристаллизации — атомные группы правильной геометрической формы; фиг. 38, б, в, г, д показывает последовательное увеличение кристаллов, растущих навстречу друг другу (наряду с этим ростом в незатвердевшем объеме возникают новые зародыши). На фиг. 38, е даны кристаллиты или кристаллические зерна неправильной внешней формы, образовавшиеся из правильных первичных группировок атомов. Эти кристаллические зерна и наблюдаются под микроскопом.

Структура металлов

В современных оптических металлоникроскопах увеличение достигает при

близительно 2000 раз. Микроскоп позволяет видеть отдельные зерна металла даже тогда, когда их нельзя различить в изломе. Однако наблюдение структуры металла под микроскопом не дает полного доказательства кристаллического строения металлов. Наблюдаемые под микроскопом кристаллические зерна редко имеют плоскогранную форму, характерную для кристаллов. Кристаллическое строение металлов было доказано лишь с началом применения в исследовании структуры металла рентгеновских лучей.

Кристаллическое строение вещества характеризуется тем, что атомы вещества занимают определенные положения в пространстве в узлах так называемой пространственной решетки (фиг. 39). Эта пространственная решетка у разных веществ может иметь различный вид. Для характеристики типа пространственной решетки полезно ввести понятие об элементарной ячейке, т. е. элементарной части пространственной решетки, простым повторением которой и образована пространственная решетка. Различные кристаллические системы отличаются формой элементарной ячейки. Элементарная ячейка в общем случае представляет собой косоугольный параллелепипед (фиг. 40, а) с ребрами а, b и с и углами а, b и y между этими ребрами. Различные соотношения этих величин дают несколько основных кристаллических систем.

Наиболее часто встречается в металлах кубическая система (а = b = с; а = b = у = 90°; элементарная ячейка — на фиг. 40, б). Чаще всего наблюдаются два вида кубической решетки — объемноцентрированная и гранецентрированная. Эти решетки отличаются от простой кубической тем, что, кроме атомов, расположенных по вершинам углов куба, в первой из них есть еще атом в центре куба (фиг. 40, в), во второй атомы рапложены в вершинах и в центре граней куба (фиг. 40, г).

Для вычисления расстояний между атомными плоскостями пользуются уравнением Вульфа 1 — Брэгга:

где d — искомое расстояние между атомными плоскостями;

0 — угол скольжения луча по отношению к отражающей атомной плоскости, определяемый положением темного пятна на негативе (рентгенограмме);

л — длина волны рентгеновского луча; n — целое число.

Это уравнение показывает, что пятна на рентгенограмме возникают лишь от определенных групп атомных плоскостей, а именно тех, которые расположены по отношению к направлению рентгеновских лучей так, что лучи, отраженные от каждой из плоскостей данной группы, будут иметь разность хода

(d sin 0), равную целому числу п полуволн Только при этом условии

интенсивность лучей, отраженных от каждой из плоскостей данной группы, будет суммироваться и давать пятно (или интерференционный максимум) на фотографической пленке — рентгенограмме.

Существует несколько методов рентгеновского анализа структуры кристаллов,

В металловедческих исследованиях наиболее распространен следующий метод. На образец (тонкий столбик, иногда плоский шлиф) направляют пучок рентгеновских лучей с определенной длиной волны; при весьма большом числе кристалликов и различной их ориентировке в пространстве среди них найдутся такие, которые смогут отразить пучок лучей от разных атомных плоскостей. Отраженные от каждой группы одинаковых плоскостей различных кристалликов лучи будут давать пятна с определенным углом с первоначальным направлением луча и образуют конусы, изображенные на фиг. 41.


При большом числе различно расположенных кристалликов рентгеновские лучи, прошедшие через металл, на фотопленке, пересекающей конусы перпендикулярно их оси, образуют сплошные концентрически расположенные окружности. На фиг. 42 приведена такая рентгенограмма.


Взаимное расположение и радиусы колец на рентгенограмме будут различны для кристаллов, имеющих различную структуру. Полученные таким путем снимки анализируют и рассчитывают по приведенному выше уравнению.

Анализ структуры металлов при помощи рентгеновских лучей окончательно

подтверждает их кристаллическую природу.

Правильное представление о строении металлов является необходимым условием для понимания их свойств и служит базой для рационализации процессов их обработки.

Между двумя описанными выше методами изучения строения металлов—микроскопическим и рентгеновским — существует некоторый разрыв в том смысле, что первый из них позволяет изучать детали структуры несравненно более крупные (порядка 10- 4 см и выше), чем второй, применяемый в основном для анализа деталей структуры порядка межатомных расстояний (10- 7 —10- 8 см). В известной мере этот разрыв заполняется применением в металловедении электронного микроскопа 1 , позволяющего рассмотреть детали структуры, имеющие размеры порядка 10 - 6 см. Соответственно увеличение этого микроскопа достигает нескольких десятков тысяч. На фиг. 43 приведена микрофотография чистого алюминия при увеличении в 11 000 раз. На этой фотографии выявлены группы блоков, составляющих кристаллические зерна рассматриваемого металла.

В России создан ряд конструкций электронных микроскопов (акад. А. А. Лебедев и др.); пятилетним планом восстановления и развития народного

Структура металлов

хозяйства России предусмотрено освоение производства электронных микроскопов и широкое внедрение их в практику научных исследований.

Краткие теоретические сведения. Микроскопический анализ (микроанализ) металлов и сплавов заключается в исследовании строения (структуры) металла с помощью оптического или электронного

Микроскопический анализ (микроанализ) металлов и сплавов заключается в исследовании строения (структуры) металла с помощью оптического или электронного микроскопа. Строение металла или сплава, наблюдаемое при помощи микроскопа, называется микроструктурой.

Между микроструктурой металлов и их свойствами существует четкая связь. Микроанализ позволяет:

- определить форму и размеры зерен;

- определить форму, размеры, содержание и относительное расположение фаз;

- выявить наличие имеющихся в металле неметаллических включений и микродефектов (микротрещины и микропоры).

Эта информация позволяет судить о свойствах металлов и сплавов, о предшествующей обработке этих материалов (литье, деформирование, термообработка и др.).

Микроанализу подвергают специально подготовленные образцы, называемые микрошлифами. Микрошлиф – это срез металла, отполированного до состояния зеркальной поверхности.

Микрошлифы готовят следующим образом.

Образец для микроанализа вырезают из того места, которое является наиболее важным в эксплуатационных условиях исследуемого металла. Наиболее удобны для работы образцы цилиндрической формы диаметром 10-12 мм и высотой 10-15 мм и прямоугольной формы с площадью основания 10 х 10 мм и высотой 10-15 мм;

Одну из плоскостей образца зачищают наждачным кругом; Полученную поверхность шлифуют наждачной бумагой различной зернистости;

Для получения зеркальной поверхности образец полируется на сукне или фетре, смоченном полирующей смесью;

Полученный микрошлиф промывается водой, а затем спиртом или бензином и просушивается фильтровальной бумагой.

Микрошлифы исследуются без травления или протравленными. В нетравленом шлифе можно наблюдать природу и характер расположения неметаллических включений: оксидов, сульфидов, графита, а также виды микродефектов – микротрещины, микропоры. Структура и ее особенности определяются на протравленных шлифах.

При травлении (например для сталей и чугунов раствором азотной кислоты в этиловом спирте) различные структуры разъедаются травлением с разной скоростью, поэтому образуется микрорельеф и его неровности создают сочетание света и тени: однородные структуры отражают больше света и видны светлыми, разнородные – темными (т.к. светлые лучи от них рассеиваются, не попадая в объектив). Максимальная неоднородность на границах зерен (где скопление примесей и искривлений кристаллической решетки), поэтому зерна резко очерчены, т.к. протравливаются сильнее.

Для исследования микроструктуры металлов и сплавов применяют металлографические микроскопы, которые позволяют рассматривать при увеличении непрозрачные тела в отраженном свете.



Рисунок 2.1. - Ход лучей в металлографическом микроскопе Рисунок 2.2 - Схема определения цены деления окуляра-микрометра

Луч от источника света 6 (рисунок 2.1) преломляется призмой 4 и попадает через линзу объектива 3 на поверхность микрошлифа 2 и отражаясь от него опять через линзу объектива 3 через призму 5 в линзу окуляра 1 на которую обращен глаз исследователя.

Т.е. изображение точки объекта в микроскопе увеличивается дважды: объектив дает первое – промежуточное (Vоб.), окуляр – второе окончательное (Vок.). Следовательно общее увеличение микроскопа (Vм.) будет следующим:

В современных конструкциях увеличение микроскопа доходит до 2000 раза.

Увеличение микроскопа можно определить при помощи объектив-микрометра и окуляр-микрометра. Объектив-микрометр представляет собой стеклянную или металлическую пластинку, на которой нанесена шкала длиной 1 мм, разделенная на 100 равных делений (цена деления 0,01 мм). Окуляр-микрометр в отличие от обычного окуляра имеет между линзами стеклянную пластинку со шкалой. Совмещая обе шкалы, определяют размер шкалы окуляра при данном объективе (рисунок 2.2) по формуле:

где Цоб – цена деления шкалы объектива (0,01 мм); Т – число совмещенных делений объектива-микрометра; А – число совмещенных делений окуляр-микрометра.

С помощью окуляр-микрометра можно определить размеры зерен, протяженность какой-либо резко отличающийся структурной области.

По размерам природных зерен можно довольно точно сказать о механической прочности исследуемого металла. Чем крупнее зерно, тем ниже механическая прочность деталей.

Таким образом, работоспособность деталей зависит в первую очередь от размеров природного зерна.

Величина зерна определяется по шкале стандартных размеров (рисунок 2.3), где проставлены баллы – размеры зерна.


Рисунок 2.3 - Стандартная шкала размеров зерна

Работоспособность (качество) металла зависит от размеров природного зерна, а также от вида рабочей нагрузки на деталь (таблица 2.1).

Методы исследования строения металлов

Исследовани­ем структуры металлов и их сплавов определяется пригод­ность их к эксплуатации в различных условиях работы. К важнейшим методам исследования относят макро- и мик­роанализ, рентгеновский и термический анализ, а также дефектоскопию: магнитную, ультразвуковую, при по­мощи радиоактивных изотопов. С помощью макроанализа изучают структуру, видимую невооруженным глазом или через лупу, по изломам металла и макрошлифам. Для макроанализа отшлифовывают одну из поверхностей образца, затем «травят» ее одной из кислот. Макроанализ выявляет трещины, газовые пузыри, усадочные раковины, расположение волокон в прокате, поковках. По макро­структуре, например коленчатых валов, судят об их каче­стве. На рис. 9 представлены расположения волокон — правильное (а) и неправильное (б).


Микроанализ выявляет структуру по микрошлифам при увеличении в оптических микроскопах до 2500 раз, а в электронных микроскопах — до 25000 раз. Это важней­ший анализ, позволяющий всесторонне изучить качество металла, определить структурные составляющие, форму и размер зерен, микродефекты, лежащие под поверхностью, неметаллические включения, качество термообработки. На основании микроструктуры можно объяснить причи­ны неудовлетворительных механических свойств, не про­изводя их испытаний. Микрошлифы изготовляют путем тонкого шлифования или полирования. При травлении различные составляющие структуры растворяются: одни зерна слабее, другие — сильнее; под микроскопом они вид­ны как более темные или более светлые. Рентгеновский анализ применяют для исследования структур кристаллов и дефектов на определенной глубине внутри металла. Рентгеновские лучи проникают че­рез тело, непроницаемое для видимого света, поэтому возможно обнаружить внутренний дефект, не разрушая металла. Глубина проникновения рентгеновских лучей в сталь составляет 100 мм. Исследование дефектов, ле­жащих на большой глубине, осуществляют с помощью γ-лучей.

Методами спектрального и химического анализов опре­деляют химический состав металлов и сплавов. Спект­ральный анализ производится по спектру, получаемому от свечения металлов в раскаленном состоянии. Одни метал­лы дают линию желтого света, другие - зеленого и т. д. Таким образом можно обнаружить наличие любого метал­ла, даже если его количество ничтожно мало.

Магнитная дефектоскопия позволяет исследовать фер­ромагнитные металлы: сталь, никель, кобальт. Она выявля­ет дефекты на глубине до 2 мм, например в сварных швах: раковины, трещины, неметаллические включения. Дефект­ные места обладают низкой магнитопроницаемостью и рас­сеивают магнитные силовые линии, которые огибают эти места, замыкаясь в магнитных полюсах (рис. 10).

Ультразвуковая дефектоскопия осуществляет эффек­тивный контроль качества изделия и заготовок любых металлов на большой глубине. Ультразвуковая волна направляется на поверхность изделия, проникает вглубь и проходит через всю толщу металла. При отсутствии дефекта звуковые волны распространяются нормально.

Если па пути встретится дефект, то интенсивность ульт­развука изменится. По изменению этой интенсивности выявляют дефект.

Ультразвуковая дефектоскопия широко применяется при контроле качества поковок, проката, роторов турбин, рельсов и т. д.

С помощью радиоактивных изотопов в металлургии обнаруживают попадание в металл шлака, скорость диф­фузии углерода в стали при цементации. Они помогают следить за изнашиванием деталей машин или огнеупорной кладки. Радиоактивность изотопов в изношенных местах изменяется из-за уменьшения количества изотопов на поверхности трения, при этом происходит изменение из­лучения, которое легко обнаружить

Читайте также: