Структура стального слитка и методы исследования металлов: макроскопический и микроскопический анализ

Схема строения стального слитка, впервые предложенная выдающимся русским металлургом Д.К. Черновым, представлена на рисунке 3.7. Данная схема наглядно демонстрирует зональное строение слитка, которое формируется в процессе направленной кристаллизации и обусловлено неравномерностью тепловых условий в различных частях затвердевающего объёма металла. Согласно классическому представлению, в слитке выделяются три характерные зоны, различающиеся по размеру, форме и ориентации кристаллов.

Рис. 3.7. Схема стального слитка по Д.К. Чернову: Слиток состоит из трех зон: 1 - мелкокристаллическая корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов;
3 - внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Первая зона, непосредственно прилегающая к стенкам изложницы, представляет собой мелкокристаллическую корковую зону. Её формирование происходит в условиях максимального переохлаждения, так как стенки формы имеют низкую температуру и обеспечивают интенсивный отвод тепла. В этих условиях возникает огромное число центров кристаллизации, что и определяет мелкозернистое строение наружной корки слитка.

Вторая зона характеризуется наличием столбчатых кристаллов, ориентированных перпендикулярно стенкам изложницы. Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях существенно меньшего переохлаждения, поэтому число активных центров кристаллизации здесь ограничено, и процесс затвердевания реализуется преимущественно за счёт интенсивного роста уже образовавшихся кристаллов в направлении, противоположном отводу тепла. Рост кристаллов в этой зоне носит ярко выраженный направленный характер, в результате чего формируются древовидные кристаллы, называемые дендритами (рис. 3.8). Дендриты растут преимущественно в направлении, близком к вектору максимального теплоотвода, образуя своеобразный «частокол» столбчатых зёрен.

Рис.3.8. Схема дендрита по Д.К. Чернову

Центральная (третья) зона слитка состоит из крупных равноосных кристаллов (дендритов) со случайной ориентацией. Такое строение обусловлено тем, что в осевой области слитка теплоотвод выравнивается по всем направлениям, и условия кристаллизации приближаются к изотропным, что способствует росту кристаллов равномерно во все стороны до их взаимного столкновения. В процессе затвердевания столбчатые кристаллы из второй зоны могут смыкаться своими фронтами в центральной части слитка — это явление получило название транскристаллизации. Для малопластичных металлов и многих сталей транскристаллизация является крайне нежелательным дефектом, так как зона стыка столбчатых кристаллов представляет собой плоскость ослабления, по которой при последующей пластической деформации (прокатке, ковке) могут образовываться трещины.

В верхней части слитка, затвердевающего последней, неизбежно формируется усадочная раковина — открытая или закрытая полость, образующаяся вследствие уменьшения объёма металла при переходе из жидкого состояния в твёрдое. Металл в зоне усадочной раковины и прилегающих к ней областях отличается повышенной рыхлостью, пористостью и наличием неметаллических включений, поэтому эта часть слитка (обычно составляющая 15–20 % от его длины) подлежит обязательной отрезке и последующей переплавке как отход.

Классификация методов исследования металлов: структурные и физические подходы. Металлы и сплавы характеризуются комплексом разнообразных свойств — механических, физических, химических, технологических, поэтому получение исчерпывающей информации о материале невозможно при использовании какого-либо одного метода анализа. В современном металловедении применяется совокупность различных методов исследования, которые можно классифицировать на методы определения химического состава, методы изучения структуры и физические методы. Первостепенной задачей при исследовании любого металлического материала является установление его химического состава, для чего используются методы количественного анализа.

В случаях, когда не требуется высокой точности определения содержания элементов, широко применяется спектральный анализ. Данный метод основан на разложении и исследовании оптического спектра электрической дуги или искры, которая искусственно возбуждается между медным электродом и поверхностью исследуемого металла. При зажигании дуги атомы элементов, входящих в состав пробы, возбуждаются и излучают свет характерной длины волны; луч света, проходя через систему призм, разлагается в спектр, по цвету и интенсивности линий которого можно качественно и полуколичественно определить наличие и содержание химических элементов. Для проведения экспресс-анализа используются как стационарные лабораторные, так и переносные приборы — стилоскопы.

Более точные и детальные сведения о химическом составе даёт рентгеноспектральный анализ, выполняемый на специальных приборах — микроанализаторах (электронно-зондовых микроанализаторах). Этот метод позволяет не только определять локальный химический состав в микрообъёмах (вплоть до отдельных фаз и включений), но и исследовать распределение элементов по объёму образца, а также изучать характеристики диффузионной подвижности атомов в сплавах. Рентгеноспектральный анализ является незаменимым инструментом при исследовании гетерогенных структур и фазовых превращений.

Методы структурного анализа: от макроскопии до атомного уровня. Изучение структуры металлов и сплавов традиционно подразделяют на три уровня в зависимости от масштаба исследуемых объектов: макроструктурный анализ, микроструктурный анализ и анализ тонкой (кристаллической) структуры. Каждый из этих методов даёт информацию об особенностях строения материала на соответствующем масштабном уровне и требует специфической пробоподготовки.

Макроструктурный анализ заключается в изучении строения металлов и сплавов невооружённым глазом либо с помощью лупы при небольших увеличениях (до 30–50 крат). Исследование проводят на предварительно подготовленных образцах: поверхность шлифуют, а затем подвергают травлению специальными химическими реактивами, которые выявляют макростроение благодаря различной травимости отдельных участков. Данный метод позволяет выявить и оценить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, деформированных (кованых, штампованных, катаных) заготовок, а также установить причины разрушения деталей. В ходе макроанализа определяют: вид излома (вязкий или хрупкий), величину, форму и ориентацию зёрен и дендритов в литом металле, наличие дефектов, нарушающих сплошность (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины), химическую неоднородность (ликвацию), вызванную процессами кристаллизации или термической обработкой, а также направление волокон в деформированном металле.

Микроструктурный анализ (микроскопический анализ) предполагает изучение структуры металлов с помощью оптических (световых) микроскопов при увеличениях от 50 до 2000 раз. Такое увеличение позволяет обнаруживать элементы структуры размером до 0,2 мкм (200 нм). Образцами для микроанализа служат специально приготовленные микрошлифы — тонкие пластинки металла с плоской зеркально-гладкой полированной поверхностью, так как исследование ведётся в отражённом свете. На нетравленом шлифе можно наблюдать микротрещины, поры и неметаллические включения (оксиды, сульфиды, нитриды). Для выявления собственно микроструктуры (границ зёрен, фаз, структурных составляющих) поверхность шлифа подвергают химическому или электролитическому травлению реактивами, состав которых зависит от природы сплава. Различные фазы и структурные компоненты протравливаются с неодинаковой интенсивностью и окрашиваются по-разному, что позволяет идентифицировать их форму, размеры, распределение и взаимное расположение.

Наряду со световыми микроскопами в современном материаловедении широко используются электронные микроскопы, обладающие значительно большей разрешающей способностью благодаря малой длине волны электронов (0,04–0,12)·10⁻⁸ см. Формирование изображения в электронном микроскопе осуществляется с помощью потока быстро летящих электронов, что позволяет различать детали объекта, соизмеримые с межатомными расстояниями. Электронная микроскопия подразделяется на просвечивающую и растровую (сканирующую). В просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ) поток электронов проходит сквозь изучаемый объект, и изображение формируется в результате неодинакового рассеяния электронов на различных участках образца. Существуют косвенные и прямые методы просвечивающей микроскопии. При косвенном методе исследуют не сам металл, а его отпечаток — тонкую кварцевую или угольную реплику, которая точно воспроизводит рельеф протравленного микрошлифа; это делается для того, чтобы избежать искажений, вызванных вторичным излучением от массивного металла. Прямой метод заключается в изучении на просвет тончайших металлических фольг толщиной до 300 нм, получаемых непосредственно из исследуемого сплава; это позволяет непосредственно наблюдать кристаллическую решётку и дефекты строения.

Растровые (сканирующие) электронные микроскопы (РЭМ) формируют изображение за счёт регистрации вторичных электронов, эмитируемых с поверхности образца при сканировании её сфокусированным электронным лучом. В РЭМ изучается непосредственно поверхность металла (в том числе массивных образцов) при высоком разрешении, хотя оно несколько ниже, чем в ПЭМ. Растровая микроскопия позволяет получать трёхмерную картину рельефа поверхности с большой глубиной резкости и часто сочетается с рентгеноспектральным микроанализом.

Для изучения атомно-кристаллического строения твёрдых тел (так называемой тонкой структуры) применяются рентгенографические методы (рентгеноструктурный анализ). Они основаны на дифракции рентгеновских лучей кристаллической решёткой и позволяют устанавливать тип кристаллической решётки, параметры элементарной ячейки, тип твёрдых растворов (замещения или внедрения), ориентировку кристаллов (текстуру), а также количественно оценивать микронапряжения, концентрацию точечных дефектов и плотность дислокаций. Рентгеноструктурный анализ является основным методом исследования фазового состава и тонких кристаллических структур металлов и сплавов.

Физические методы исследования фазовых превращений. Среди физических методов исследования металлов важнейшее место занимают термический анализ, дилатометрический метод и магнитный анализ. Эти методы позволяют изучать фазовые превращения, критические точки и изменения физических свойств материалов в зависимости от температуры.

Термический анализ основан на регистрации тепловых эффектов, сопровождающих фазовые превращения. При нагреве или охлаждении сплава в моменты фазовых переходов (плавление, кристаллизация, полиморфные превращения, растворение или выделение фаз) поглощается или выделяется скрытая теплота, что приводит к изменению скорости изменения температуры. На кривых охлаждения или нагрева (термограммах) это проявляется в виде температурных остановок (площадок) или точек перегиба. Анализируя эти кривые, можно определить температуры фазовых превращений (критические точки) и построить диаграммы состояния сплавов.

Дилатометрический метод основан на измерении изменения объёма или линейных размеров образца при изменении температуры. При нагреве металлов и сплавов происходит тепловое расширение, обусловленное увеличением амплитуды тепловых колебаний атомов; если при этом не происходит фазовых превращений, то при охлаждении размеры образца возвращаются к исходным (обратимое расширение). В случае же фазовых превращений (например, полиморфного перехода, распада твёрдого раствора, выделения вторичных фаз) изменение размеров становится необратимым и фиксируется на дилатометрической кривой в виде аномалий. Дилатометрия позволяет определять критические точки сплавов, температурные интервалы существования различных фаз, а также изучать кинетику распада твёрдых растворов.

Магнитный анализ применяется для исследования процессов, связанных с изменением магнитных свойств материалов, в частности, при переходах из парамагнитного состояния в ферромагнитное или наоборот. Многие фазовые превращения в сплавах (например, распад аустенита в стали) сопровождаются изменением магнитных характеристик, что позволяет не только качественно фиксировать наличие превращения, но и проводить его количественную оценку — определять долю образовавшейся ферромагнитной фазы, изучать кинетику процесса. Комплексное применение описанных методов даёт полное представление о структуре, фазовом составе и свойствах металлических материалов на всех этапах их получения и обработки.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.