Основні методи вивчення будови і властивостей матеріалів

В 1866 р. винайшов оптичний мікроскоп Сорбі. але макроструктуру кристалів досліджують на спеціальних металмікроскопах, як івідрізняються від звичайних біологічних мікроскопів тим, що мають фотографічний апарат і розглядають зображення з використанням відбитого світла (метали непрозорі).

Для приготування макрошліфів зразки вирізають із заздалегідь підго –товленого матеріалу, поверхню якого шліфують, піддають травленню спеці- альними розчинами.

При дослідженні можна виявити форму й розташування зерен у металі, дефекти, хімічну неоднорідність.

Мікроструктура показує розмір і форму зерен, взаємне розташування фаз. Мікроструктуру металів спостерігають у мікроскопі оптичному або електрон -ному, але потім її обов’язково фотографують

Роздільна здатність оптичного мікроскопа 0,2 мкм. Корисне збільшення в оптичному мікроскопі досягає до 2000 разів.

Роздільна здатність електронного мікроскопа значно вище оптичного. Використання електронного мікроскопа дає можливість розрізняти деталі розміром 0,2-0,5 нм. Найбільше поширення знайшли електронні мікроскопи ПЕМ, у яких потік електронів проходить через об'єкт, що представляє собою тонку фольгу. Одне з найбільш важливих досягнень електронної мікроскопії - можливість прямого спостереження дефектів кристалічної структури. Широкого вжитку набули растрові електронні мікроскопи (РЕМ), у яких зображення створюється завдяки емісії електронів, що випромінюються поверхнею, на яку падає безупинно і переміщається потік первинних електронів. Растровий мікроскоп дозволяє виправити безпосередньо поверхню металу, однак він має меншу роздільну здатність (20-30 нм), ніж ел. мікроскоп, що просвічує наскрізь. В останні роки для оцінки металургійної якості металу, закономірностей процесу руйнування, впливу структурних і ін. факторів на руйнування, широко застосовують методи фактографії - області знання й будови зламу.

Під зламом розуміють поверхню, що утвориться в результаті руйнування метала. Вид зламу визначається умовами навантаження, будовою й мікроструктурою металу, температурою й середовищем у яких працює конструкція.

Злами вивчають на макро- й мікрорівні. Метод візуального вивчення зламів, а також за допомогою світлового мікроскопа при невеликих збільшеннях називається фактографією.

Для вивчення атомно-кристалічної будови застосовують рентгено- структурний аналіз. Він заснований на дифракції рентгенівських променів, з дуже малою довжиною хвилі (0,02-0,2 нм), рядами атомів у кристалічному тілі. З цією метою крім рентгенівських променів використовують електрони й нейтрони, які також дають картини при взаємодії з іонами метала. У металознавстві усе частіше застосовують метод рентгеноспектрального мікроаналізу (РСМА). Метод РСМА визначає хімічний склад, при цьому досягається збільшення зображення розміром у декілька мікрометрів.

Для металів і сплавів нерідко використають наступні методи дослідження: теплові, об'ємні, електричні, магнітні. В основу цих досліджень покладено взаємозв'язки між змінами фізичних властивостей і процесами, що відбуваються в металах і сплавах при їхній обробці або в результаті тих або інших впливів. Найчастіше застосовують диференціальний термічний аналіз. Побудова кривої охолодження в координатах температура - час і дилатометричний метод, заснований на зміні об'єму при перетвореннях.

Перші кроки: хімія - явище окислення, яке можна застосувати у виробництві сталі, щоб утворити оксиди, які легко видалити з розплавленого металу.

Хімічний аналіз виявився незамінним при виборі сировини, а також для керуванням технологічним процесом.

Кількісний аналіз дозволяв судити про те, скільки вилучено з металу того чи іншого елемента, наприклад вуглецю в процесі виплавки сталі.

За останні 50 років вдалося встановити взаємозв'язок між зовнішніми властивостями матеріалів і їх внутрішньою будовою. Цьому посприяв великий вибір нових приладів і методів. На зміну оптичним прийшли електронні мікроскопи (2∙ 10^-10м), рентгенівські (λ=10^-10-10^-12м), растрові електронні мікроскопи – просторова структура поверхні.

Розкриття внутрішньої структури дало синтетичні волокна, пластмасу, жароміцні метали, скляні волокна, магніти з рідкоземельних елементів.

Тонка структура - елемент часток у кристалі, електронів в атомі.

Мікроструктура - орієнтація кристалів, їх форма й розміри домішки зерна. Макроструктура - неозброєним оком або лупою - характерний злам, усадочні раковини.

Будь-який матеріал має властивості, під якими розуміються характерні реакції матеріалу на зовнішні впливи. Механічні - модуль пружності, межа міцності. Електричні - провідність і електричний опір. Теоретична міцність кристалів менше експериментальної - дислокації, міцність кристалів змінюється різко, якщо кристалічна структура відхиляється від ідеальної. Періодичність може бути порушена, якщо навмисно створити дефекти, за рахунок дислокації, точкових дефектів.

Термодинаміка вивчає вплив зовнішнього середовища на рівноважний стан матеріалу. Закони термодинаміки встановлюють зв'язок між енергією системи й параметрами стану зовнішнього середовища. За остінні десятиліття завдяки розвитку матеріалознавства було створено штучний алмаз. В Києві існує науково-дослідний інститут «Матеріалознавства», в якому було створено нітріт бора, який за твердістю переважає амаз.

Алмаз - самий міцний абразив у світі. Він може обробляти будь-які метали. Хоча алмаз - це звичайний вуглець, якого багато в природі. У кристал алмаза він перетворюється при високому тиску й температурі 2000* С. Такі умови, хоча й рідко, але зустрічаються в земній корі, особливо в південній Африці і Якутії. Бриднмен який і не займався алмазами винайшов пристрій для одержання високого тиску, за що був нагороджений Нобилівскою премією. Залишалося тільки навчитися нагрівати вуглець. Першими одержали штучний алмаз у Швеції, але не зафіксували відкриття. А через кілька місяців американська фірма «Дженіфер електрик» одержала перший патент на синтез алмазів. У Києві перший алмаз був отриманий в 1961 році. Нітрид бора - сполука бора й азоту. Це аналог вуглецю, що при високих тисках набуває алмазоподібної структури й навіть має переваги перед алмазом в обробці деяких металів. Один з різновидів цього матеріалу - гексанат, що володіє дуже високою ударною міцністю, зробили в Києві в інституті проблем матеріало- знавства.

Обробка матеріалів - при якій вони проходять нерівноважний стан і в готових виробах залишаються в «нестабільному стані». Загартування сталі затримує рівноважну реакцію між атомами заліза й вуглецю й «заморожує» матеріал у такому стані.

Різні режими термічної обробки дозволили одержати різноманітні структурні конфігурації , такі як мартенсит, що відрізняється високою міцністю й твердістю. За великого розмаїття властивостей сталі, які можна одержати, використовуючи різні режими теплової обробки, цей метал знаходить широке застосування. Інші матеріали: скло, кераміку, пластмасу теж можна видозмінювати, використовуючи спеціальні методи обробки.

Лекція №2