Методы исследования строения, структуры и свойств металлов

Современные металлы и сплавы, различаясь по составу и строению, обладают разнообразными свойствами. Чтобы получить полную информацию о свойствах металлов, сплавов и качестве их слитков, используют не один какой-то метод анализа, а их совокупность, которые по своим данным дополняют друг друга.

Изучение свойств металлов начинается с определения химической чистоты. Ее исследуют количественным анализом. Когда не требуется большой точности, применяют спектральные методы. Более точные сведения получают из рентгеноструктурного анализа.

Методы анализа подразделяются на макро- и микроструктурные.

Макроструктурные методы заключаются в изучении строения и структуры металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы. Анализ осуществляют чаще всего на макрошлифах, получающихся из крупных заготовок путем вырезания темплетов, поверхность которых шлифуют и травят специальными реактивами. Макроструктурные методы позволяют наблюдать одновременно большую поверхность образца или детали. С помощью макроанализа устанавливают вид изломов (вязкость, хрупкость), величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла, характер предшествующей его обработки и др. Кроме того, он дает возможность обнаружить газовые пузыри, усадочные пустоты, трещины, химическую неоднородность сплава, вызванную кристаллизацией или созданную термической, а также химико-термической (цементация, азотирование) обработкой.

Методами микроструктурного анализа исследуют поверхностное строение металлов с использованием оптических микроскопов при относительно больших увеличениях – обычно от 50 до 2000 раз. При таком увеличении можно обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм. Изучение микроструктуры выполняют на специально приготовленных микрошлифах. Они должны обладать зеркальной поверхностью. Микрошлифы представляют собой небольшие образцы, вырезанные из детали в определенном направлении. Исследуемую поверхность микрошлифа шлифуют, полируют и травят. После полирования на таком образце видны микротрещины и неметаллические включения (графит, оксиды, сульфиды и т. д.). В результате травления микрошлифов можно выявить форму и размеры отдельных зерен кристаллов металла. Микроанализ позволяет установить величину, форму и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие, изменение внутреннего строения металлов и сплавов в зависимости от условий их получения и обработки.

При необходимости рассмотрения деталей за пределами разрешающей способности оптических металломикроскопов применяют электронные, в которых изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Различают прямые и косвенные методы исследования структуры. Косвенные методы основаны на специальной технике приготовления тонких слепков – пленок (реплик), отображающих рельеф травленого шлифа. Ими можно исследовать детали с минимальным размером 2 – 5 нм (20 – 50 Å). Прямые методы позволяют изучать образцы в виде фольги толщиной до 300 нм (3000 Å) на просвет с помощью электронных микроскопов высокого разрешения, а именно 0,3 - 0,5 нм (3 - 5 Å). Данный способ дает возможность наблюдать даже различные несовершенства кристаллического строения: дислокации, дефекты упаковки, скопления вакансий и др.

Методом фрактографии определяют характер разрушений (хрупкое, пластичное, внутризеренное и межзеренное) и относительную скорость процесса, а также изменение данных параметров по мере развития трещины, вследствие которой произошло разделение тела.

При изучении изломов можно выявить зоны, в которых наиболее неблагоприятно сочетаются условия нагрузки, что нельзя выявить другими способами, а также получить сведения о том, как протекал процесс разрушения.

К другим методам анализа относятся: термический, дилатометрический, электрический, магнитный и внутреннего трения. Данные методы позволяют исследовать определенные свойства металлов и материалов на их основе.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны?

2. Чем отличаются истинные напряжения от условных?

3. Что происходит в металле при упругой деформации?

4. Как протекает пластическая деформация? Какие стадии можно отметить в процессе деформации металла?

5. Чем отличается упругая деформация от пластической?

6. Как изменяется структура металла в процессе пластической деформации?

7. Чем объяснить упрочнение металла (наклеп) в процессе деформации?

8. Что предопределяет сверхпластичность металлов и сплавов?

9. Что такое предел выносливости и как его определяют?

10. Как меняется предел выносливости при переходе от гладких образцов к образцам с надрезом?

11. Что такое вязкость, ударная вязкость КС и хрупкость металла? Какие образцы применяют для испытания на удар?

12. Что такое прочность, пластичность и упругость материалов (металлов)? Какими параметрами они описываются?

13. Какие состояния металла характеризуют такие свойства, как хрупкость и жесткость? Чем определяется жесткость металла?

14. Что такое твердость материала (металла)? Какие численные значения имеет данный параметр у некоторых широко известных металлических материалов?

15. Какие Вы знаете методы определения твердости и когда их применяют?

16. Как связано число твердости НВ с временным сопротивлением s_в?

17. Какими методами определяют порог хладноломкости и как знание температурного запаса вязкости можно использовать на практике?

18. Перечислите известные методы исследования структуры и свойств металлов. Кратко охарактеризуйте каждый из них.

19. Почему испытания на растяжение по сравнению с другими видами контроля применяют наиболее широко?

20. Что больше - KCU, KCV или КСТ одного и того же материала? Почему?

21. В каком случае будет меньше разность между KCV и КСТ — у пластичного или у хрупкого материала?

22. В каких случаях применяют испытания на статический изгиб?

23. Что такое текстура деформации и как она влияет на свойства металла?

1.7. Влияние температуры на структуру и свойства металлов