Методи дослідження структури
Чисті метали у звичайному структурному стані мають низьку міцність і у більшості випадків не забезпечують необхідних властивос-
Рис. 1.12. Міжблокова границя, утворена крайовими дислокаціями: а - відстань між сусідніми атомами; d - відстань між дислокаціями; α- кут розорієнтування сусідніх блоків
тей. Тому їх застосовують рідко. (Власне, поняття “чистий метал” умовне. Будь-який чистий метал у більшій чи меншій кількості містить домішки і, по суті, повинен розглядатися як сплав. Під терміном чистий метал розуміють метал, який містить 99,99...99,999 % основного металу. А технічно чистий метал містить 99,5...99,9 % основного металу).
У техніці переважно використовують сплави - речовини, які отримують сплавленням, спіканням, осадженням, двох або більше металів або металів з неметалами. Вони мають характеристики, властиві металевому стану.
Дослідження структури широко використовують не лише в дослідницьких цілях, а й для реальних потреб виробництва - оскільки існує стабільний зв'язок між структурою та властивостями металів. На підставі структурних досліджень і механічних випробовувань можна зробити висновок про придатність обстежуваного матеріалу для тих чи інших умов експлуатації.
Макроскопічний аналіз полягає у дослідженні будови металу неозброєним оком або при невеликих збільшеннях до 30 разів. Будову металу, яку виявляють при цьому, називають макроструктурою. Макроструктуру можна спостерігати на поверхні виробів, на зламах і на шліфах. Макроскопічний аналіз застосовують для виявлення макродефектів: порожнин і тріщин, хімічної та структурної неоднорідності металу, форми та розмірів кристалів у литому металі тощо. Перевагою макроаналізу є можливість швидко обстежити досліджувану поверхню з метою отримати попередні дані про будову металу. Водночас, внаслідок невеликих збільшень, макроаналіз не дає змоги виявити всі особливості будови металу. На підставі даних макроаналізу можна робити висновок про недоцільність застосування технологій, які мають вплив на формування макроструктур, що погіршують механічні властивості металу.
Мікроскопічним аналізом називають дослідження будови металу за допомогою мікроскопа; будова металу, яку вивчають під мікроскопом, є мікроструктурою. Для мікроскопічних досліджень широко використовують оптичні та електронні мікроскопи.
Під час мікроаналізу вивчають тонку будову матеріалу: форму та розміри зерен і фаз у сплаві, їх відносний розподіл, а також виявляють неметалеві вкраплення (оксиди, сульфіди) чи мікродефекти (дислокації, мікропорожнини, мікротріщини). Зокрема, за мікроструктурою знаходять в сплаві частку певного хімічного елемента, наприклад вуглецю у сталі.
а) б) в)
Рис.1.13. Схема виявлення границь зерен (а, в) і різних фаз (б) травленням:
1 - зерно слабопротравленої; 2 - непротравленої; 3 - сильнопротравленої фази
Об'єктом мікроскопічних досліджень є мікрошліф, тобто зразок із шліфованою, полірованою і здебільшого протравленою хімічним реактивом поверхнею. Оскільки реактив неоднаково взаємодіє з різними структурами, то він утворює на відполірованому шліфі характерний мікрорельєф. Зокрема, під час травлення чистих металів або твердих розчинів реактив активніше взаємодіє з границями зерен. При прямому освітленні протравлені границі зерен найбільше розсіюють світло й мають вигляд темних ліній (рис.1.13, а, в). Під час травлення різно-фазового сплаву реактив найслабше реагує з хімічно тривкою фазою 2(рис.1.13, б), менш тривку фазу 1 розчиняє частково і нетривку щодо реактиву фазу 3 розчиняє найбільше. Тому фаза 3, яка найбільше розсіює світло, виглядає в окулярі мікроскопа найтемнішою, а фаза 2 - навпаки, найсвітлішою.
За допомогою оптичного металографічного мікроскопа досліджують структуру при збільшенні від 50 до 2000 разів, тобто з його допомогою можна розрізнити елементи структури розміром до 0,2 мкм (200 нм).
Дуже дрібні частинки структури вивчають завдяки електронному мікроскопу, де зображення створюється за допомогою швидкого потоку електронів. Відомі прямі й непрямі методи дослідження структури в електронних мікроскопах.
Непрямі методи ґрунтуються на просвічуванні потоком електронів дуже тонких зліпків - реплік, які виготовляють за спеціальними методиками і які з великою точністю відтворюють рельєф поверхні травленого шліфа. На репліках можна спостерігати частинки структури розміром до 2...5 нм.
У растрових електронних мікроскопах зображення створює вторинна емісія електронів, що випромінюються поверхнею об'єкта дослідження під дією потоку первинних електронів (прямі методи дослідження).
Фрактографія - дослідження поверхонь руйнування (зламів) візуально або за допомогою оптичного чи електронного мікроскопів для встановлення зв'язку між структурою металу, умовами навантаження, середовищем і механізмами руйнування. Електронний мікроскоп на противагу оптичному забезпечує значну глибину різкості зображення при великих збільшеннях.
Розташування атомів у кристалах і відстані між ними визначають шляхом рентгеноструктурного аналізу з використанням рентгенівських променів. Відомо, що характерною особливістю рентгенівських променів є їх дуже мала довжина. Через те промені, скеровані на кристалічне тіло, не відбиваються поверхнею, а проникають в нього і викликають виникнення розсіяних променів, генерованих збудженими атомами цього тіла. Оскільки атоми в кристалі розташовані регулярно, то розсіяні промені взаємодіють між собою, посилюючи або гасячи один одного. Якщо в напрямку потоку цих променів розмістити фотопластинку, то посилені промені залишать на ній кільцеві плями. Розшифровуючи їх, можна встановити тип кристалічної комірки і її параметр. Рентгенівськими променями визначають також дефекти кристалічної ґратки, її деформацію та орієнтацію зерен.
Тема 2. КРИСТАЛІЗАЦІЯ МЕТАЛІВ