Понятие о методах исследования строения и свойств сплавов

Успешное развитие машиностроения и связанных с ним отраслей промыш­ленности обязано тому, что в процессе производства конструкционных материа­лов и различных изделий из них широко используются различные методы иссле­дования строения и свойств металлических сплавов и других материалов.

Развитие этих методов обусловлено необходимостью получать сведения об эксплуатационной надежности используемых материалов, о причинах поломок и аварий, об остаточном ресурсе вязкостно-прочностных свойств у материала изделия в процессе эксплуатации, а также о путях совершенство­вания строения и свойств конструкционных материалов.

К настоящему времени сложилось много различных методов исследова­ния металлов. Все их можно разделить на теоретические и экспериментальные.

К теоретическим, например, относится анализ соответствующих диа­грамм состояний с целью получения сведений о строении и свойствах инте­ресующих нас сплавов не только в равновесном состоянии, но и после их термообработки. (Заметим, что в диаграммах содержится информация о воз­можности проведения той или иной разновидности термической обработки.)

Большинство методов исследования являются экспериментальными, ос­нованными на анализе результатов наблюдения строения металла или ре­зультатов его испытания, проводимого по какой-то методике.

Связь между строением и свойствами была подмечена давно, поэтому в основу всех методов исследования положено предположение о причинно-следственной зависимости между строением и свойствами.

Исторически первым возник метод макроскопического исследования путем наблюдения исследуемого изделия или вырезанного из него образца-темплета простым глазом или с помощью лупы (с увеличением до 30).

Этим методом при наличии опыта и соответствующих навыков можно определить качество металла по внешнему виду изделия или темплета, оце­нивая состояние его поверхности, наличие явных дефектных мест и других характерных признаков.

Наблюдая отполированные и протравленные по специальной методике темплеты, можно обнаружить в металле различные внутренние дефекты:

поры, раковины, неметаллические включения и особенно включения вред­ных примесей, а также оценить характер строения (волокнистый или зернистый).

Визуально оценивается также качество металла по виду излома специ­ального образца, например разрушенного образца при испытании на удар­ный изгиб, или подобного ему образца, раскрывающего особенности строе^: ния и металлургического качества металла в сечении изделия. Такое иссле­дование называется фрактографическим. При фрактографическом исследовании по виду излома судят о вязкости или хрупкости металла. Матово-волокнистый излом свидетельствует о вязкости, а блестяще-кристаллический — о хрупкости.

В изломе могут оказаться мелкие или крупные расслоения металла (так называемые шиферность и слоистость), свидетельствующие о его плохом металлургическом качестве и низкой прочности.

Важную информацию о строении металла дают наблюдения с помощью оптических и электронных микроскопов специально приготовленных (отпо­лированных и протравленных) шлифов.

Оптические микроскопы дают возможность различать в строении ме­талла структурные элементы размером не менее 0,2 мкм (200 нм). Их полез­ное увеличение составляет до 1500—2000 раз. Существуют две разновидно­сти электронных микроскопов: просвечивающие (ПЭМ) и растровые (РЭМ).

Работа ПЭМ основана на прохождении через фольгу из исследуемого металла потока электронов. В результате неодинакового рассеивания элек­тронов объектом на экране ПЭМ формируется изображение — субмик­роструктура (в отличие от даваемой оптическим микроскопом микрострук­туры). Разрешающая способность ПЭМ — до 0,2—0,5 нм, что позволяет различить очень мелкие подробности в строении металла, в том числе дис­локации и другие элементы дислокационной структуры, например стопоры.

Работа РЭМ основана на вторичной эмиссии электронов поверхностью излома, на которую направляется сканирующий (непрерывно перемещаемый по ней) поток первичных электронов. Разрешающая способность РЭМ не­сколько ниже, чем у ПЭМ, — 25—30 нм. С помощью РЭМ решаются такие же задачи, как и с помощью ПЭМ, и, в частности, изучение тонких особен­ностей строения изломов (микрофрактография).

Особенности атомно-кристашшческого строения изучаются с помощью рентгеноструктурного анализа. Этот вид анализа основан на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов в кристаллической решетке.

Особенности распределения примесей и компонентов в сплавах (в том числе легирующих элементов в зернах стали) позволяет обнаружить решгеноспек-тральный микроанализ (РСМА). РСМА основан на определении химического со­става микрообластей на специально приготовленном микрошлифе. Разрешающая способность — порядка нескольких микрометров. Этим методом можно успеш­но изучать ликвационные процессы в сплавах, особенно дендритную ликвацию.

При физических методах исследования металл подвергается тепловому, электрическому или магнитному воздействию, по результатам которого судят об особенностях его строения и свойств. В основе этих методов лежит давно извест­ное положение о зависимости физических свойств металла от изменений в его строении при различных воздействиях, в том числе механических и термических.

Интересным методом обнаружения структурно-фазовых превращений в сплавах является дилатометрический. Он основан на изменении объема (т. е. размеров) образца при фазовых превращениях (например, дилатометром можно установить начало и конец превращения аустенита в перлит). Эти структуры имеют разные по величине удельные объемы (у перлита он боль­ше), поэтому с началом распада аустенита длина образца увеличивается.

Самыми распространенными и наглядно информативными являются ме­тоды испытания механических свойств (см. гл. 2), включая и безобразцовый метод Марковца—Матюнина. Наконец, наиболее надежные и достоверные результаты дают натурные испытания деталей или готовых изделий при на-гружении в эксплуатационных условиях на специально создаваемых стендах (стендовые испытания).

Контрольные вопросы

1. На чем основывается выбор химического состава сплава при его создании как конструкционного материала?

2. Назовите основные виды взаимодействия между двумя сплавляемыми компо­нентами и перечислите возможные варианты фазового состава у различных двойных сплавов.

3. Объясните суть и практическое значение правила отрезков. Каким образом, пользуясь этим правилом, можно вычислить количество эвтектики и избыточной фазы в сплавах — смесях зерен компонентов? В каких случаях в сплавах обра­зуются такие смеси?

4. Объясните и покажите графически, как и почему изменяются свойства сплавов в зависимости от состава и типа диаграммы состояний.

5. Объясните, почему сложились различные методы исследования строения и свойств материалов. Перечислите эти методы и назовите их сущность.