Анализ макро- и микроструктуры металлов

Анализ  макро-  и  микроструктуры  металлов. 

Из 104 элементов  периодической системы Д. И. Менделеева 82 элемента являются металлами. Все металлы являются кристаллическими телами, в которых атомы расположены закономерно и периодически. 

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого количества мелких различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Вследствие условий кристаллизации, кристаллы имеют неправильную форму и называются кристаллами или зернами металла. 

Металлы в твердом  состоянии и отчасти в жидком обладают высокой тепло - и электропроводностью, а также положительным температурным коэффициентом электросопротивления. Большое количество металлов обладает сверхпроводимостью, термоэлектронной эмиссией, хорошей отражательной способностью. Наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легко подвижных электронов проводимости. Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Атом в стационарном состоянии нейтрален. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра и соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе элементов.  

Атомы металлов содержат на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов. Связь электрона с атомом определяется работой выхода электрона, то есть работой, необходимой для удаления из изолированного атома внешнего электрона.  

Устойчивость  металла, представляющего собой ион – электронную решетку, определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами. Такое взаимодействие имеет название металлической связи. Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами, которые не имеют резко выраженного направленного характера. Атомы (ионы) стремятся расположиться на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной. 

Под структурой понимают строение металла. Структуру  металла делят на макроструктуру и микроструктуру. Макроструктура –  это строение металла, видимое невооруженным глазом или при не большом увеличении. Макроструктуру можно исследовать по методике излома и на специальных макрошлифах. Изучение излома – это методика для определения переднего фронта вязкой трещины. В отличие от аморфного тела, кристаллическое тело имеет зернистый излом. По излому определяют о размере зерна, особенностям выплавки и литья (температура литья, скорость и равномерность охлаждения), термической обработки, а, следовательно, свойствах металла. Крупнозернистый излом отвечает более низким механическим свойствам, чем мелкозернистый. Вид излома используют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению, для определения трещин. При изучении макроструктуры на специальных макрошлифах образцы вырезают из крупных заготовок или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами. Действие реактивов основано на их способности окрашивать и растворять различные составляющие сплавов, также выявлять микро пустоты, трещины по измерениям мезогеометрии излома. 

При исследовании макрошлифа можно определить расположение зерен в литом металле; дефекты, нарушающие сплошность металла, а это усадочная рыхлость газовые пузыри, трещины. 

Микроструктура  показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами. Микроструктуру металлов наблюдают в оптическом металлографическом микроскопе, в котором изучаемый объект рассматривается в отраженном свете. В настоящее время применяется прямой метод исследования трещин на просвет. В этом случае исследуют трещины, их образцы, приготовленные из массивных образцов и прозрачных для электронов. Для изучения металлов применяют электронный микроскоп. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дает возможность различать детали очень малых размеров.  

Выявление микроструктуры при травлении основано на том, что  различные фазы протравливаются, не одинаково и поэтому окрашиваются по-разному.  

Электронный микроскоп, дающий на один – два порядка  большее разрешение, чем оптический позволяет изучить тонкую структуру металла. Один из методов электронной микроскопии - это наблюдение дефектов кристаллической структуры. Различают косвенные и прямые методы исследования структуры. Косвенные методы основаны на специальной технике приготовления тонких слепков – пленок (реплик), отображающих рельеф травленого шлифа. Исследуя полученную реплику, можно наблюдать детали структуры, минимальный размер которых равен 2 -5 нм. 

Прямые методы позволяют исследовать тонкие металлические  фольги толщиной до 300 нм. Этот метод  дает возможность наблюдать различные несовершенства кристаллического строения: дислокации, дефекты скопления. 

А в электронном микроскопе изучается не сам металл, а лаковый или кварцевый слепок, полученный с поверхности протравленного шлифа и воспроизводящий детали его рельефа. Электронная микрофрактография изучает с помощью электронного микроскопа вязкие трещины, изломы в стали. 

Микроанализ позволяет  установить величину, форму и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные  составляющие изменения внутреннего  строения металлов. 

Металл  испытывающий в работе многократные переменные нагрузки разрушается. Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называют усталостью металла, а его свойства сопротивляться разрушению от усталости называют пределом выносливости. В результате усталостного разрушения возникает характерный излом, состоящий из двух зон. Первая зона имеет гладкую притертую поверхность, ее называют зоной усталости, ее образование происходит постепенно. На наиболее слабом участке образуется трещина. Вторая зона у хрупких металлов имеет грубо кристаллическое, а у вязких волокнистое строение. Вязкая трещина возникает на поверхности в первой зоне. В этой зоне сосредоточены максимальные напряжения и разрушения происходят по поверхности действия наибольших растягивающих напряжений. Исследования показали, что если металл выдерживает определенное число циклов без разрушения, то он выдержит такое же напряжение и при значительно большем числе нагрузок. Предел выносливости определяют на вращающемся образце, с приложением изгибающей нагрузки. Испытывают не менее шести образцов. 

Многие детали современных машин работают в  условиях высоких температур. Повышение температуры влияет на механические свойства, понижает модуль упругости, пределы прочности. Механические свойства при высоких температурах зависят от скорости приложения нагрузки. При высоких температурах и постоянно действующей нагрузки наблюдается нарастание пластической деформации при напряжениях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию. 

Пластическая  или достаточная деформация –  это деформация, которая остается после прекращения действия сил  вызвавших ее. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием напряжений происходит необратимое перемещение атомов. После снятия напряжений в теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров образца, причем сплошность тела или образца не нарушается. При небольшой величине напряжений атомы смещаются незначительно, после снятия напряжений они возвращаются в исходное положение. При увеличении напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, то есть происходит пластическая деформация. В результате развития пластической деформации может произойти разрушение путем сдвига.  

В кристаллической  решетке сдвиг происходит по плоскостям. Наиболее легкий сдвиг по определенным плоскостям и направлениям объясняется  тем, что при этом величина перемещения атомов из одного устойчивого равновесного положения в узле решетки в другое такое же положение будет минимальной. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла. По современным представлениям пластическая деформация происходит под действием напряжений в результате перемещения дислокации.  

Разрушение металла  при высоких температурах – это  деформация и разрушение по границам зерен. Этот метод объясняет, что по границам зерен, содержащих большое количество дефектов (вакансий, дислокаций, трещин), легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжение отсутствует, диффузионные перемещения пограничных атомов не имеют направленного характера. При наличии даже небольших напряжений передвижение атомов на границах зерен способствует ползучести металла и приводит к остаточной деформации вследствие перемещения одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела. В результате испытаний определяется наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенное время не превышает заданной величины. Один из методов для устранения трещин – специальные установки, в которых образец помещается в электропечь и при постоянной температуре подвергается длительному действию постоянно растягивающей силы. В процессе испытания фиксируется деформация образца.  

К основным дефектам, которые могут возникнуть при  закалке стали относятся трещины  – внутренние или наружные, деформации. Трещины возникают при закалке  в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжение, возникающие  в результате мартенситного превращения, превышают сопротивление разрушения. Трещины образуются при низких температурах. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода, повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения. 

Другой причиной образования трещин является наличие  в изделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местная вырезка, углубления). 

Трещины – неисправимый дефект. Для предупреждения их образования существует методика. При конструировании изделий надо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким. Закалка деталей должна производиться с более низких температур для деталей, прокаливающихся полностью; а медленное охлаждение в мартенситном интервале температур достигается ступенчатой закалкой. Должна производиться изотермическая закалка сразу же после закалки деталей.  

При достаточно высоких напряжениях процесс  деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий: зарождение трещины и ее распространение через все сечения образца (изделия). 

Возникновение микротрещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы зерен, всевозможные включения), что приводит к концентрациям напряжений достаточных для образования микротрещины. 

В результате взаимодействия дислокаций кристаллической решетки возможно образование трещины. Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение, вязкая трещина происходит со значительной пластической деформацией. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика, близка к скорости звука. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины. 

По виду микроструктуры, разрушения встречаются транскристаллитные и интеркристаллитные. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерна. При распространении трещины по телу зерна происходит вязкое разрушение. По внешнему виду излома можно судить о характере разрушения. Волокнистый излом свидетельствует о вязком разрушении. Вязкое разрушение характеризуется «чашечным» разрушением вязкой трещины.  

Хрупкое разрушение происходит при напряжениях, лежащих  в упругой области, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются микротрещины или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной вязкой трещиной разрушения, а не ее зарождением. 

Динамические  испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентратором напряжения посередине одним ударом маятникового копра. По шкале копра определяют полную работу, затраченную при ударе. 

Под ударной  вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора напряжения. Ударная вязкость является интегральной характеристикой, содержащей работу зарождения трещины и работу распространения вязкой трещины. Склонность к разрушению трещины в первую очередь определяется работой распространения трещины. Чем больше работа распространения вязкой трещины, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. В настоящее время существует ряд методов раздельного определения работы зарождения трещины и работы распространения вязкой трещины. 

Многие металлы, имеющие кристаллические решетки  в зависимости от температуры  могут разрушаться вязко. Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости. 

Температура перехода металла от вязкого разрушения к  хрупкому получила название критической температуры хрупкости (порог хладноломкости). Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости. 

Запас вязкости – это интервал температур между  порогом хладноломкости и рабочей  температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения.  

Порог хладноломкости определяют при испытании ударным  изгибом надрезанных образцов для разных температур и строят кривую в зависимости ударной вязкости от температуры испытания. Хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно различить по виду излома. Порог хладноломкости определяют по проценту волокна матовой, волокнистой составляющей в изломе. За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50% волокна. Порог хладноломкости не является постоянной материала, а зависит от его структуры, условий испытания наличия концентраторов напряжения. Чем выше прочность номинального напряжения, тем выше порог хладноломкости.