Структурные методы исследования.

Материаловедение, как научная дисциплина, числено оперирует показателями свойств
материала (временное сопротивление разрушению, прочность на сжатие, твердость и т.п.)
Кроме того, материаловедение обобщает в себе данные о технических и технологических
испытаниях материалов. Показатели свойств, химический состав в материаловедении
связываются с особенностями строения материала. Различают макростроение, микростроение
и субмикростроение материалов. Первая структура выявляется визуально, вторая - при
увеличении, достигаемым оптическими системами, третья - с помощью рентгеновских и
электронных лучей. Знания о морфологии структуры позволяет оптимизировать

технологические процессы получения материала, дать объективное представление о рациональности его использования для изделия. К структурным методам исследования принадлежат:

Макроанализ: - изучение структуры материалов визуально или с помощью простейших оптических приборов с увеличением до 50 крат. Наиболее доступным при этом является изучение изломов (Смотри лаб.раб. №1). Для металлов и сплавов мелкокристаллический излом соответствует лучшему качеству - более высоким механическим свойствам. На изломах, например, в сталях легко наблюдаются дефекты: крупное зерно, шиферность. грубая волокнистость, трещины, раковины, флокены и т.п., и в ряде случаев глубина проведенной поверхностной обработки изделия. Методика исследования закрепляется ГОСТ, там же приведены фотоэталоны изломов и макродефектов.

Другим способом макроисследования является изучение строения металлических материалов на специальных темплетах (образцах). После травления специальными растворами шлифованной поверхности темплета на ней выявляется кристаллическая структура, волокнистость, дендритное строение, неоднородность металла. Например, травление поперечного среза сварного шва дает возможность выявить места непровара, пузыри, зону термического влияния, трещины и т.п..

Микроскопический анализ: производится с помощью оптических микроскопов (полезное увеличение до 950 крат), электронных микроскопов (увеличение до мл. раз), электронных проекторов (увеличение - несколько мл. раз). Исследование производится на зеркальной поверхности шлифа (после соответствующей полировки) или слепка с нее - на электронном микроскопе. Шлифы исследуют до и после травления. Травление металлической поверхности растворами кислот выявляет рельеф границ кристаллов, контуры отдельных элементов структуры. Данные исследований - размер и форма зерен получают количественную и качественную оценку. В настоящее время металлографические комплексы снабжаются компьютерными системами для обработки и хранения информации.

Физические методы исследования структуры: Среди них особое место занимают методы радиографии и рентгеновского анализа. Путем просвечивания осуществляется дефектоскопия и контроль ориентации арматуры в композитах. Параметры кристаллических решеток определяются с помощью рентгеновского структурного анализа, основой которого служит соотношение Вульфа-Брегга:

2 * d * s in Ψ = η ∗ λ, (1)

d -межплосткостное расстояние (параметр решетки),

Ψ - угол падения луча на кристаллографическую плоскость,

η - простое число (1, 2, 3, 4.......),

λ - длина волны рентгеновских лучей.

Рентгеновский анализ т.ж. определяет качественный и количественный состав сплавов, физическую плотность кристаллов, особенности субструктуры, плотность линейных дефектов в

реальном кристалле, позволяет проследить полиморфные превращения в сталях и сплавах и обнаружить глубокие физико-химические процессы в металлах.

Типы кристаллических решеток, особенности строения реальных

Металлических материалов.

В большинстве случаев техника использует кристаллические материалы. Субструктура материала - кристаллическое строение наряду с химическим составом определяет все свойства. В реальных металлах кристаллы выпадают из расплавов при охлаждении и создаются физико-химическими процессами при нагреве твердого тела.

Атомы в кристаллах расположены закономерно в узлах кристаллической решетки или в местах
пересечения кристаллических плоскостей. Все пространство кристалла можно разбить на
элементарные ячейки. Повторяя в пространстве элементарную ячейку, можно описать весь
кристалл. Простейшей кристаллической ячейкой является куб, по вершинам которого
располагаются атомы. Основные типы кристаллических решеток металлов:

объемоцентрированная кубическая (О.Ц.К.); гранецентрированная кубическая (Г.Ц.К.).; гексоганальная плотноупакованная (Г.П.У.) рис.1.

Кристаллические решетки характеризуются параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, базисом или количеством атомов, приходящимся на одну ячейку, энергией решетки, плотностью упаковки атомов и др..

1.1 1.2 1.3

Рисунок 1. Типы кристаллических решеток. (1.1 - объемоцентрированная кубическая ОЦК;

1.2 - гранецентрированная кубическая плотноупакованная ГЦК; 1.3 - гексоганальная
плотноупакованная решетка ГПУ).

Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних атомов.

Координационное число - количество атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от

любого атома в решетке. Атомный радиус (половина атомного диаметра) - половина

межатомного расстояния между центрами ближайших атомов.

Металлы имеют плотную упаковку атомов, т.е. высокие координационные числа и большое

количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных направлениях, многие свойства

кристалла анизотропны. Металлы и другие элементы и вещества имеют полиморфные

превращения. Кристаллическая структура изменяется в зависимости от температуры. Например, кристаллическая решетка железа в интервале температур от 0 до 910 град С - ОЦК (Fe -а); от 910 до 1400 град С - ГЦК (Fe-y); от 1400 до 1539 град С (плавление) - ОЦК (Fe-a или Fe-5).

Реальные металлы являются поликристаллическими веществами. Размеры зерен (кристаллов) колеблются в широких пределах от долей микрона до нескольких миллиметров. В приведенных выше примерах рассматривались идеальные кристаллические решетки. Особенностью строения реальных металлических материалов является наличие искажений и дефектов кристаллического строения, вызванное действием температурных, электромагнитных и иных полей, а т.ж. механическими напряжениями. Наибольшее число дефектов возникает при первичной кристаллизации расплава или при пластической деформации твердого тела. Кристаллические дефекты разделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Источниками дефектов являются прежде всего примеси. Например, если в алюминии содержится 0.001% (10-5) примеси кремния, то в 1 мм. куб. будет 6*10Е14 посторонних атомов. Атомы примесей искажают кристаллические решетки. Примеси могут располагаться в виде отдельных атомов, скоплений по поверхностям или в определенных объемах. Рис 2.1. Другим источником дефектов являются тепловые колебания атомов. Среднее значение амплитуды тепловых колебаний равно 5-10% межатомного расстояния, но энергия тепловых колебаний в решетке распределена неравномерно. Колебания атомов тоже различны. Если на поверхности атом обладает энергией, необходимой для испарения, он может выйти из кристаллической решетки. Образуется дефект, который называется вакансией. Рис 2.2.. Число вакансий в решетке кристалла определяется зависимостью:

-Q/(K*T)

Ni = N* e, (2)

где N - общее число атомов; e = 2.71828; K = R /N; Q энергия активации; T - температура. Например, для кадмия при 300 град. С K*T = 600 Kкал/моль, N=10E22 Cm E-3, Q

= 23000 Kкал/моль, а число вакансий Nl=10 E-4 Cm E-3, а при температуре плавления кадмия число вакансий превышает 1%. Образование дислоцированных атомов (рис. 2.3.) требует большей энергии активации, поэтому количество таких дефектов меньше, преимущественно они возникают при облучении кристаллов.

Атомы кристалла

акансия

 

Рис. 2.1

Рис. 2.3.

Рис. 2.2.

рис.2. Точечные дефекты кристаллических решеток. 2.1. - примесный атом; 2.2. - вакансия (дефект Шоттки); 2.3. - дислоцированный атом (дефект Френкеля).

Вакансии имеют большое значение особенно для протекания диффузии, создают условия для повышения пластичности металла при низких температурах.

Реальные кристаллы разделены на фрагменты и блоки (мозаичная структура). Поверхности кристаллов (границы зерен), границы фрагментов и блоков являются местом скопления всевозможных дефектов и местом их возникновения Рис 3. Основными линейными дефектами являются дислокации. Дислокации бывают линейными (краевыми), представляющие собой край экстра - плоскости (полуплоскости) рис 4.1., рис 4.2.; и винтовыми рис. 4.3..

 

 

/l	Tl
г— / / i	i —	/
	/

Рис. 3. Мозаичная Рис. 4.1. Дислокация Рис. 4.2. и Рис.4.3. Краевая и структура кристалла. на границе блоков. винтовая дислокации.

Дефекты влияют на структурночувствительные свойства. Например, наличие дислокаций изменяет прочность металлов. Теоретический подсчет предела упругости дает величину, превышающую реальную в 1000 раз (10 Е5 и 100 МПа) для чистых металлов и в 100 раз для сталей. Бездефектные кристаллические металлические и керамические материалы в виде волокон и НК (нитевидных кристаллов) применяются как арматура - фаза упрочнитель конструкционных композитов. Рис. 5..

В настоящее время разработана дислокационная теория, объясняющая механизмы пластической деформации и причины разрушения металлов, их упрочнения при обработке давлением и иных технологических способах.

Лекция № 2

Затвердевание металлических материалов. Термические кривые охлаждения при кристаллизации металлов. Применение правила фаз. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование жидкого металла. Материалы аморфного строения и их применение. Полиморфные превращения в металлах. Жидкие кристаллы.