II.Теоретическое обоснование

Изучение связи между строением (структурой) и свойствами материалов является основной задачей материаловедения. Понятие структуры включает в себя тип и относительное количество фаз, присутствующих в материале, форму, размеры и взаимное расположение кристаллов этих фаз, а также различные металлургические дефекты изделий (заготовок, образцов).

Некоторые из указанных характеристик структуры материалов можно изучать невооруженным глазом, другие - лишь с помощью микроскопа, соответственно, различают методы макроскопического и микроскопического анализа (макро- и микроанализа).

Основы макроанализа

Макроанализ - это анализ макроструктуры материалов, изучаемой невооруженным глазом или с помощью лупы (увеличение до 30 раз). Понятно, что такой метод исследования дает ограниченную информацию о структуре материала, однако, в силу его доступности и возможности одновременного изучения большой площади изделия, он широко применяется в заводской практике для контроля качества литых, кованых, сварных и термически обработанных заготовок и изделий.

Различают три способа изучения макроструктуры:

1 - осмотр контролируемой поверхности готового изделия (заготовки), это -неразрушающий метод контроля;

2 - изучение изломов контрольных образцов или разрушенных деталей;

3 - анализ структуры специально приготовленных образцов - макрошлифов.

С помощью первого вида макроанализа выявляются дефекты, расположенные на поверхности изделий: это трещины различной природы (литейные, деформационные, закалочные и др.), несплошности (усадочные пустоты, газовые раковины в литом металле), неметаллические включения (шлаковые, фрагменты литейной формы). Часто даже такой простой способ контроля позволяет сделать заключение о возможности дальнейшего использования изделия.

Более детальные сведения о материале дает изучение изломов - поверхностей разрушения образцов или изделий.

Различают два основных вида изломов: вязкий (волокнистый) и хрупкий (кристаллический).

Вязкий излом характеризуется матово-серым оттенком, обычно имеет неровную форму (выступы, впадины). Все эти признаки - следствие значительной пластической деформации, предшествовавшей разрушению металла.

В хрупком металле при разрушении отсутствует заметная пластическая деформация, оно происходит по границам зерен или плоскостям легкого скола внутри зерен. При этом поверхности разрушения остаются практически неповрежденными и хорошо отражают падающий свет. Поэтому хрупкий излом имеет зернистый рельеф, состоящий из множества блестящих граней (фасеток). Форма излома относительно ровная, без следов макроскопической деформации.

На практике часто наблюдаются смешанные изломы различного вида.

Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как возникает внезапно (без предварительной пластической деформации, сигнализирующей о начале нежелательного процесса) и распространяется с большой скоростью. Поэтому причины появления хрупкого излома должны быть тщательно проанализированы. При этом надо иметь в виду, что помимо низкой пластичности материала, выбранного для данного применения, хрупкому разрушению способствуют также низкие температуры эксплуатации, динамические (ударные) нагрузки и конструктивные погрешности - наличие в нагруженных местах изделия выточек, галтелей, отверстий, играющих роль концентраторов напряжений.

Возможной причиной хрупкого разрушения может быть также нарушение режима термической обработки или его неправильный выбор. Так, при завышенной температуре нагрева стали под закалку (“перегреве”) значительно укрупняется зерно, падает ударная вязкость. В этом случае хрупкий крупнозернистый излом имеет характерное “нафталинистое” или “камневидное” строение.

Вид излома позволяет определить прокаливаемость стали - способность ее закаливаться на определенную глубину. В закаленном (поверхностном) слое излом имеет очень мелкое зерно, он матовый, в незакаленной сердцевине строение излома более грубое - крупнозернистое или вязкое. По этой же причине изучение излома может быть использовано для контроля режима технологического процесса поверхностной закалки или химико-термической обработки - определения глубины упрочненного слоя. Закаленный и цементованный слои - мелкозернистые, заметно отличаются по виду от сердцевины.

Наиболее трудоемким, но и самым информативным методом макроанализа является изучение структуры и дефектов изделий с помощью макрошлифов. Заготовки для таких шлифов вырезают из изделия в определенном направлении, тщательно шлифуют и подвергают травлению. Реактив (травитель) наиболее активно реагирует с границами зерен, трещинами, порами, неметаллическими включениями. В результате на поверхности макрошлифа создается рельеф, выявляющий строение и дефекты металла.

Анализ макрошлифов дает информацию о строении литого и деформированного металла и, соответственно, позволяет установить технологию изготовления изделий.

В зависимости от условий охлаждения жидкого металла в различных частях изложницы кристаллы приобретают определенные размеры и форму. Обычно различают корковую зону (1), зоны столбчатых (2) и равноосных (3) кристаллов (рис. 1.1).

Вблизи стенок изложницы наибольшая скорость охлаждения расплава, соответственно, максимальная степень его переохлаждения и - наиболее мелкое зерно. После образования корковой зоны кристаллы преимущественно растут в направлении наилучшего теплоотвода, т.е. перпендикулярно стенкам формы - так возникает зона столбчатых кристаллов. В последнюю очередь затвердевает центр слитка, когда степень переохлаждения расплава в нем достигает необходимого уровня. Здесь рост кристаллов происходит без преиму
щественного направления - образуется зона равноосных кристаллов.

Макроанализ шлифов позволяет установить также дефекты литого металла - усадочную раковину (4, рис. 1.1), пористость, межкристаллитные трещины и различные виды ликвации - неоднородности металла по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям. Большинство дефектов литого металла сохраняется (видоизменяясь) в деформированном (кованом, катаном) металле.

Наличие этих дефектов существенно влияет на механические свойства изделий, поэтому для оценки характерных видов дефектов стального проката существуют стандартные шкалы (ГОСТ 10243-75).

При горячей обработке металлов давлением (ковке, прокатке, штамповке) кристаллы деформируются, вытягиваются вдоль направления деформации. В этом же направлении располагаются и неметаллические включения. Все это создает в деформированном металле слоистую, волокнистую структуру, отчетливо выявляемую на макрошлифах.

Свойства такого металла становятся анизотропными. Прочность, пластичность и ударная вязкость выше в образцах, вырезанных вдоль волокон.

Это необходимо учитывать при изготовлении ответственных деталей - для получения наилучших эксплуатационных свойств волокна не должны перерезаться контурами детали. Поэтому предпочтительными являются способы обработки металлов давлением (по сравнению с резанием).

Основы микроанализа

Микроанализ - исследование структуры материалов с помощью микроскопов. Большие увеличения позволяют определять в этом случае размеры, форму, взаимное расположение и количество кристаллов различных фаз, т.е. микроструктуру материала.

Наибольшее распространение имеют оптические микроскопы. Их полезное максимальное увеличение достигает примерно 1500 раз, а разрешающая способность (наименьшее расстояние между двумя точками, при котором они видны раздельно) 0,2 мкм (200 нм).

Поскольку металлы в видимом свете непрозрачны, для исследования их структуры в металлографическом оптическом микроскопе используется метод отражения падающего светового потока от специально подготовленной поверхности образца.

Образцы для таких исследований (микрошлифы) после тщательной полировки подвергаются травлению - воздействию специальными химическими реактивами. Травитель с разной интенсивностью реагирует с “телом” зерен и их границами, с различными фазами, структурными составляющими. В результате на полированной поверхности образца возникает микрорельеф, приводящий к избирательному отражению падающего светового потока и, соответственно, к формированию изображения микроструктуры изучаемого объекта (см.рис. 1.2).

Принцип работы на оптических микроскопах различных конструкций одинаков, поскольку для получения четкого изображения структуры необходимо совместить поверхность микрошлифа с фокальной плоскостью объектива Расстояние между ними регулируется последовательно сначала макровинтом грубой настройки, а затем, когда изображение в окуляре обнаружено, окончательная фокусировка - микрометрическим винтом.

В последующих работах оптический микроскоп будет широко применяться для анализа структуры сплавов в различных состояниях. В этой работе в качестве примера рассмотрим метод определения размера зерна в металле.

Размер зерна является важным параметром структуры, так как от него в значительной мере зависят механические свойства металла. Так, при прочих равных условиях мелкозернистый металл обладает большей прочностью, твердостью и ударной вязкостью, чем крупнозернистый.

Существуют различные способы определения величины зерна - для сталей они регламентированы ГОСТ 5639-82.

Наиболее простой – экспресс-метод визуального сравнения изображения с эталонными шкалами. На эталонных шкалах приведена микроструктура с различной величиной зерна, оцениваемой номером от ‑3 до +14. Основной диапазон микроструктур - с номером зерна от 1 до 10 (больший номер соответствует меньшему зерну) при увеличении ´100.

Специально подготовленные для выявления зерна образцы изучают при 100‑кратном увеличении и сравнивают с эталонными шкалами. Отыскав аналог, определяют номер зерна. Если последний выходит за пределы 1...10 номеров, используют другие увеличения и данные табл. 1.1. Зная номер зерна (N), можно оценить количество зерен (n) на площади в 1 мм² по формуле n = 2 ^{N +3}, а также - среднюю площадь S =1/ n и средний диаметр зерна.