Методы исследования металлов и сплавов
Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию обо всех свойствах. Используют несколько методов анализа [3, 6, 8].
Для определения химического состава используются методы количественного анализа:
1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ.
Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом.
Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов в металле.
Используются стационарные и переносные стилоскопы.
2. Рентгеноспектральный анализпозволяет получать более точные сведения о химическом составе. Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, а также характеристики диффузионной подвижности атомов.
Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.
Дляизучения структурыметалла используют:
1. Макроструктурный анализ (макроанализ)– изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз) с помощью лупы на специальных макрошлифах (темплетах). Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами). Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованых, штампованных и катаных заготовок, а также причины разрушения деталей.
При этом устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий и другие виды излома); размер, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины, дефекты сварки); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле. Волокнистая структура металла позволяет судить о технологии изготовления детали (сварная, штампованная, полученная обработкой резанием).
2. Микроструктурный анализ (микроанализ) – изучение поверхности с помощью световых микроскопов (оптических). Увеличение 50 – 2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.
Для этого используют образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. При этом можно наблюдать микротрещины и неметаллические включения.
Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по-разному, что позволяет выявить форму, размеры и ориентацию зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.
Кроме световых микроскопов используют электронные микроскопы (просвечивающие, растровые) с большой разрешающей способностью. Изображение формируется с помощью потока быстро летящих электронов. Электронные лучи с длиной волны (0,04 – 0,12) 10 −8 см дают возможность различать детали объекта по их размерам, соответствующим межатомным расстояниям. При использовании просвечивающих микроскопов поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте.
Различают косвенные и прямыеметоды исследования.
При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающий рельеф микрошлифа для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину.
При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.
В растровых микроскопах изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже (25 – 30 нм), чем у просвечивающих микроскопов.
3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.
К физическим методам исследования можно отнести:
1. Термический анализ, основанный на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Метод позволяет определить критические точки.
2. Дилатометрический метод.При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров необратимы. Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.
3. Магнитный анализ.Используется для исследования процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), и при этом возможна количественная оценка этих процессов.
Свойства материалов и методы их определения
Источник
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Внутреннее строение, или структуру, металлов и их дефекты изучают с помощью макроструктурного, микроструктурного, магнитного, люминесцентного, ультразвукового, рентгеновского и γ-дефектоскопического методов анализа. Макроструктура — это строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Макроструктурный анализ используют для выявления формы и расположения зерен в литом металле, направления волокон в поковках и штамповках, местонахождения, размеров и форм нарушения сплошности, дефектов сварки, оценки толщины поверхностного слоя в изделиях, подвергнутых специальной поверхностной обработке, и др. Его осуществляют просмотром отшлифованной, отполированной и протравленной поверхности металлического изделия или макрошлифа (вырезанного из заготовки или металлоизделия темплета), поверхность которого шлифуют и протравливают.
Микроструктурный анализ — это исследование структуры металлов и сплавов с помощью микроскопов с увеличением от 1500 до 100000. Его осуществляют посредством изучения микрошлифов — вырезанных из металлоизделия или заготовки образцов, поверхность которых шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами. При использовании электронных микроскопов рассматривают тонкий прозрачный слепок с микрошлифа — фольгу, или реплику. В последнее время для исследования структуры и свойств металлов широко применяются методы фрактографии, позволяющие исследовать строение изломов, т. е. поверхностей, образующихся в результате разрушения металлоизделий или заготовок. Изломы изучают посредством макро- и микроструктурного анализа. Магнитный метод (магнитная дефектоскопия) применяется для выявления трещин, волосовин, раковин и других дефектов, находящихся на поверхности (или близко около нее) изделий из ферромагнитных материалов. Сущность метода заключается в намагничивании изделия. Затем на поверхность наносится магнитный порошок окиси железа или его суспензия в керосине. Частицы порошка под действием магнитного потока, рассеивающегося в месте расположения дефекта, ориентируются по силовым линиям. В результате отчетливо выделяются даже самые мелкие дефекты. Люминесцентный метод (люминесцентная дефектоскопия) используется для выявления поверхностных дефектов изделий (микротрещин). Он основывается на свойстве некоторых органических веществ светиться под действием ультрафиолетовых лучей. Сущность метода заключается в нанесении на поверхность изделия специального флуоресцирующего раствора и ее освещении ультрафиолетовым светом. Проникающий в микротрещины раствор под действием лучей светится, тем самым позволяя их выявить. С помощью ультразвукового метода (ультразвуковая дефектоскопия) выявляют дефекты, расположенные глубоко в толще металла. Для этого используются ультразвуковые дефектоскопы, с помощью которых через толщу металла пропускают пучок ультразвуковых волн и контролируют их прохождение. Любая несплошность металла нарушает нормальное распространение волн, что можно увидеть на экране имеющегося в приборе осциллографа. Рентгеновский метод (рентгеновская дефектоскопия) применяется для контроля литых, кованых и штампованных деталей, а также сварных соединений. Он заключается в просвечивании деталей рентгеновским излучением и фиксировании выходящего излучения на специальной светочувствительной пленке. При этом темные места на пленке свидетельствуют о наличии дефектов в исследуемых деталях. Разновидностью рентгеновского метода является γ-дефектоскопия.
Макроанализ.Этим методомопределяется макроструктура, т.е. структура металла или сплава, видимая невооруженным глазом или при небольших увеличениях, не превышающих 10-кратных.
При исследовании макроструктуры можно выявить:
а) дефекты слитка: трещины значительной величины, величину и форму усадочных раковин и рыхлостей – газовые пузыри, неметаллические включения;
б) неравномерное распределение отдельных примесей, входящих в состав стали (ликвация);
в) расположение волокна в поковках, прокате и т.д.
Макрошлифы изготовляют следующим образом. Из исследуемого металла или сплава вырезают образец, отшлифовывают одну из поверхностей, а затем травят эту поверхность реактивами (серной, соляной и другими кислотами). Поверхность травленого шлифа рассматривают при небольшом увеличении. Для определения химической неоднородности, т.е. неравномерного распределения в металле серы и фосфора, бромосеребряную фотобумагу смачивают 5-процнетным раствором серной кислоты, просушивают до удаления остатков кислоты и плотно прижимают к отшлифованной поверхности. Места, богатые серой, дадут на бумаге более темные отпечатки.
Микроанализ. Микроанализвыявляет структуру металла или сплава, видимую при большом увеличении – до 3500 раз, а в электронные микроскопы в десятки тысяч раз. Эта структура называется микроструктурой (Рис.12.).
При исследовании микроструктуры можно выявить:
а) наличие неметаллических включений;
б) величину, форму и расположение зерен;
в) отдельные структурные составляющие сплава;
г) различные микродефекты (волосовины, трещины, раковины);
д) качество термической обработки, глубину закалки, цементации, азотирования и др.
для изучения микроструктуры применяют микрошлифы, изготовленные тонким шлифованием и полированием. После полирования шлифы травят. Для травления чугуна и стали, служит 4-процентный раствор азотной кислоты в спирте, для травления алюминиевых сплавов – 0,5 – процентный раствор фтористой кислоты в воде.
Рис.12.Микроструктуры: а – алюминиевой бронзы; б – стали.
Рентгеновский анализ.
Рентгеновский анализ применяется для следующих видов исследования металлов:
а) структуры кристаллов: формы кристаллической решетки и ее параметров;
б) определение внутренних дефектов.
Рентгеновские лучи имеют очень короткую длину волны, измеряемую в ангстремах (10 -8 см = 0,0000001см). Поэтому, когда они направлены на кристаллическую решетку испытываемого образца, они отражаются от ее атомов. Отраженные лучи либо усиливают падающие лучи, либо ослабляют их. Усиленные лучи дают темные пятна, на фотопластинке появляется группа пятен, имеющих определенное расположение. По характеру расположения пятен определяют форму кристаллической решетки и ее параметры.
Спектральный анализ. Химический состав металлических сплавов и других веществ можно исследовать по спектру, получающемуся от свечения их в раскаленном состоянии. Когда металлы или сплавы раскалены до состояния газа или пара, они дают характерную для каждого элемента линию спектра.
Термический анализ. Термический анализ основан на том, что в процессе нагревания и охлаждения металлов и сплавов структурные превращения всегда сопровождаются выделением или поглощением тепла. Термический анализ выявляет эти тепловые эффекты, на основании чего строятся кривые охлаждения и таким образом определяются фазовые превращения.
Дефектоскопия металлов и сплавов.Дефектоскопия металлов позволяет выявить внутренние дефекты без нарушения целостности деталей. Существуют магнитная и ультразвуковая дефектоскопия. Магнитный метод применяется для исследования дефектов в ферромагнитных металлах, например в стальных изделиях, никеле и кобальте.
Этим методом выявляются дефекты, на глубине – до 2 мм (непровар шва, трещины, неметаллические включения). Сущность способа состоит в том, что детали, имеющие дефекты, намагничивают, затем на поверхность деталей ферромагнитный порошок, например порошок железа. Дефекты металла обладают низкой магнитопроницаемостью и рассеивают магнитные силовые линии, вследствие чего по краям дефектов образуются магнитные полюсы. Магнитные силовые линии как бы огибают контуры дефектов, замыкаясь в полюсах. Ультразвуковая дефектоскопияпозволяет осуществлять эффективный контроль качества изделий и заготовок из любых металлов на большой глубине и выявлять в них дефекты без разрушения контролируемых изделий. Для контроля металлов применяют ультразвуковые волны с частотой колебаний 2 – 10 млн. гц. Эти волны возникают при колебании пластинки из кварца или титана бария зажатой между двумя металлическими пластинками, к которым подключен переменный ток, под действием тока пластинки будут колебаться в такт электрическим колебаниям. В результате колебаний создаются звуковые волны, они направляются на поверхность изделия. Эти волны вначале вызывают колебания поверхностных слоев металла, а затем передаются вглубь и проходят через всю толщу металла. Если на пути встретится дефект, интенсивность ультразвука измениться. По изменению интенсивности ультразвука, проходящего через дефектное место, выявляют дефект.
Свойства металлов.
Чтобы судить о том, насколько различные металлы и сплавы пригодны для изготовления деталей машин, необходимо знать какими свойствами они обладают и отвечают ли эти свойства требованиям, предъявляемым к готовым изделиям.
Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов относятся электрические, магнитные, тепловые свойства, а также цвет металлов и плотность (Таблица.1.).
Цвет металлов. По цвету, металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. Черные – сплавы железа – чугун и сталь, цветные все остальные. Металлы непрозрачны. В отраженном свете металлы имеют внешний блеск, причем каждый металл характеризуется своим особым оттенком этого блеска, или, как говорят, цветом.
Плотность. Плотностью называется количество данного вещества (его масса), содержащаяся в единице объема.
Плавкость. Металлы обладают способностью расплавляться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении. Температура, при которой металл переходит полностью в жидкое состояние, называется температурой плавления. Знание температуры плавления металлов имеет большое значение, особенно в литейном деле, когда производится расплавление металлов и заполнение ими специальных форм, а также при паянии, сварке и других процессах, сопровождающихся плавлением металлов.
Теплопроводность. Теплопроводностью называется способность металлов с различной скоростью проводить тепло при нагревании и охлаждении. Единицей измерения теплопроводности служит количество тепла, распространяющегося по металлу от места нагрева через единицу площади его поперечного сечения в единицу времени при изменении температуры на единицу длинны в один градус.
Тепловое расширение. Тепловое расширение представляет собой свойство металла расширяться при нагревании. Изменение объема и линейных размеров металлов в зависимости от температуры необходимо учитывать во многих практических случаях.
Величина теплового расширения у металлов неодинакова. Чтобы оценить величину изменения длины металла при нагревании или охлаждении, точными приборами определяют изменение длины образца из данного металла и вычисляют, какое удлинение приходится на 1 мм длины при изменении температуры на 1º. Это удлинение называется коэффициентом теплового линейного расширения. При расчете теплового расширения объема изделий следует учитывать, что коэффициент теплового расширения β равен утроенному коэффициенту линейного расширения α, т.е. β=3α..
Теплоемкость. Теплоемкость – это способность металла поглощать тепло. Удельная теплоемкость характеризуется количеством тепла в больших калориях, которое необходимо, чтобы повысить температуру 1 кг металла на 1 ºС.
Электропроводность. Электропроводностью называется способность металлов проводить электрический ток. Лучшими проводниками являются те металлы, которые оказывают наименьшее сопротивление прохождению электрического тока. Сравнивать электросопротивление различных металлов принято с помощью величин удельного электрического сопротивления, т.е. сопротивления в омах, которое оказывает току проволока из данного металла длиной 1м и сечением 1мм 2 .
Магнитные свойства металлов. Магнитностью называется свойство металла намагничиваться или притягиваться магнитом. Подобными свойствами обладают железо и его сплавы. Наиболее заметно магнитные свойства выражены у железа, никеля, кобальта и их сплавов, называемых за эти свойства ферромагнитными.
Таблица.1. Физические свойства некоторых металлов
Источник
