Меню

Какими методами изучается структура металлов



Методы исследования строения металлов

Исследовани­ем структуры металлов и их сплавов определяется пригод­ность их к эксплуатации в различных условиях работы. К важнейшим методам исследования относят макро- и мик­роанализ, рентгеновский и термический анализ, а также дефектоскопию: магнитную, ультразвуковую, при по­мощи радиоактивных изотопов. С помощью макроанализа изучают структуру, видимую невооруженным глазом или через лупу, по изломам металла и макрошлифам. Для макроанализа отшлифовывают одну из поверхностей образца, затем «травят» ее одной из кислот. Макроанализ выявляет трещины, газовые пузыри, усадочные раковины, расположение волокон в прокате, поковках. По макро­структуре, например коленчатых валов, судят об их каче­стве. На рис. 9 представлены расположения волокон — правильное (а) и неправильное (б).

Микроанализ выявляет структуру по микрошлифам при увеличении в оптических микроскопах до 2500 раз, а в электронных микроскопах — до 25000 раз. Это важней­ший анализ, позволяющий всесторонне изучить качество металла, определить структурные составляющие, форму и размер зерен, микродефекты, лежащие под поверхностью, неметаллические включения, качество термообработки. На основании микроструктуры можно объяснить причи­ны неудовлетворительных механических свойств, не про­изводя их испытаний. Микрошлифы изготовляют путем тонкого шлифования или полирования. При травлении различные составляющие структуры растворяются: одни зерна слабее, другие — сильнее; под микроскопом они вид­ны как более темные или более светлые. Рентгеновский анализ применяют для исследования структур кристаллов и дефектов на определенной глубине внутри металла. Рентгеновские лучи проникают че­рез тело, непроницаемое для видимого света, поэтому возможно обнаружить внутренний дефект, не разрушая металла. Глубина проникновения рентгеновских лучей в сталь составляет 100 мм. Исследование дефектов, ле­жащих на большой глубине, осуществляют с помощью γ-лучей.

Методами спектрального и химического анализов опре­деляют химический состав металлов и сплавов. Спект­ральный анализ производится по спектру, получаемому от свечения металлов в раскаленном состоянии. Одни метал­лы дают линию желтого света, другие — зеленого и т. д. Таким образом можно обнаружить наличие любого метал­ла, даже если его количество ничтожно мало.

Магнитная дефектоскопия позволяет исследовать фер­ромагнитные металлы: сталь, никель, кобальт. Она выявля­ет дефекты на глубине до 2 мм, например в сварных швах: раковины, трещины, неметаллические включения. Дефект­ные места обладают низкой магнитопроницаемостью и рас­сеивают магнитные силовые линии, которые огибают эти места, замыкаясь в магнитных полюсах (рис. 10).

Ультразвуковая дефектоскопия осуществляет эффек­тивный контроль качества изделия и заготовок любых металлов на большой глубине. Ультразвуковая волна направляется на поверхность изделия, проникает вглубь и проходит через всю толщу металла. При отсутствии дефекта звуковые волны распространяются нормально.

Если па пути встретится дефект, то интенсивность ульт­развука изменится. По изменению этой интенсивности выявляют дефект.

Ультразвуковая дефектоскопия широко применяется при контроле качества поковок, проката, роторов турбин, рельсов и т. д.

С помощью радиоактивных изотопов в металлургии обнаруживают попадание в металл шлака, скорость диф­фузии углерода в стали при цементации. Они помогают следить за изнашиванием деталей машин или огнеупорной кладки. Радиоактивность изотопов в изношенных местах изменяется из-за уменьшения количества изотопов на поверхности трения, при этом происходит изменение из­лучения, которое легко обнаружить

Источник

Методы исследования структуры металлических материалов. Разные уровни структуры

Общая характеристика свойств металлических материалов. Методы исследования строения металлов и сплавов.

Материаловедение — научная дисциплина, изучающая связь между химическим составом, структурой, свойствами материалов, а также изменение этих свойств при различных внешних воздействиях.

Классификация материалов.

а) по агрегатному состоянию: твердые, жидкие, газообразные.

Твердые вещества бывают аморфные, кристаллические.

Кристаллические вещества при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температура плавления), затем переходят в жидкое состояние.

Читайте также:  Проба металла 925 что за металл

Аморфные не имеют определенной точки плавления, постепенно размягчаются с ростом температуры.

б) по применению: конструкционные, инструментальные, материалы с особыми свойствами.

в)по физической природе: металлические, неметаллические, композиционные.

К неметаллическим относятся полимеры, пластмассы, керамика, стекла, ситаллы, резины, клеи, лакокрасочные материалы, углеграфитовые материалы, древесина.

Композиционные материалы состоят минимум из двух фаз с четкой границей. Одна является несущей, воспринимающей нагрузки (матрица), вторая — упрочнитель в виде порошка, волокон, пластин.

Общие свойства металлических материалов.

Металлические материалы, получаемые обычным способом являются кристаллическими веществами. Характерен металлический тип связи между частицами. Обладают высокой электро-, теплопроводностью, металлическим блеском, способностью испускать электроны с поверхности при нагреве. Обладают способностью к пластическим деформациям.

Методы исследования структуры металлических материалов. Разные уровни структуры.

Различают макроструктуру, микроструктуру, тонкую структуру.

Исследование макроструктуры: Макроанализ: — изучение структуры материалов визуально или с помощью простейших оптических приборов с увеличением до 100 крат. Наиболее доступным при этом является изучение изломов (фрактография). 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 образцах. После травления специальными растворами шлифованной поверхности образца 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.

Исследование микроструктуры: Микроанализ: производится с помощью оптических микроскопов (полезное увеличение до 100-2000 крат), электронных микроскопов (увеличение до 2000-20000 крат). 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.

d=l/(n sinj) — разрешающая способность микроскопа. (размер наименьшей детали структуры, которую можно рассмотреть): l-длина световой волны, n — показатель преломления, j — отверстный угол микроскопа.

d=200 нм — минимальный размер детали, которую можно разглядеть в оптический микроскоп.

d=0.5 нм -//-//-//- в электронный микроскоп.

Изучение тонкой структуры. 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:

d — межплосткостное расстояние (параметр решетки), Y — угол падения луча на кристаллографическую плоскость, k=1, 2, 3, 4 . l — длина волны рентгеновских лучей.

Рентгеновский анализ определяет качественный и количественный состав сплавов, физическую плотность кристаллов, плотность линейных дефектов в реальном кристалле, позволяет проследить полиморфные превращения в сталях и сплавах и обнаружить глубокие физико-химические процессы в металлах.

Источник

Методическое руководство к практической работе по дисциплине Материаловедение на тему Современные методы изучения структуры металлов

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Смоленское областное государственное бюджетное

профессиональноЕ образоваТЕЛЬНОЕ учреждение

«Вяземский политехнический техникум»

Методическое руководство по практической работе № 1

23.02.03 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта

Читайте также:  Производство черных вторичных металлов

Форма обучения: очная, заочная

Раздел I. Основы металловедения

Тема: Современные методы изучения структуры металлов

Составитель: преподаватель Кондратова Т.Ф.

Рассмотрен на заседании ПЦК профессиональных дисциплин ППССЗ 08.02.09, 13.02.11, 23.02.03

Протокол № 1 от 28 августа 2017г.

Председатель ПЦК_____________Г.А. Кольцова

Цель: познакомиться с методами исследования структуры металлов и сплавов

1. КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Механические свойства металлов и сплавов в основном предопределяются их структурным строением. По структурному строению заготовки можно судить о ее качестве, определить условия предварительной обработки (литье, обработка давлением, сварка, термическая или химико-термическая обработка). Рассмотрим основные способы определения структуры металлов и сплавов.

1.1. Макроскопический анализ. Этот способ заключается в изучении строения металла невооруженным глазом или при увеличении (через лупу) до 30 крат. При таком анализе можно исследовать большую поверхность детали (заготовки). Чаще всего макроанализ является предварительным исследованием структуры металла. Он отличается простотой и доступностью, не требует значительных средств и времени. Этим способом пользуются для выявления пористости металла, ликвации (неоднородности отдельных участков поверхности по химическому составу, структуре, неметаллическим и газовым включениям) пузырей, трещин, послойной кристаллизации, остатков усадочной раковины, рыхлоты, расслоения, обезуглероживания и науглероживания поверхности, свищей (газовых пузырей), флокенов (беспорядочно ориентированных трещин), инородных металлических и шлаковых включений, раскатанных трещин, рванин, чешуйчатости, морщин, остатков окалины, шлифовочных трещин, направления волокон при обработке давлением и т. д.

Наиболее простой и быстрый способ изучения структуры металлов — рассмотрение изломов. По излому стали, например, можно обнаружить перегрев, так как в этом случае излом будет крупнозернистым (на изломе будут отчетливо видны блестки). Таким путем можно также отличить закаленную сталь от отожженной. По излому устанавливают толщину цементированного слоя, а иногда судят и о качестве стали. Так, слоистый (шиферный) излом свидетельствует о том, что сталь загрязнена неметаллическими включениями, излом со светлыми блестками, напоминающими чешуйки нафталина, говорит о хрупкости и низкой эксплуатационной стойкости быстрорежущей стали. По излому можно узнать о вязкости стали. Кристаллический блестящий излом характерен для низкой вязкости стали, а волокнистый матовый — указывает на достаточную ее вязкость.

Для макроисследования металла используют специальные образцы — макрошлифы (рис.1.). Для этого от исследуемой заготовки отрезают пластинку ( темплет ) так, чтобы в нее попала большая часть исследуемого сечения детали. Плоскость отрезанной пластинки шлифуют. Часто макрошлиф получают на одной из поверхностей заготовки. Если такую поверхность протравить специальными кислотами (реактивами), можно увидеть макроструктуру металла. По макрошлифу устанавливают направление волокон в кованом прокатанном или штампованном металле, ликвацию (по сере и фосфору), зону термического влияния сварного шва и др.

Однако макроанализ не дает возможности получить количественные характеристики структуры металла.

Рис. 1. Макрошлифы: а — поверхностная закалка зубьев шестерни; б — ликвация (неоднородность химического состава) серы; в — равномерное распределение серы; г — результат гибки пруткового металла, волокна коленчатого вала после штамповки прокатанной заготовки; д — распределение волокон головки клапана после осадки прокатанной заготовки; е, ж — сварное соединение до и после травления

1.2. Микроструктурный анализ. Этот способ заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях с помощью микроскопов. Размер увеличения зависит от цели исследования и структуры сплавов. В одних случаях большие увеличения нецелесообразны, в других, наоборот, являются необходимыми. Исследование структуры методом оптической микроскопии впервые было предложено горным инженером Павлом Петровичем Аносовым в 1831 г.

Микроскоп как никакой другой прибор помог раскрыть многие секреты металлов. Кристаллическая структура металла особенно отчетливо видна под микроскопом на поверхности излома. Но самые обширные и важные сведения дало исследование под микроскопом плоских, специально обработанных (до зеркального блеска), а затем протравленных металлических поверхностей (микрошлифов). В настоящее время широко применяется электронный микроскоп, который в комплексе с оптическим микроскопом позволил глубоко изучить и понять свойства и поведение металлических материалов.

Читайте также:  Вешалка напольная homeclub 80x42x85 160см металл пластик арт grk201b gv28006 121 китай

Увидеть под микроскопом какую-либо структуру можно только в том случае, если металл содержит различные составляющие, различающиеся по своим оптическим свойствам (рис. 2.).

Максимальное увеличение оптического микроскопа- 1500 крат, увеличение электронного микроскопа — от 20 до 200 тыс. крат.

Оптическая металлография дала возможность раскрыть типы, расположение и процесс образования структурных составляющих в металле.

Электронная металлография стала незаменимой при выявлении дефектов кристаллической решетки, от которых в значительной мере зависят свойства металлов.

Метод электронной микроскопии чаще всего реализуют с помощью просвечивающей микроскопии, что даёт возможность контролировать структуру плёнок толщиной до 100 при увеличении до 200 000 раз.

1.3. Рентгеноструктурный анализ. Этот способ применяют для изучения строения кристаллической решетки. Начало ему было положено в 1912 г., когда Макс фон Лауэ, Вальтер Фридрих и Пауль Киппинг впервые направили узкий рентгеновский луч на кристалл сернокислой меди, за которым поставили фотографическую пластинку. Помимо центрального черного пятна от пучка, прошедшего через кристалл, на пластинке отчетливо было видно множество расположенных в строгом порядке черных точек. Эти точки давали лучи, которые при прохождении через кристалл отклонялись от центрального пучка под разными углами. Удачный эксперимент позволил установить сразу два фундаментальных факта: во-первых, рентгеновское излучение по природе представляет собой электромагнитные волны, во-вторых, кристалл — это трехмерная периодическая решетка, расстояние между узлами которой близко к длине волны рентгеновского излучения. Этим способом, но при более совершенной аппаратуре, ученые пользуются и в настоящее время.

1.4.Радиографический анализ. Этот способ начал развиваться с появлением искусственных радиоактивных изотопов. Чаще всего его применяют как авторадиографический. Для изучения распределения какого-либо химического элемента в структуре металла в него вводят радиоактивный изотоп этого элемента. Приготавливают макро- или микрошлиф, на который накладывают пластику или бумагу со специальной эмульсией, чувствительной к излучению радиоактивного изотопа. В местах скопления изотопа эмульсия засвечивается. После фотообработки изучают распределение химического элемента в структуре металла, как в макро-, так и в микромасштабах. При этом удается установить не только качественные, но и количественные характеристики.

1.5. Дефектоскопия. Дефекты материалов могут быть внешними и внутренними, макродефектами и микродефектами. Сравнительно просто устанавливают наличие в материале внешних макродефектов, а с помощью оптических методов и люминисцентного метода наличие внешних микродефектов. Для этого проводят либо тщательный осмотр поверхности изделий, либо изготавливают и исследуют шлифы из проверяемого материала.

Обнаружить внутренние дефекты гораздо сложнее. Для обнаружения скрытых дефектов в материалах и изделиях разработаны специальные методы неразрушающего контроля . Для обнаружения внутренних макродефектов используют следующие методы неразрушающего контроля: ультразвуковой, рентгеноскопический, магнитный, люминесцентный.

Для выявления внутренних микродефектов обычно используют метод рентгеноструктурного анализа.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Повторите методы изучения структуры металлов и сплавов.

2.2. Ответить на следующие вопросы:

2.2.1. В чём заключается макроскопический анализ структуры металлов.

2.2.2. Перечислить, какие несовершенства структуры можно выявить с помощью макроструктурного анализа.

2.2.3. Перечислить типы микроскопов для микроструктурного анализа и их возможности увеличения.

2.2.4. Поясните следующие термины по изучаемой теме:

Источник