Меню

Энергия дефекта упаковки меди

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Величина — энергия — дефект — упаковка

Величина энергии дефекта упаковки даже у металлов с одним типом решетки может существенно различаться ( табл. 9), что приводит к широкому спектру дислокационных структур. [1]

Как видно из табл. 4, величина энергии дефекта упаковки у металлов с одним типом кристаллической решетки может различаться весьма существенно. Известно, что увеличение энергии дефекта упаковки затрудняет расщепление дислокаций, уменьшает ширину полосы дефекта упаковки между частичными дислокациями. Это в свою очередь облегчает поперечное скольжение винтовых дислокаций: чем уже полоса дефекта упаковки, тем легче образуется перетяжка перед переходом в новую плоскость. Чем эта энергия больше, тем раньше ( по уровню напряжений и величине деформации) начинается интенсивное поперечное скольжение, дислокации легче обходят различные барьеры. В результате укорачиваются стадии легкого и множественного скольжения, и пластическое течение в основном осуществляется в условиях интенсивно развитого поперечного скольжения. [2]

Распределение дислокаций зависит: / г величины энергии дефектов упаковки , а также развития процессов упорядочения. Если существование плоских скоплений дислокаций зависит от наличия упорядочения, то чувствительность к коррозионному растрескиванию возрастает в тех случаях, когда восстановление порядка не может протекать со скоростью, превосходящей скорость разу-порядочения вследствие пластического деформирования [ 38, с. [3]

Считают, что распределение дислокаций зависит от величины энергии дефектов упаковки и наличия ближнего порядка в решетке; если плоскостное расположение дислокаций зависит от ближнего порядка в решетке, то чувствительность к КР возрастает в тех случаях, когда восстановление порядка не может протекать со1 скоростью, превосходящей скорость разупо-рядочения вследствие пластической деформации. [4]

Различие в тонкой структуре мартенсита иногда связывается с величиной энергии дефектов упаковки . Так, при низкой энергии дефектов упаковки наблюдается образование недвойникового мартенсита, а также е-мартенсита. В некоторых работах подчеркивается связь с низкой энергией дефектов упаковки не мартен-ситной фазы, а продуктов превращения. [5]

Что касается пределов, в которых характер скольжения зависит от величины энергии дефектов упаковки ( ЭДУ) то на рис. 12 показана область составов нержавеющих сталей, при которых ЭДУ велика и, следовательно, склонность к водородному охрупчиванию должна быть мала. Однако при повышенном содержании водорода [337] или при испытаниях в условиях низких температур [84, 337], то есть при усилении планарности скольжения, для стали 310 также наблюдается увеличение потерь пластичности. Этот пример еще раз подтверждает, что ЭДУ является лишь одной из переменных, влияющих на планарность скольжения. [6]

В связи с этим заметим, что введение в металл примесей, которые изменяют величины энергии дефектов упаковки , должно приводить к изменению характера зависимости плотности дислокаций от деформации. [7]

Одним из важных параметров, определяющих возможность протекания динамической рекристаллизации в чистых металлах, является величина энергии дефектов упаковки . Исследования, выполненные в работах [213, 214], показали, что в таких металлах, как медь, никель, которые характеризуются сравнительно небольшой величиной энергии дефектов упаковки при значительных степенях деформации, наблюдается динамическая рекристаллизация, а в алюминии [215], а-железе, тугоплавких металлах с о. Однако даже в металлах и сплавах с высокой энергией дефектов упаковки можно создать условия, затрудняющие протекание динамического возврата и облегчающие развитие динамической рекристаллизации. [8]

Известно, что в металлах с ГЦК решеткой наблюдаются три типа текстур холодной прокатки в зависимости от величины энергии дефекта упаковки . [9]

Из анализа данных, полученных разными авторами [9, 275, 302, 303], изменение размеров ячеек для моно — и поликристаллических ОЦК-металлов зависит от величины энергии дефекта упаковки конкретного материала , условий испытания, размера зерна, ориентировки, схемы нагружения и находится в пределах 3 0 — 0 2 мкм. С повышением температуры деформации размер ячеек увеличивается, их границы становятся более тонкими и плотными, дислокации внутри ячеек почти полностью отсутствуют. Среди особенностей ячеистой структуры отмечается [9, 295], что размер ячеек не зависит от начального размера верна. [10]

Развитие дислокационной структуры на первой стадии ползучести не зависит явным образом от типа кристаллической структуры ( ГЦК, ОЦК, ГПУ), однако на нее сильное влияние оказывает величина энергии дефекта упаковки . Нет необходимости специально подчеркивать, что развитие дислокационной субструктуры зависит от температуры и напряжения. [11]

При пониженной энергии дефектов упаковки затруднено поперечное скольжение растянутых дислокаций, что препятствует образованию ячеистой структуры. Поэтому в разных металлах и сплавах, отличающихся по величине энергии дефектов упаковки , имеется разная склонность к образованию при пластической деформации ячеистой структуры. Ячеистая структура отмечена после холодной деформации в Al, Ni, Cu, Ag, Аи, Fe, Mo и многих сплавах. В нержавеющей аустенитной стали, а-латуни, однофазных алюминиевых и кремнистых бронзах, для которых характерны очень низкая энергия дефектов упаковки и стремление сильно растянутых дислокаций оставаться в своих плоскостях скольжения, ячеистая структура или совсем не Наблюдалась, или же выявлялась только три больших степенях деформации. [12]

Обсуждение механизмов влияния никеля и хрома будет проведено ниже, здесь важно отметить одну интересную особенность. Оказывается, что описанное выше поведение никеля и хрома коррелирует с величиной энергии дефектов упаковки ( ЭДУ) аустени-та. Очевидно наличие на диаграмме минимума ЭДУ, соответствующего содержанию — 18 % Сг. Проведено много исследований влияния легирующих добавок в этой области, позволяющих минимизировать ЭДУ в различных сериях сплавов, но такие результаты не обладают большой общностью. [14]

При этом размер зерен сплавов различается незначительно. Между тем степень легированности р-твердого раствора сплавов существенно разная и, следовательно, различна величина энергии дефектов упаковки . Возможности для перераспределения дислокаций в этих сплавах неодинаковы; это позволяет предполагать, что при прочих равных условиях существенное влияние на формирование высокоугловых границ субзерен оказывает энергия дефектов упаковки. [15]

Источник

Элементарное введение в материаловедение (стр. 4 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6

Дефект упаковки. Наиболее распространенными решетками для металлов являются ГЦК, ГПУ и ОЦК. Первые две из них относятся к решеткам с максимально возможной плотной упаковкой атомов (плотнейшая упаковка). В каждой решетке имеются кристаллографические плоскости с плотнейшей упаковкой; решетки ГЦК и ГПУ различаются характером укладки плотнейше-упакованных слоев между собой. Если укладка плотнейше-упакованных слоев имеет последовательность ABCAВC. то образуется ГЦК решетка, а при последовательности АВАВАВ. ( или АСАСАС. или ВСВСВС. ) — ГПУ решетка. Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Например, в сплавах с ГЦК решеткой чередуются плотноупакованные слои ABC ABCAB. а при пересечении дефекта упаковки слои чередуются в последовательности ABCBCABC. Чередование слоев BCBC. типично для кристаллов с ГПУ решеткой, и таким образом дефект упаковки представляет собой как бы тонкую пластинку с ГПУ решеткой в ГЦК решетке.

С дефектом упаковки связан избыток энергии, который принято называть энергией дефекта упаковки ЕДУ. В учебных пособиях (см., например, [66]) приводятся выражения для ЕДУ:

где G — модуль сдвига, а — постоянная решетки, d0 — равновесная ширина расщепленной дислокации; n — коэффициент Пуассона. Полагая в (3.3.9) G=3×104 МПа; a=3×10-10 м; d0=10а; n=1/3, получаем ЕДУ=1,79×10-2 Дж/м2. Экспериментально получаемые значения энергии дефектов упаковок имеют такой же порядок, однако сильно колеблются [66]. Типичные значения энергии дефектов упаковки приведены в табл. 3.3.2.

Экспериментально найденные значения энергии дефектов упаковок [66]

Читайте также:  Добыча меди в ссср в годы войны

Энергия дефекта упаковки, мДж/м2

Легирование сильно изменяет энергию дефекта упаковки. В растворах на основе меди энергия дефекта упаковки снижается при росте содержания Al.

Дефекты упаковки тесно связаны с дислокациями и ограничены малоподвижными частичными дислокациями. Материаловедами установлено, что, чем меньше поверхностная энергия дефекта упаковки, тем он шире и тем сильнее его влияние на свойства. Так, в алюминии, в котором протяженность дефекта упаковки (ширина расщепления дислокации) составляет один-два атомных диаметра, уже при комнатной температуре наблюдают поперечное скольжение, но оно отсутствует при этих условиях в меди, в которой протяженность дефекта упаковки

10 атомных диаметров. Дефекты упаковки влияют на электросопротивление, упрочнение при деформировании, рекристаллизацию, кристаллографию фазовых превращений. Замечено, что осцилляции напряжения течения при горячей деформации наблюдаются в материалах с низкой энергией дефекта упаковки. В литературе появились работы, в которых обнаруженное экспериментаторами-механиками («пластичниками») сильное упрочнение сплавов при сложном циклическом деформировании по замкнутым траекториям связывается с энергией дефектов упаковки.

Дефект упаковки может образоваться разными путями: сдвигом в плоскости плотнейшей упаковки, удалением, или, наоборот, внедрением одной плотноупакованной плоскости или ее части и другими способами.

Исследованиями эволюции дислокационной структуры при пластической деформации установлена четкая зависимость этой структуры от энергии дефекта упаковки ЕДУ [66]. В ГЦК металлах с низкой ЕДУ (кобальт, нержавеющая сталь, сплавы на основе меди) наблюдаются широкие расщепленные дислокации, плоские нагромождения дислокаций. Ячеистая структура начинает формироваться здесь при больших деформациях, причем стенки ячеек широкие. В ГЦК металлах с промежуточной (серебро, медь, никель, золото, платина) и особенно высокой (алюминий и его сплавы) ЕДУ даже при малых деформациях наблюдается возникновение ячеистой структуры. В ОЦК металлах, например, в структуре деформированного железа, вследствие развитости поперечного скольжения возникает такая же ячеистая структура, как и в ГЦК металлах с высокой ЕДУ.

Двойники. Двойником называется часть кристалла, в которой кристаллическое строение является зеркальным отражением остальной части кристалла. Двойники могут появляться при деформации, кристаллизации, отжиге деформированных кристаллов и в других процессах. В отличие от дислокаций (когда смещение соседних плоскостей друг относительно друга происходит на величины, кратные вектору трансляции решетки), при двойниковании сдвиг соседних плоскостей происходит на расстояния, меньшие вектора трансляции решетки, но он последовательно накапливается в соседних плоскостях. Плоскость симметрии, связывающая две зеркально симметричные части кристалла, называется плоскостью двойникования.

Помимо перечисленных в данном разделе точечных, линейных и поверхностных дефектов, в реальном кристалле могут наблюдаться также объемные дефекты — это поры, трещины, усадочные раковины и т. д. Они имеют значительную по сравнению с атомами протяженность во всех трех направлениях кристалла. Трехмерные дефекты образуются как в процессе кристаллизации, так и при фазовых превращениях, деформировании и других процессах. Эти трехмерные объекты зачастую играют очень важную роль в изменении механических свойств материала.

3.3.4*. Плотность дислокаций

Описанные выше дефекты кристаллического строения оказывают определяющее влияние на свойства поликристаллических материалов. Поскольку механические свойства материала определяются интегральными, коллективными характеристиками всей совокупности дефектов кристаллического строения, часто вводят в рассмотрение понятие о плотности дислокаций. Как правило, под плотностью дислокаций понимают скалярную величину r, которую определяют как суммарную длину дислокаций Sl, приходящихся на единицу объема, т. е. r=(1/V)Sl. В то же время строгое определение понятия «плотность дислокаций» подразумевает введение в рассмотрение тензора плотности дислокаций [45], что вызвано тем обстоятельством, что свойства каждой конкретной дислокации определяются ее вектором Бюргерса (см. п. 3.3.3). Однако в литературе по СП вектором Бюргерса принято называть число b, равное величине его модуля (чтобы не быть голословными, приведем следующие конкретные ссылки: [21, c.127], [35, c.58], [66, c.326], [82, c.154], [137, c.65], [145, c.41,54,171] и т. д.). Широкое распространение этого термина можно, по-видимому, связать с тем, что практически все исследователи молчаливо принимают гипотезу о том, что скалярная плотность дислокаций является вполне приемлемым структурным параметром, позволяющим достаточно адекватно описывать те или иные свойства материалов. В частности, физики часто используют следующее выражение для предела текучести sт [126]:

где s0 — некоторое характерное напряжение; a — коэффициент дислокационного упрочнения, зависящий от типа решетки; G — модуль сдвига; r — плотность дислокаций и b — «вектор Бюргерса».

Скалярная плотность дислокаций может быть определена экспериментально при больших увеличениях подсчетом числа выходов дислокаций на единицу площади предварительно протравленного металлографического шлифа, а также при изучении на просвет структуры тонких пленок в электронном микроскопе. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину порядка м-2, после холодной деформации она увеличивается до м-2, что соответствует примерно 1 миллиону километров в 1 см3 вещества.

Наибольшее упрочнение металла получается при плотности дислокаций порядка м-2. Дальнейшее повышение плотности дислокаций вызывает резкое уменьшение прочности металла. Это можно объяснить как потерю устойчивости решетки из-за внесения в нее слишком большого количества дефектов.

3.3.5*. Теоретическая и фактическая прочность

До середины 30-х гг. XIX в. предполагали, что пластическая деформация осуществляется путем сдвига одной части кристалла относительно другой по плоскости скольжения на целое число периодов решетки. Расчет критического сдвигового напряжения при условии, что одна часть кристалла сдвигается как единое целое относительно другой части, впервые был выполнен [92]. Необходимое для этого напряжение можно подсчитать по формуле t=G/2p@G/6, где G — модуль сдвига. Для железа t=83500/*****@***МПа. В то же время в действительности сдвиговое напряжение для железа всего около 250 МПа, т. е. на несколько порядков ниже расчетного.

Такое сильное расхождение теоретической и фактической прочности и послужило, как уже отмечалось в п. 3.3.3, основанием для принятия в 1934 г. Орованом, Поляни и Тейлором гипотезы о существовании дислокаций. Пластическая деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а за счет постепенного перемещения дислокаций. В лекции о роли дислокаций Орован в качестве аналогии движения дислокаций указывал способы перемещения таких представителей животного мира, как дождевой червь или змея. Они скользят по поверхности земли, последовательно перемещая участки своего тела. При этом участки, через которые прошла волна возмущения, восстанавливают исходную форму. В случае пластического сдвига позади переместившейся дислокации атомная структура верхних и нижних слоев совпадает, также восстанавливая свою исходную конфигурацию. Для осуществления сдвига на один период решетки дислокация должна переместиться через весь кристалл и прекратить свое существование. Поэтому формальная логика требует, чтобы количество дислокаций после пластической деформации уменьшалось. Однако опытами было установлено, что плотность дислокаций не уменьшается, а, наоборот, растет в тысячи и даже миллионы раз. Следовательно, дислокации не только исчезают, но также и генерируются в ходе пластической деформации. Механизм образования дислокаций в ходе деформации был открыт в 1950 г. одновременно (с разницей в несколько часов) двумя учеными: Франком и Ридом. Поэтому источники образования дислокаций с помощью предложенного ими механизма были названы источниками Франка-Рида. Они описаны во многих учебниках (см., например, [66]). В настоящее время существование источников дислокаций, подобных источнику Франка-Рида, доказано экспериментально.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в структуре металла дислокаций и других дефектов кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению сопротивления пластической деформации, т. е. к повышению прочности материалов.

Читайте также:  Содержание меди в золоте

В 1920 г. наш соотечественник академик 1 провел следующий эффектный опыт. Берется кристалл поваренной соли. Экспериментально измеряется его прочность, как правило, равная нескольким десяткам МПа. Затем кристалл погружают в горячую воду, в которой растворяется поверхностный слой некоторой толщины, и вновь измеряют прочность кристалла. На этот раз она оказывается намного более высокой — около 2 000 МПа, что лишь в два раза меньше теоретического значения прочности. Вывод напрашивается сам собой. Лишившись поверхностного слоя, кристалл освободился и от многочисленных “ран”, которые накопил на своих боках за долгую жизнь, — щербин, царапин, трещин и других поверхностных дефектов. В них-то, очевидно, и заключалась причина былой непрочности кристалла.

Итак, совершенство структуры кристалла — гарантия повышенной прочности, близкой к теоретической. Следуя этой идее, ученым удалось поднять потолок прочности до значений порядкаМПа, что до сих пор было незнакомо технике. В тридцатых годах на стеклянных нитях удалось достигнуть прочности в 5 900 МПа, а на кварцевых нитях — в 12 700 МПа. В 1935 г. академик 2 совместно с [1] и [2] разработали статистическую теорию прочности, которая стала составной частью современной физической теории долговечности твердых тел. В пятидесятых годах в Физико-техническом институте АН СССР им. в лаборатории [3] были получены нитевидные монокристаллы («усы») некоторых металлов с прочностью около 9 800 МПа. Высокая прочность (до 5 900 МПа) была достигнута в лаборатории на ориентированных полимерах. Таким образом, было наглядно показано, что «исправление» дефектной структуры кристаллов увеличивает их прочность на несколько порядков и приближает ее к теоретическому значению. Основная трудность на пути создания бездефектных кристаллов состоит в том, что малы их размеры: диаметр — не более нескольких микрон, длина — не более 10-15 мм. Увеличение размеров сопряжено с появлением дефектов. В практике создания наиболее прочных материалов материаловеды часто идут по пути создания однородных материалов с оптимальной плотностью дислокаций и других дефектов. Это достигается комбинацией таких технологических операций, как легирование (введение небольшого количества примесей, которые сильно взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их движение), закалка (создается мелкозернистая структура, границы зерен очень труднопроходимы для дислокаций), наклеп (прокатка, волочение, растяжение, вызывающие повышение количества дислокаций при деформации, дислокации фактически переплетаются, их движение затрудняется, прочность металла возрастает). Возможен и другой путь повышения прочности — создание композитных материалов на основе использования таких “усов”. Материалы, армированные такими “усами”, обладают высокими прочностными свойствами и находят все более широкое применение.

3.4*. Методы исследования

В предыдущих разделах рассказано о том, какие сведения материаловед заносит в паспорт материала при знакомстве с ним. Теперь пришла пора познакомиться с тем инструментарием, которым пользуется материаловед в своей практике. Поскольку главную информацию о материале материаловед получает со шлифа, основным его инструментом являются, естественно, микроскопы различной конструкции (п. 3.4.1). Одна из трудностей, с которой постоянно сталкивается материаловед, заключается в том, что металлы — непрозрачные тела. Поэтому количественные параметры трехмерного объекта обычно определяются при исследовании его сечений. Таким образом, независимо от типа микроскопа, информация, получаемая с его помощью, относится, как правило, к плоскому изображению трехмерного объекта. В этой связи возникает проблема реконструкции информации о трехмерном объекте по информации, получаемой с его плоского шлифа. Некоторые аспекты этой проблемы рассмотрены в п.3.

3.4.1*. Общие сведения

Для решения основной задачи материаловедения используются различные методы исследования, в частности структурные и физические [71]. К структурным методам относятся такие, которые основаны на наблюдении строения металла или сплава (макро — и микроскопический анализ, просвечивающая и растровая электронная микроскопия и др.). Физические методы основаны на измерении различных физических свойств материалов: тепловых, механических, магнитных, электрических и др.

Макроскопический анализ заключается в исследовании макроструктуры металлов и сплавов, под которой понимается строение металла, видимое невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (до 30 раз). При изготовлении макрошлифа после шлифования образцы травят в специальном реактиве. Травление происходит неравномерно по поверхности; места скопления примесей, различные несплошности (раковины, поры, трещины) и другие дефектные участки структуры травятся сильнее. На поверхности макрошлифа появляются углубления, попадая в которые, отраженный свет рассеивается, и эти участки воспринимаются глазом, как темные, в то время как гладкие, менее сильно травящиеся, участки поверхности кажутся светлыми.

Метод отпечатков основан на том, что изображение структуры появляется не на самом шлифе, а бумаге, ткани или пленке, на которые нанесен соответствующий реактив. Материал с нанесенным на него реактивом прижимают к поверхности шлифа. В результате взаимодействия реактива с отдельными структурными составляющими на бумаге или другом материале образуются характерные окрашенные продукты. Таким способом, например, выявляют неравномерное распределение (ликвацию) серы в стали.

Микроструктурой называется внутреннее строение металла, наблюдаемое с помощью оптических микроскопов, обеспечивающих увеличение от 50 до 2 000 раз. Впервые такой анализ был применен выдающимся русским ученым в 1831 г. для исследования микроструктуры стали. Микроанализ — наиболее часто используемый метод исследования, позволяющий изучить форму и размер кристаллических зерен, различить в структуре сплава частицы (зерна), имеющие разный химсостав, обнаружить неметаллические включения, несплошности и т. д. Наиболее важным преимуществом микроанализа является возможность различить (выделить) в структуре сплава различные фазы сплава, что невозможно сделать методом макроанализа.

При изготовлении микрошлифа после шлифования на самой мелкозернистой шлифовальной бумаге осуществляют полирование — механическое или электролитическое. При электролитическом полировании поверхность образца получается без царапин, что особенно важно для мягких сплавов; кроме того электрополирование устраняет наклеп, возникающий в поверхностном слое образца при механическом полировании. Получающаяся после полирования зеркальная поверхность под микроскопом имеет вид светлого круга и не позволяет судить о строении металла или сплава. Для выявления микроструктуры приготовленную поверхность подвергают травлению, для чего используют растворы кислот, щелочей, солей. При травлении в результате различной интенсивности растворения отдельных структурных составляющих на поверхности микрошлифа образуется рельеф, что дает возможность использовать для его анализа различные микроскопы.

Используемые в нашей стране металлографические микроскопы МИМ-7, МИМ-8 дают увеличение от 60 до 1 350 раз, а при фотографировании — до 2 000 раз. Более совершенной моделью вертикального микроскопа является микроскоп ММР-4, в число достоинств которого входит то, что в комплект оптики объективы вмонтированы на револьверной головке, поворот которой включает в систему тот или иной объектив и таким образом обеспечивает их быструю замену. Кроме того, микроскоп имеет специальную систему линз, позволяющую менять увеличение в 2-3 раза без дополнительной фокусировки. Микроскоп снабжен бинокулярной насадкой, обеспечивающей удобство наблюдения микроструктуры. Общее увеличение микроскопа ММР-4 составляет от 50 до 1 500 раз.

Широкой известностью пользуются микроскопы фирмы К. Цейсса (Германия), особенно горизонтальный исследовательский микроскоп «Неофот-21», который обеспечивает увеличение от 10 до 2 000 раз и позволяет использовать все виды освещения.

Для электронномикроскопических исследований применяются электронные микроскопы различных типов: просвечивающие, растровые, эмиссионные и др. Наиболее широко используются микроскопы первых двух типов. Просвечивающий электронный микроскоп работает по схеме проходящих электронных лучей. Для металловедческих исследований обычно используют микроскопы с ускоряющим напряжением 100-200 кВ, позволяющие просвечивать объекты толщиной до нескольких сотен ангстрем — не более. Поэтому при использовании такого микроскопа необходимо делать фольги, вырезая их из деформированных образцов.

Читайте также:  Этанол взаимодействует с метанолом метаном водородом медью

Метод растровой электронной микроскопии основан на зондировании поверхности изучаемого образца тонко сфокусированным электронным зондом (диаметром до нм). Он используется для исследования структуры сплавов, характера распределения частиц по форме и размерам, изучения микрорельефа и т. д.

Рентгеноструктурный анализ основан на проникновении в металл и отражении рентгеновских лучей атомами, расположенными в кристалле в определенном порядке, т. е. от кристаллографических плоскостей решетки. Рентгеноструктурный анализ используется для установления типа и периода кристаллической решетки исследуемого материала, исследования несовершенств, дефектов атомно-кристаллической структуры, изучения текстуры материала после его обработки, анализа фазового состава, оценки остаточных внутренних напряжений и т. д. Рентгеновские аппараты, которые работают по методу прямого измерения интенсивности рентгеновских лучей, называются рентгеновскими дифрактометрами (ДРОН 2,0; ДРОН 3,0 и др.).

Конечно, все рентгеновские и электронномикроскопические методы исследования включают в себя специальные методики расшифровки набюдаемых картин, основанные на принятии ряда гипотез о структуре материала и его взаимодействии с пучком электронов.

Среди физических методов исследования особое место принадлежит термическому анализу, который применяется для определения критических точек — температур, при которых в металлах или сплавах происходят внутренние превращения. Впервые обратил внимание на связь между характером изменения температуры стали и внутренними превращениями, происходящими в ней, выдающийся русский ученый . Не имея прибора для измерения температуры, наблюдал за изменением цвета каления стали невооруженным глазом. Он обнаружил, что при охлаждении раскаленной стали, когда цвет ее каления становится темно-вишневым, неожиданно происходит дополнительный разогрев, о чем можно судить по вспышке цвета стали, которая становится ярче и светлее. связал наблюдаемый тепловой эффект выделения тепла при охлаждении с внутренним превращением в стали. Изучение этого явления привело его к открытию в 1868 г. критических точек стали, впоследствии названных его именем.

3.4.2*. Определение величины зерна

Величину зерна металла или сплава могут характеризовать следующие показатели: среднее число зерен на единице площади шлифа, средняя площадь зерна, средний линейный размер (диаметр) зерна.

Для быстрой приближенной оценки размера зерна используют метод сравнения наблюдаемой микроструктуры, в которой границы зерен выявлены достаточно хорошо, с эталонными микроструктурами, для которых размеры зерен известны. Эталонным микроструктурам присвоены условные порядковые номера в соответствии с размерами зерен. Таким образом, каждый эталон характеризуется определенным номером (баллом) зерна. Сравнение наблюдаемой структуры с эталоном проводят при одинаковом увеличении. Размер зерна металла оценивают номером (баллом) выбранной эталонной структуры.

Для более точного определения размеров различных составляющих структуры используют методы количественной стереографической металлографии. Наиболее простыми из них являются метод подсчета числа зерен на заданной площади шлифа и метод случайных секущих.

Метод подсчета числа зерен на единице площади (метод Джеффриса) заключается в том, что на матовом стекле микроскопа или на фотографии микроструктуры выбирают площадку в виде круга или квадрата известных размеров. Подсчитывают число зерен n1, целиком поместившихся на выбранной площади и число зерен n2, размещенных на ней только частично (пересекаемых краями выбранного шаблона — окружностью или сторонами квадрата). Полное число зерен на площади круга определяют по формуле: n=n1+0,5n2. Для получения достоверных результатов число зерен подсчитывают на нескольких участках микрошлифа, т. е. используют несколько полей зрения. Всего должно быть подсчитано не менее 150-200 зерен.

3.4.3*. Определение объемной доли фаз

Метод случайных секущих, упомянутый в предыдущем пункте, может быть использован также и для установления доли объема сплава, занимаемой частицами определенной фазы или определенной структурной составляющей. Использование этого метода основано на принципе Кавальери-Акера, согласно которому доля объема сплава, приходящаяся на данную структурную составляющую, равна доле площади, занятой этой составляющей в случайном сечении, или доле длины секущей, приходящейся на эту составляющую. Если на микрофотографии провести прямую, пересекающую несколько структурных составляющих, то, подсчитав суммарную длину отрезков, приходящихся на интересующую исследователя составляющую (S l), и разделив полученное значение на общую длину секущей L, получают объемную долю исследуемой составляющей в сплаве: vоб =L-1S l.

Длину отрезков можно измерить на микрофотографии с помощью масштабной линейки: на матовом стекле микроскопа или непосредственно в поле зрения микроскопа с помощью окуляр-микрометра (окуляра, в который вставлен стеклянный круг со шкалой). Для измерения достаточного количества отрезков (всего измеряют 100-300 таких отрезков) шлиф последовательно перемещают относительно шкалы окуляр-микрометра. Поскольку проводятся относительные измерения (Sl/L), масштаб шкалы окуляр-микрометра и увеличение микросокопа в расчете не учитываются.

Для количественного металлографического анализа применяют автоматические количественные анализаторы изображения различных конструкций (типа «Квантимет» (Англия); «Эпиквант» (Германия) и др.). Это сложные приборы, работа которых основана на анализе яркости отдельных составляющих в изображении структуры, полученном с помощью обычного микроскопа.

3.5.4*. Методы количественной металлографии

Металлографические измерения обычно проводятся для получения данных о микроструктуре: распределение зерен по их размерам, относительное содержание различных микроструктурных составляющих (т. е. соотношение фаз), размеры и распределение каждой фазы, закон распределения двугранных углов по их величинам и др.

Основной принцип, на котором базируется определение относительного содержания фаз в многофазных сплавах, аналогичен описанным выше; он заключается в том, что объемная доля данной фазы считается равной относительной площади, занимаемой этой фазой в произвольном плоском сечении образца, а также доле ее на произвольной линии, проходящей через образец сплава. Объемная доля фазы иногда определяется как доля точек, попадающих в пределы этой фазы, в общем количестве случайно выбранных на шлифе точек. Многим было трудно признать этот принцип и согласиться с равенством величин относительного содержания фазы, определенных как доли объема, площади, линии и точек. Однако строгое математическое доказательство этого утверждения при очень большом объеме выборки было дано еще Делессом в 1848 г. и Розивалем в 1903 г. [71].

Вторым важным аспектом количественной металлографии (после установления объемной доли фаз) является нахождение распределения размеров. Существуют три основных способа измерения величины сферических частиц второй фазы1 [71]. Эти методы характеризуются измерениями либо площади, занимаемой частицами в плоском сечении, либо диаметра сечений сферических частиц на шлифе, либо длины отрезков (хорд) секущей линии, попадающих на сечения сферических частиц. Есть два важных аспекта такого типа измерений. Во-первых, часто представляет интерес определение соотношения между средним размером частиц в реальном образце и средним размером, полученным на плоском сечении. Решение этой задачи дает возможность связывать свойства материала с реальным пространственным распределением частиц по размерам. Во-вторых, существуют более тонкие исследования, целью которых является получение распределения частиц по размерам и данных по их плотности в пространстве. Подобного типа анализ часто необходим при исследовании зарождения и роста частиц в ходе, например, полиморфных превращений. Общее соотношение между величиной частиц, полученной путем измерений на двумерных сечениях, и истинным их размером было дано Фуллменом [71]; более детально этот вопрос изучил Шайль [71].

В случае сферических частиц одинакового размера радиус сфер может быть легко найден по результатам определения средней площади сечения (круга) Аср или средней длины отрезка iср по формулам [71]:

Источник

Adblock
detector