МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ
Миркин Л.
Источник материала: www.krugosvet.ru/articles/

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ – раздел физики, изучающий процессы, происходящие в металлах на атомном и структурном уровнях. Понимание механизмов этих процессов дает возможность разработки новых технологий. Сведения о структуре и свойствах металлов на атомном и структурном уровнях получают с помощью физических методов исследования.

Химики выяснили, что технические металлы всегда содержат примеси, которые либо были в руде, либо попали в металл в процессе его выплавки. От природы и количества этих примесей зависят свойства металла. Следовательно, для изменения свойств можно вводить примеси. Металлические материалы, в которые вводится заданное количество других веществ, называются сплавами. Введенные вещества (химические элементы) называются компонентами (например, компонентами стали обычно являются железо и углерод).

Металлографический анализ. Физики создали приборы для изучения структуры металлов. К таким приборам, прежде всего, относится металлографический микроскоп. Обычный микроскоп не удается применить для исследования металлов, т.к. в его оптической схеме свет от источника проходит через исследуемый образец, попадает в объектив микроскопа и через систему линз и окуляр попадает в глаз наблюдателя. Металл не пропускает световые лучи, поэтому для исследования металлов пришлось разрабатывать совершенно другую схему отражательного микроскопа. В этом типе микроскопа свет попадает на поверхность исследуемого образца, и после отражения попадает в объектив и в дальнейшем в окуляр микроскопа. Чтобы поверхность образца хорошо отражала свет, она должна быть отполирована до зеркального состояния, изображение можно сфотографировать через окуляр микроскопа.

Если сравнить друг с другом фотографии отполированных образцов из различных металлов, оказывается, что они не отличаются ничем, кроме цвета (медь красная, железо белое), и не дают информации о структуре материала. В такой ситуации пригодились исследования химиков, изучавших процессы растворения металлов химическими реактивами. Оказалось, что для каждого металла и сплава существуют реактивы (травители), которые позволяют растворить поверхность металла на глубину в доли микрона. При этом на поверхности образца выявляются микроскопические участки, имеющие разную конфигурацию, рельеф и цвет. Эта микроструктура дает необычайно ценную информацию, она меняется после нагрева и охлаждения сплава по различным режимам (термической обработки). Изучением микроструктуры занимается целая отрасль физического металловедения – металлография, созданы металлографические атласы с фотографиями микроструктур различных сплавов после различных обработок с увеличениями от 100 до 1000.

Итак, для проведения металлографического исследования нужно разрезать образец, отшлифовать и отполировать поверхность разреза (приготовить металлографический шлиф), обработать специальным реактивом для данного класса материалов (протравить), сфотографировать разные участки шлифа с различными увеличениями и сравнить с эталонными фотографиями в металлографическом атласе. На основании этих данных можно сделать заключение о химическом составе сплава, различных структурных составляющих и режимах предшествующей термической обработки.

Например, структура железа состоит из многоугольных зерен диаметром в несколько десятков микрон. На микрофотографии видно сечение этих зерен плоскостью шлифа. По данным химического анализа в железе содержится менее 0,01% углерода. При увеличении содержания углерода до 0,3% (этот сплав уже носит название сталь) появляется вторая структурная составляющая – зерна меньшего размера, имеющие полосчатую структуру. Многоугольные зерна носят название феррит, а полосчатые – перлит. При увеличении содержания углерода до 0,8% перлитная структура занимает весь шлиф. Таким образом, очень небольшое количество углерода (менее 1%) резко изменяет структуру стали. Феррит, перлит и другие структуры в сплавах носят общее название – структурные составляющие.

Рис. 1 МИКРОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ (полученные с помощью оптического микроскопа) перлита (а), мартенсита (б) и распределения частиц цементита в феррите (в).

Таким образом, первый этап металлографического исследования – металлография позволяет получить информацию о морфологии элементов структуры. Для дальнейшей интерпретации этих данных необходимы другие методы исследования.

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ. При металлографических исследованиях структуры металла часто бывают необходимы большие увеличения. В обычном оптическом микроскопе предельное увеличение практически не более 1000, что связано с фундаментальными физическими причинами (длина волны света, коэффициент преломления света в линзах). Предельное увеличение в электронных микроскопах в сотни раз больше. В электронных микроскопах используется явление отклонения потока электронов в магнитном поле. Пучок электронов проходит через электромагнитные катушки (электронные линзы) действующие, как линзы в оптическом микроскопе, и объект исследования. Изображение объекта фиксируется на флуоресцентном экране.

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ. Основной характеристикой металлов и сплавов являются их механические свойства, т.е. способность выдерживать нагрузки и деформироваться. Разработано большое количество стандартных методов механических испытаний, например, испытания на растяжение. Это испытание состоит в растяжении образца в форме стержня с измерением приложенной нагрузки и удлинения образца. По результатам измерений определяется несколько механических характеристик, которые носят название предел текучести, предел прочности, относительное удлинение. Аналогичный набор механических характеристик определяется при испытаниях на сжатие, изгиб, кручение и другие виды приложения нагрузок. В измеренные величины механических свойств вносят свой вклад все зерна металла, и выделить вклад отдельных структурных составляющих не удается.

МИКРОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ. Принцип микроскопического наблюдения поверхности образца и зондирования выбранного участка осуществляется и в других приборах, применяемых в физическом металловедении. Рентгеновский спектральный анализ основан на том, что электронный пучок, попадающий на поверхность твердого тела при определенных условиях может возбуждать рентгеновское излучение химических элементов, входящих в образец. Это рентгеновское излучение может анализироваться рентгеновским спектрометром и таким образом можно идентифицировать химические элементы и определять качественный и количественный химический состав материала.

СТРУКТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.Металлографическое исследование сплава дает картину структурных составляющих, а рентгеновское исследование позволяет определить фазовый состав. Практически чувствительности рентгеновского метода исследования часто оказывается недостаточно для качественного и количественного определения второй фазы. В частности, обычные рентгеновские методы не позволяют определить наличие цементита в стали.

Свойства сплавов очень сильно зависят не только от химического, но и от фазового состава сплава. Сплавы со структурой твердых растворов имеют, как правило, высокую пластичность, а сплавы со структурой химических соединений высокую твердость и хрупкость. Реально в технике для достижения оптимального сочетания свойств применяют сплавы, состоящие из нескольких фаз. При разработке сплавов с заданными свойствами учитывают, что материалы, предназначенные для различных видов механической обработки давлением (прокатка, штамповка, ковка), которая проводится при высоких температурах, должны иметь при этих температурах структуру твердого раствора. Если при изготовлении и эксплуатации детали требуется высокая прочность и деталь не должна деформироваться, то целесообразно использовать сплавы, содержащие большую долю химических соединений. Среди железоуглеродистых сплавов такими свойствами обладают чугуны, содержащие очень много цементита.