книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

Для использования в физико-аналитической практике в последние десятилетия разработаны и выпускаются новые сложные приборы, зачастую оснащенные персональными компьютерами и спе­ циализированными программами. Благодаря это­ му появилась возможность широкого применения методов количественного анализа при решении ключевых проблем физического материаловеде­ ния: прочности и долговечности твердых тел, упругости и неупругости микрокристаллических материалов, сверхпластичности металлов и спла­ вов в наноструктурном состоянии в условиях ин­ тенсивной пластической деформации, синтеза ту­ гоплавких соединений, эволюции внутреннего строения при неоднородной деформации. Помимо этого, были усовершенствованы стандартные ме­ тоды испытаний и исследований традиционных металлов и сплавов и разработаны специальные способы для изучения новых материалов. Возрос­ ли требования к точности и надежности результа­ тов анализа, появились новые стандарты. Все это потребовало пересмотра накопленного опыта с целью его сохранения и приумножения в условиях социальных и экономических изменений, произо­ шедших в стране, и в частности в отдельных от­ раслях промышленности.

Представляется важным, чтобы с новыми при­ борами и перспективными методами были озна­ комлены как производственники-металловеды, так и лица, занимающиеся исследовательской рабо­ той. При этом у них должны совершенно отчетли­ во сформироваться представления, в каких облас­ тях новые приборы и методы наиболее целесооб­ разно использовать, с какими затратами времени и средств это будет сопряжено и какова точность результатов, которые можно получить с их помо­ щью. Стереотипные учебные издания последних лет составлены, как правило, слишком обстоя­ тельно и подробно, а потому имеют большой объ­ ем, что вызывает затруднения при пользовании ими у лиц, не являющихся узкими специалистами в данной области. В таких изданиях практически отсутствуют сведения о новых методах и усовер­

новой аппаратуры рассчитаны на профессионалов и мало доступны неподготовленному читателю.

Предлагаемый справочник является некой се­ рединой между учебником для студентов вузов и справочником, предназначенным для узких спе­ циалистов. Основная цель книги — помочь неспе­ циалисту в данной области рационально приме­ нять новые приборы и методы исследования. Ав­ торы тома, имеющие многолетний практический опыт работы в инженерно-технических коллекти­ вах предприятий, НИИ и вузов, систематизирова­ ли и описали современные перспективные методы исследования физических свойств и внутреннего строения материалов. Использование методик анализа, основанных на оценке величины зерна, идентификации фаз, определении количества и ви­ да неметаллических включений в металле, данных о наличии дефектов кристаллического строения, рассмотрено применительно к решению главных задач технологического контроля структурно­ механических свойств материалов. Комплексное применение описанных методов исследования, дополняющих друг друга, позволяет получить подробную информацию о состоянии и изменени­ ях в макро-, мезо- и микрокристаллической струк­ туре металлов и сплавов.

Книга состоит из четырех глав. В главе 1 кратко изложены концептуальные идеи современной фи­ зической механики материалов о строении, дефек­ тах кристаллического строения и учения о проч­ ности и пластичности металлов и сплавов.

Глава 2 посвящена физическим методам иссле­ дования и контроля структурно-механического состояния материалов. Здесь рассмотрены методы определения теплового расширения твердых тел и теплопроводности, измерения плотности материа­ лов и теплоемкости, способы анализа магнитных свойств и внутреннего трения в металлах и спла­ вах. Эти методы анализа играют важную роль при определении температур плавления и фазовых превращений, а также при установлении марок материалов.

На основе результатов теоретических и экспе­ риментальных исследований явлений, происходя­ щих в твердых телах под действием различных физических полей, к концу XX столетия в среде ученых-материаловедов и инженеров-практиков сформировалась и получила признание концепция, что все свойства твердых тел зависят не только от их химического состава, но и от внутреннего строения. Триада «химический состав—структу­ ра—свойства» оказалась ключом к открытию но­ вых материалов. Однако развитие технологий по­ требовало ее дополнения и привело к пониманию более сложной системы «химический состав— реальная структура материала—технология—

свойства», в которой тесно переплелись достиже­ ния науки, запросы и требования техники и воз­ можности практической реализации новых идей и предлагаемых решений (см. схему).

Фундаментальные задачи современного физи­ ческого материаловедения в конечном итоге опре­ деляются необходимостью изучения физической природы прочности и пластичности материалов. Поэтому решение проблемы создания материалов с заданным набором параметров связано с пони­ манием механизмов формирования и эволюции их реальной структуры и необходимостью изучения микроскопии твердых тел.

В современном материаловедении одним из фундаментальных является положение, что наибо­ лее важные в практическом отношении свойства твердых тел: прочность, пластичность, износо­ стойкость, трещиностойкость, усталостная долго­ вечность и другие — полностью определяются их внутренним строением (структурой). Эти свойства формируются в заданных температурно-силовых условиях технологической обработки и продол­ жают изменяться в процессе эксплуатации детали или конструкции.

Определим структуру как область твердого те­ ла, доступную для наблюдения. В зависимости от выбора научной дисциплины структура может ха­ рактеризоваться типом (кристаллография), фор­ мой и размерами (геометрия), плотностью (физи­ ка), параметрами распределения в ней каких-либо элементов (математика) и пр. Если в области наблюдения присутствуют выделенные струк­ турные элементы с границами раздела, то говорят, что структура имеет признаки поликристаллич­ ности.

Систематизация наблюдений, изучение и прак­ тическое использование обнаруженных корреля­ ций в цепи «структура—свойство» являются чрез­ вычайно сложными и трудоемкими задачами. В этом можно убедиться, рассматривая не только многообразие условий работы материалов (при­ родно-климатических, температурных, силовых и пр.), но и оценив масштабы физического про­

Б.К. Барахтин

странства, в котором реализуются выявленные эффекты. Так, металлоконструкция может иметь размеры в десятки метров, а металл, из которого она изготовлена, представляет собой упорядочен­ ное расположение множества атомов, отстоящих друг от друга на расстояние в доли нанометров (1нм = 10-9 м). Как видно, диапазон для наблюде­ ния и исследования огромен!

Количество информации о строении материаль­ ного мира, которым человечество уже располагает и которое продолжает накапливать, привело к не­ обходимости систематизации, разработки и введе­ ния дополнительных классификаций объектов, определяющих смысл понятия «структура». Одна из простых и распространенных классификаций имеет в своей основе пространственный масштаб наблюдения (табл. 1.1).

В зависимости от размеров исследуемой облас­ ти, в материале выделяют макро-, мезо- и микро­ структуру. К макроскопическому масштабу отно­ сят те структурные элементы, величина которых превышает 10“3 м. Микроструктура охватывает области с размерами от нескольких межатомных расстояний до 10-6 м. Мезоскопический (промежу­ точный) уровень характеризует пространство, за­ ключенное между 10 6 и 10- м. Можно встретить пространственную классификацию структур с иным числом масштабных уровней («субуров­ ней») и другими, но близкими по величине значе­ ниями границ между ними. В любом предложен­

ном виде классификация характеризует сложность и многообразие полимасштабных явлений, проис­ ходящих в теле под действием приложенных внешних сил.

При заданных внешних условиях: температуре, агрессивности среды, механических нагрузках в материалах различной природы (металлах, кера­ миках, полимерах и пр.) — среди множества осо­ бенностей внутреннего строения, известных науке, можно обнаружить такие структурные элементы, которые играют доминантную роль в формирова­ нии реальных (эксплуатационных) свойств. Среди них следует указать на трещины, поры, неметал­ лические включения, фазы, ансамбли дефектов кристаллического строения. Их быстрое и досто­ верное обнаружение в полной мере зависит от умения инженера-исследователя применять наи­ более эффективные методы анализа, а также от оснащенности необходимой аппаратурой. Напри­ мер, чтобы обнаружить полиморфные превраще­ ния, происходящие в металле или сплаве при изменении температуры, бывает достаточно ис­

пользовать такие физические методы, как дилато­ метрию, калориметрию, замеры электросопротив­ ления и модуля упругости. Полученные результа­ ты дадут информацию, усредненную по всему объему испытанного образца, что соответствует определению макроскопического масштаба струк­ туры. Более детальное изучение процессов, ответ­ ственных или сопутствующих структурным пре­ вращениям, потребует применения методов, по­ зволяющих анализировать строение металла на других масштабных уровнях. В табл. 1.1 и табл. 1.2 приведены схемы, иллюстрирующие возможный выбор физико-аналитических методов для исследования структур в шкале пространст­ венных масштабов или в зависимости от решае­ мой практической задачи. Из перечисленных ме­ тодов большинство рассмотрено в данном томе Справочника.

Причины, объясняющие целесообразность опре­ деления «мезоструктуры» как выделенного про­ странственного диапазона, кроются в современной теории дефектов кристаллического строения.

Методы исследования

Макроанализ, магнитный, ультразвуковой контроль, рентгенодефектоскопия

Макроанализ, растровая электронная микроскопия, количественная микрофрактография

Дифракция рентгеновских лучей, Оже-электронная спектроскопия, электронно-лучевой микроанализ, масс-спектрометрия вторичных ионов, мессбауэровская спектроскопия

Дифракция рентгеновских лучей, дифракция нейтро­ нов, просвечивающая электронная микроскопия

Металлографический микроанализ, просвечивающая и растровая электронная микроскопия

Количественная металлография, количественный электронно-лучевой микрозондовый анализ

Микрорентгеноспектральный анализ, Оже-электрон- ная спектроскопия

Металлографический микроанализ, электронная мик­ роскопия

Количественная металлография

Просвечивающая электронная микроскопия

Твердый металл можно представить в виде большого числа атомов или ионов, объединенных металлической связью в прочный каркас (остов), покоящийся в среде электронного газа. Моделью атомного каркаса является идеальный кристалл как совокупность большого количества атомов, компактно и упорядоченно сгруппированных в физическом пространстве. Математическое описа­ ние кристалла производят с помощью простран­ ственных решеток (Бравэ), образованных путем многократного повторения выбранной базисной ячейки. Ее форма и размеры определяются тройкой

Просвечивающая электронная микроскопия

Дифракция рентгеновских лучей, просвечивающая электронная микроскопия

Дифракция ионов и нейтронов, позитронная анниги­ ляция

векторов я-, = (аь а2, а3). Модули векторов соизме­ римы с кратчайшими межатомными расстояниями (~1(Г|0м) и называются параметрами решетки. С помощью решеток Бравэ можно построить мо­ дель любого тела, помещая в вершины (узлы) яче­ ек необходимые однотипные объекты— атомы, ионы, молекулы и пр. (рис. 1.1).

При описании структур металлов и сплавов наиболее часто используются гранецентрирован­ ные (ГЦК) и объемноцентрированные (ОЦК) ку­ бические, а также гексагональные плотноупакованные (ГПУ) кристаллические решетки.

Отклонения от правильного чередования ато­ мов называются дефектами кристаллического строения. В реальных металлах и сплавах они присутствуют всегда. Поэтому в выбранном мас­ штабе наблюдения под внутренним строением ве­ щества следует понимать не только упорядочен­ ное расположение атомов, присущее идеальному кристаллу, но и все многообразие дефектов кри­ сталлического строения.

Дефект называют нульмерным, или точечным, если во всех трех измерениях его размер соизме­ рим с параметрами решетки. Структурные элемен­ ты, которые малы в двух измерениях, но сколь угодно протяженны в третьем, образуют класс од­ номерных, или линейных, несовершенств. Ма­ лость размеров только в одном измерении прису­ ща двумерным (планарным) дефектам. Объекты, превышающие межатомные расстояния, являются трехмерными (объемными) дефектами. Элементы структуры как характерные дефекты в кристалли­ ческих решетках металлов и сплавов представле­ ны в табл. 1.3.

При изменении размеров объектов в направле­ нии, например, от МИКРО- к МЕЗО- и далее к МАКРО-уровню границы между введенными масштабами условны. Одним из критериев прояв­ ления свойств нового масштаба является состоя­ ние «неравновесности» структурных элементов, которые не только соответствуют рассматривае­ мому диапазону по размерам, но и обеспечивают ведущую роль в формировании эксплуатационных свойств. Например, при нагреве слегка деформи­ рованных крупнозернистых образцов обнаружива­ ется явление полигонизации. Суть явления состо­ ит в том, что, благодаря самодиффузии атомов, беспорядочно распределенные линейные дефекты (дислокации) микроскопического уровня взаимо­ действуют между собой и группируются в планар­ ные ансамбли (малоугловые стенки) мезоскопиче­ ского масштаба, образуя новые зерна с совершенной почти бездислокационной структурой. В приве­ денном примере главенствующая роль в формиро­ вании прочностных качеств металла переходит от дислокационных сплетений, хаотически распреде­ ленных в исходном деформированном зерне, к упорядоченной конфигурации слегка разориентированных субзерен, которые и «отвечают» за ме­ ханические свойства на данной стадии испытания.

2

- н -

Рис. 1.1. Схема создания модели тела (3) из объектов (/) с помощью решетки Бравэ (2)

Таблица 1.3

Пространственная классификация дефектов кристаллического строения

В другом случае, характерном при больших пластических деформациях, вблизи точки «вре­ менного сопротивления» (а* на диаграмме а^е) дислокационно-дисклинационные ансамбли мезо­ скопического масштаба уступают свое лидерство микротрещинам, объединение которых приводит к разрушению образца в макроскопическом мас­ штабе. Моменты передачи лидерства и смены масштабного фактора характеризуют эволюцион­ ные процессы в кристаллической решетке твердых тел. Они могут реализоваться быстрым фазовым превращением, таким как мартенситное, или мед­ ленным диффузионным процессом. Так или иначе, изменение масштабного уровня происходит в со­ ответствии со строгой (иерархической) соподчиненностью дефектов кристаллического строения, существованием лидеров — ансамблей дефектов, определяющих поведение материала в заданных

условиях испытания или работы, а также харак ром взаимодействия между лидерами (рис. I .L).

Наличие взаимодействия между полимасштаЬными ансамблями дефектов кристаллического строения приводит к необходимости учета обрат­ ных связей между ними и придает материальной среде свойства нелинейности. При этом во взаи­ модействии элементов структуры заметна и на­ растает роль коллективных эффектов, высшим проявлением которых является статистический ансамбль. Сформулированное положение является одним из центральных в современной теории де­ фектов кристаллического строения металлов и сплавов.

Рис. 1.2. Иерархическая лестница лидеров-дефектов, отвечающих за рассеяние энергии Е° на различных

уровнях N неравновесности системы

Точечные дефекты связаны с окрестностями только одного узла кристаллической решетки. Их простейшими структурными конфигурациями яв­ ляются вакансия и межузельный атом. Примесные атомы замещения или внедрения также относятся к точечным дефектам, но они не являются «собст­ венными» для кристаллической решетки. Вакан­ сии и атомы замещения связаны с узлами, а меж­ узельные атомы и атомы внедрения — с междоуз­ лиями (пустотами) в решетке. Точечные дефекты повышают энергию кристалла, поскольку на их образование затрачивается работа внешних сил. Основная доля в ней связана с нарушением перио­ дичности атомной структуры и сил связи между атомами. В большинстве случаев энергия образо­

вания вакансии близка к 1эВ, а межузельного ато­ ма — 3+4 эВ.

Наличие точечных дефектов приводит к иска­ жению (дилатации) кристаллической решетки (рис. 1.3). Так, для ближайших соседей, окружаю­ щих вакансию, величина смещения атомов от по­ ложения равновесия может достигать 2 % от меж­ атомного расстояния в гранецентрированной ку­ бической решетке (ГЦК) и 10 % в объемноцентрированной (ОЦК). Точечные дефекты образуются по разным причинам: в результате флуктуаций энергии при хаотическом движении атомов, в процессе пластической деформации, при облуче­ нии частицами высоких энергий, закалке и пр.

Рис. 1.3. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а— вакансия; б— межузельный атом

Вакансия — незаполненный узел решетки, «главный» точечный дефект. Вакансии всегда присутствуют в любом кристалле и оказывают большое влияние на свойства материала. Поле смещений, направленное внутрь вакансии, вызы­ вает появление растягивающих напряжений, убы­ вающих от центра (ядра) дефекта как Mr. Отнеся число вакансий в решетке п к общему числу узлов в кристалле N + п (N — число атомов), определим

вость из-за разрыва многих межатомных связей. Равновесная концентрация вакансий резко возрас-