Лекция 3

Лекция 3 ЭМСИ

Методы.

Объекты из металлов и сплавов характеризуются конструкцией, морфологией, структурой, элементным (химическим) и фазовым составом, комплексом физических и механических свойств материала, из которого они изготовлены, технологией изготовления. В соответствии с таким делением группируются методы и методики, применяемые в экспертной практике криминалистического исследования изделий из металлов и сплавов.

При внешнем осмотре и выявлении морфологических признаков объектов широко используются методы и приборы оптической микроскопии, а также РЭМ (растровая электронная микроскопия) при небольших увеличениях (до 50 крат). Они позволяют выявлять вид технологической поверхности объектов, ее особенности, по следам, возникшим при технологических процессах их изготовления, а также при эксплуатации.

Если речь идет о выявлении дефектов внутреннего строения объекта (пустоты, усадочные раковины, трещины, непровары сварочного шва и т.п.), то применяются неразрушающие методы – ультразвуковая, магнитная, рентгеновская микроскопия.

При установлении фазового и структурного состава материала изделий существенную роль играют методы металлографии. Для анализа применяются оптические микроскопы (х1000, с иммерсией (кедровое масло) х1500 крат) и электронные (РЭМ и ПЭМ с разрешающей способностью до 0,1 нм.

Понятия «внутреннее строение» объекта из металла, сплава, «структура» включают: природу, размерные и морфологические характеристики зерен (кристаллитов) металла (твердого раствора на его основе) или различных фаз. Сюда же относятся особенности топографии выделения включений либо примесей, выявляемые на металлографических шлифах и изломах. Важную роль здесь играет количественная металлография, позволяющая определить как число сосуществующих фаз, так и размерные характеристики зерен и каждой фазы.

В шлифах материала под оптическим микроскопом по отражательной способности, форме, цвету можно различать зерна различных фазовых составляющих. Кроме того, металлографические методы позволяют получать информацию об особенностях взаимного расположения зерен различных фаз в объеме материала, устанавливать характер распределения примесей и включений в материале основной фазы, что особенно важно при проведении сравнительных идентификационных исследований.

Самым высоким уровнем исследования внутренней структуры является установление ее кристаллического строения, т.е. строго определенного пространственного расположения атомов индивидуального химического соединения, металла, твердого раствора (фазы). Кристаллическая структура каждой фазы определяется по расположению и интенсивности линий дифракционного спектра, регистрируемого на рентгенограммах. На этом основан РФА (рентгеновский фазовый анализ). Кроме информации об усредненном фазовом составе исследуемого металла, сплава рентгенограммы несут информацию и об особенностях совершенства кристаллической структуры каждой фазы. Так, неоднородность какого-либо твердого раствора по составу приводит к уширению дифракционных линий данной фазы.

Рентгеновский фазовый анализ позволяет идентифицировать каждую фазу, причем, как правило, его целесообразно применять в тех случаях, когда известен элементный химический состав материалов изделия (иногда РФА позволяет идентифицировать металл не прибегая к методам спектрального или химического анализа). Одинаковость фазового состава материала в ряде случаев является необходимым признаком при идентификационных исследованиях целого по частям. Использование названного метода дает возможность идентифицировать фазовый состав новообразований, связанных с различного рода внешними воздействиями на изделие. Например, исследование разных оксидных форм меди (закиси – Cu₂O и окиси – CuO), окислов вольфрама – вопросы, касающиеся исследования поврежденных медных проводов и спиралей электроламп (горела или не горела нить в момент разрушения лампы) и т.д.

Растровая электронная микроскопия благодаря большой глубине фокуса и плавному изменению увеличения в больших пределах (от 50 до 30000) дает возможность решить ряд задач, связанных с особенностями механической обработки, условиями эксплуатации и хранения объектов из металлов и сплавов. Методы растровой и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) широко применяются для фрактографических исследований при установлении характера и механизма разрушения металлических объектов. Как правило, все задачи исследования разрушенных электроламп успешно решаются на основе признаков, выявленных РЭМ. ПЭМ применяется для исследования более тонкой структуры (субзерна, дислокации). В ПЭМ используются реплики (углеродные или др. отпечатки с образцов), что является недостатком этого метода по сравнению с РЭМ, так как реплики рвутся и неизвестно с какого конкретно места они сняты. Преимущество метода ПЭМ в высокой разрешающей способности (до 1 нм).

Изучение факта контактного взаимодействия изделий из металлов и сплавов связано, как правило, с использованием методов оптической микроскопии и РЭМ в сочетании с методом ЛРСА по первичному излучению (локального рентгеноспектрального анализа). Метод является полностью неразрушающим. Он применяется совместно с растровым электронно-микроскопическим исследованием (РЭМ совмещен с рентгеновским спектрометром по волновой или энергетической дисперсии) и позволяет устанавливать качественный и количественный химический состав фаз, наслоений размером от нескольких квадратных миллиметров до нескольких квадратных микрон с чувствительностью до 0,10 – 0,01 %. Применение метода ЛРСА особенно эффективно при исследовании микрочастиц изделий из металлов и сплавов. Практически любая видимая невооруженным глазом или под оптическим микроскопом микрочастица может быть исследована в целях установления содержания основных компонентов сплава. Кроме того, при возможности изготовления шлифа из микрочастицы можно проводить и количественный анализ сплавов.

Также для определения элементного состава изделий из металлов (их частей) применяется большая группа методов качественного и количественного анализов. Это прежде всего методы АСА (атомно-спектрального анализа). Во всех экспертных учреждениях основным методом исследования химического состава объектов металлической природы является ЭСА (эмиссионный спектральный анализ) металлов и сплавов по атомным спектрам возбуждения в ультрафиолетовой и видимой области спектра с помощью горячих источников света. По способу регистрации методы делятся на визуальный, фотографические и квантометрические. По целям и задачам: качественный, количественный и полуколичественный. Предел обнаружения без предварительного концентрирования 10^-9 - 10^-10. Метод простой и доступный.

В последние годы в практику внедряются количественный ААА и ЛМСА (атомноабсорбционный и лазерный микроспектральный анализы). Применение этих методов дает возможность при минимальном повреждении пробы проводить сравнительное исследование нескольких объектов по качественному элементному составу основного материала (разное почернение линий), а также загрязнений и примесей, как технологического характера, так и связанных с условиями существования объекта, получать информацию об источнике происхождения (по признакам сырья), а иногда и о технологии производства (кустарное или промышленное). В атомноабсорбционном анализе ме и спл высокая степень стабилизации источников света. Метод дешевый.

Химический состав определяется по спектру, полученному любым спектральным методом исследования микро количеств вещества. Даже при анализе следовых количеств вещества в спектре присутствуют аналитические линии элементов его основы. Высокая чувствительность ЭСА в сочетании с количественной оценкой получаемых результатов позволяет получать обширную информацию о составе исследуемого металла – как об элементах основы, так и о легирующих элементах и микропримесях. С помощью ЭСА можно определять наслоения одного металла на металле другой природы, следы металлов (включая благородные) на предметах другой природы (чашки весов, бумага, ткань и т.д.).

Кроме методов ЭСА для определения химического состава используется метод рентгеновского флуоресцентного анализа (по вторичному спектру), преимущество которого заключается в том, что нет необходимости сжигать в дуге части изделия. Данный метод является полностью неразрушающим.

Для установления качественного и количественного состава металлов и сплавов используются также методы классического химического анализа (качественные реакции, методы количественного, колориметрического и титриметрического анализов и т.д.) и электрохимические методы анализа (полярография, кондуктометрия и др.).

И наконец, большая группа методов используется для определения механических свойств изделий из металлов и сплавов: испытания на растяжение и на изгиб, ударную вязкость; измерение твердости и микротвердости и др. Вместе с тем механические свойства металла, сплава объекта можно установить по признакам его химического состава и структуры исходя из справочной литературы.

В целом возможности экспертных исследований изделий из металлов и сплавов возрастают по мере увеличения комплекса перечисленных методов.

Предварительное исследование металлов, сплавов и изделий из них.

Основной задачей предварительного исследования металлических объектов явл-ся получение информации диагностического характера: о наличии металлических частиц на предмете – носителе, а также информации об искомом объекте – изделии из ме-ов и сплавов, фрагменты которого обнаружены на месте происшествия, которую можно использовать для поиска данного изделия и его владельца и выдвижения следственных версий.

Предварительное исследование объектов проводят с использованием методов не требующих значительных временных затрат и сложной приборной базы.

Чаще всего используют следующие методы:

• визуальный осмотр невооруженным глазом и при помощи лупы при естественном и направленном искусственном освещении.

Проводится с целью:

- установления на поверхности какого-либо предмета металлических частиц, обладающих, как известно блеском и характерным цветом (белым, серым, желтым с различными оттенками; металлические ч-цы, подвергшиеся коррозии могут быть красно-коричневого цвета, темно-серого или даже черного);

- исследования фрактографии излома отдельных фрагментов деталей, изделий (описание поверхности с целью анализа причин разрушения);

- наличия пленки продуктов коррозии, образовавшихся при взаимодействии материала изделия с окружающей средой (гидроокиси, хлориды, сульфиды и т.п.) либо при повышенных температурах (оксидные, карбидные или нитридные и т. п.).

• определение мех св-в обнаруженных частиц и фрагментов разрушенных деталей.

Проводится путем воздействия на них закаленными иглами. Ме ч-цы в отличие от блестящих ч-ц из иных материалов обладают характерными твердостью и упругостью.

Для крупных образцов - измерение твердости твердомерами, метод Роквелла (твердых образцов), Бринелля и Шора (мягких образцов), Виккерса (совсем твердых образцов);

• определение магнитных св-в исследуемых объектов.

Проводится путем воздействия на них постоянного магнита (н-р дактилоскопической магнитной кисти) или электромагнита. Fe, Ni и их сплавы обладают св-вом самопроизвольной намагничиваемости, вследствии чего притягиваются к магниту;

• макроскопическое исследование образцов.

С помощью визуального наблюдения при различном увеличении позволяет судить о механизме образования металлических частиц (механизм отделения частиц от металлического предмета). С этой целью исследуются следующие признаки:

а) для ч-ц, образовавшихся в результате газо- или электросварки, характерна шарообразная или каплеобразная форма;

б) для ч-ц, образовавшихся в рез-те распиливания предмета ножовкой по металлу, стружка, как правило, имеет форму лент, скрученных в коническую или цилиндрическую спираль, либо их частей;

в) опилки, образовавшихся в рез-те резания напильником с двойной насечкой, имеют в основном глыбообразную форму;

г) опилки, образовавшихся в рез-те резания напильником с одинарной насечкой, имеют преимущественно цилиндрическую или полуцилиндрическую форму.

Также проводятся исследования фрактографии излома, различных дефектов, следов коррозии, наличия на поверхности других металлических и неметаллических материалов.

• химическое исследование.

Проводится с целью дифференциации различных ме-ов и сплавов, лишь в случае когда обнаружено большое число сходных по ранее указанным признакам металлических частиц, вследствие чего расходование 1-2 частиц не затруднит последующее исследование. При этом ч-ца в углублении стеклянной пластины обрабатывается соответствующим реактивом:

а) черные ме-лы и сплавы – 10%-ным раствором роданистого аммония (NH₄SCN) в соляной кислоте (HCl), раствор подкисляют азотной кислотой На присутствие черных ме-ов указывает окрашивание в темно-красный цвет (образование роданида железа);

б) цветные ме-лы. Для них характерна реакция растворения в азотной кислоте с концентрацией 67% (масс.).

В случае, когда исследуемый ме-л явл-ся медным сплавом, последующая обработка р-ра несколькими каплями аммиака (нашатырного спирта) приводит к образованию синего окрашивания.

Алюминий и его сплавы – определяют по их реакции с 3% р-ром сернокислого железа FeSO₄, подкисленного серной кислотой. При реакции наблюдается кипение с выделением газа и образованием через 2-5 мин желто-бурого осадка (основной соли железа).

Серебряные сплавы – определяют с помощью реактива:

Двухромовый калий (3 вес. части)

Вода (32 вес. части)

Серная кислота (4 вес. части)

Р-р в присутствии серебра окрашивается в кроваво-красный цвет.

Золото и его сплавы – определяют по отсутствию р-ции со всеми кислотами и щелочами и растворению в «царской водке» (смесь концентрированных кислот HNO₃ и HCl в соотношении 1:3.).