6

Лекция 6

Методы исследования и контроля качества металлов и сплавов

Для исследования строения (структуры) металлов и сплавов и их свойств используют макро- и микроанализ, рентгеновский, термический, дилатометрический и другие методы анализа.

Неразрушающий контроль качества металлов и сплавов выполняют с использованием магнитной, ультразвуковой и рентгеновской дефектоскопии, а также других методов кон­троля.

Макроскопический, анализ (макроанализ) представляет со­бой метод изучения строения металлов и сплавов (их струк­туры ) невооружённым глазом или при небольших увеличе­ниях (до 10 раз, например, с помощью лупы). Макроанализ позволяет выявить неметаллические включения, пористость, усадочную раковину, трещины, а также определить располо­жение волокон при прокатке, ковке, штамповке и т. д. 102

Для осуществления макроанализа готовят специальный об­разец—шлиф. После шлифования поверхность шлифа обезжи­ривают, промывают спиртом и подвергают травлению погру­жением шлифа в реактив. Реактивы обычно состоят из кислот и щелочей или их растворов, а также растворов солей, кото­рые по-разному растворяют или окрашивают отдельные составляющие сплава. Для различных металлов и сплавов выбирают разные реактивы. После травления, промывки в холод­ной и горячей воде и сушки шлифа рассматривают строение металла или сплава—структурные составляющие, наличие не­металлических включений или раковин и т. д. На основании этих наблюдений структуры делают качественную оценку ис­следуемого металла.

Микроскопический анализ (микроанализ) — метод изучения строения металлов и сплавов с помощью специального метал­лографического микроскопа при больших увеличениях (до 3000 раз). С помощью микроанализа определяют величину и форму кристаллов и структурные составляющие сплавов, выявляют особенности строения структуры, наличия в ней микродефектов ( трещин, раковин, и т.д.) или неметаллических включений и т.п.

Шлиф для микроанализа приготовляют так же, как и для макроанализа, но после шлифования дополнительно произво­дят полирование для получения зеркальной поверхности.

Наличие и характер неметаллических включений определяют по нетравленым шлифам, а для выявления количества и формы тех или иных структурных составляющих шлифы подвергают травлению в специальных реактивах. Наиболее распространённый реактив для выявления структуры углероди­стой стали 4 %-ный_ раствор азотной кислоты в этиловом спирте. После травления, промывки и сушки шлифа его рассматри­вают под микроскопом, работающим с помощью отраженного света. Благодаря различной ориентировке кристаллов металла степень их травимости реактивами также оказывается разной. Когда шлиф рассматривают под микроскопом, свет неодина­ково отражается от различных зерен. Благодаря примесям гра­ницы зерен металла травятся сильнее, чем основной металл, и

более рельефно выявляются.

При травлении шлифа, приготовленного из сплава, его мик­роструктура выявляется вследствие различной травимости структурных составляющих (фаз). В этом случае на микрошлифе образуется рельеф. Все это позволяет определять мик­роструктуру - форму и размеры зерен исследуемого металла или сплава.

Наряду с обычными оптическими микроскопами ши­роко применяют электронные микроскопы, в которых вместо световых используются электронные лучи. Эти лучи испускает раскаленная вольфрамовая спираль. Электронный микроскоп позволяет получить увеличение в 100000 раз и выше.

Рентгеновский анализ позволяет исследовать типы кристаллических решеток металлов и сплавов и определить их параметр. Для анализа используют ренгеновские лучи, получаемые в специальных рентгеновских трубках.

Определение структуры металлов и типа кристаллической решетки при помощи рентгеновских лучей основано на дифрак­ции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов кристал­лической решетки. Зная длину волны рентгеновских лучей можно определить расстояние между рядами атомов и распо­ложение их в пространстве. Установление атомной структуры металлов и сплавов весьма существенно для понимания физи­ческой природы явлений, происходящих при изменении состоя­ния металла в процессе его обработки.

Термический анализ применяют для определения критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов с последующим построением диаграмм состояния (см. рис. 4.8,4.9, 411).

Кривые нагревания и охлаждения металлов и сплавов по­зволяют определить температуры превращений и выбрать ра­циональный температурный интервал обработки металлов или сплавов.

Дилатометрический анализ основан на изменении объема металла или сплава, происходящем при нагревании или охлаждении. Его применяют для определения критических то­чек и коэффициентов теплового расширения металлических образцов.

При нагревании объем увеличивается плавно или скачко­образно; плавно он увеличивается при отсутствии фазовых превращений в металле и скачкообразно при их наличии. По результатам анализа, выполняемого на специальных приборах (дилатометрах), строят кривые (в координатах тем­пература—удлинение образца), по которым определяют температуру фазовых превращений.

1. Магнитную дефектоскопию применяют для контроля каче­ства готовых деталей, сварных швов и т. д. с целью выявления внутренних дефектов (закалочных и усталостных трещин, не­металлических включений, усадочных раковин и т. д.). На практике используют такие методы магнитной дефектоскопии, как магнитных суспензий, индукционный и др.

Испытание методом магнитных суспензий или сухого порошка состоит из намагничивания контролируемой детали (ток намагничивания до 2000.. .3000 А), покрытия ее ферромагнит­ным порошком (например, порошком железа), осмотра испы­туемой поверхности и размагничивания детали. У намагниченных деталей, имеющих внутренние дефекты (трещины, неметаллические включения или другие дефекты), образуется неоднородное магнитное поле вследствие того, что магнитные силовые линии огибают место дефекта. При покрытии изделия магнитным порошком его частицы, располагаясь над дефектом, образуют резко очерченный рисунок, отражающий форму и величину дефекта металла. Для обнаружения дефектов мето­дом магнитных суспензий или сухого порошка в ферромагнит­ных сплавах применяют специальные аппараты—магнитные дефектоскопы.

Этот метод контроля осуществляется быстро, надежно и применим для массового контроля качества продукции.

Ультразвуковую дефектоскопию применяют для контроля качества отливок, поковок и готовых деталей не только из ферромагнитных, но из любых металлов и сплавов и для вы­явления макро- и микродефектов, залегающих на значительной глубине (до 10 м). При проверке качества деталей с помощью ультразвуковых дефектоскопов различной конструкции приме­няют ультразвуковые упругие колебания с частотой 10⁴... 10⁷ Гц.

Ультразвуковой дефектоскоп состоит из генератора элек­трических колебаний, пьезоэлектрических щупов излучателей, усилителя электрических колебаний и индикатора (показы­вающего стрелочного прибора или осциллографа). В промыш­ленности применяют ультразвуковые дефектоскопы с непрерыв­ным излучением и импульсные.

В ультразвуковых дефектоскопах с непрерывным излуче­нием (типа УЗД-6) ультразвуковые волны, направленно рас­пространяясь в металле от щупа-излучателя, не проходят через встречающиеся в нем дефекты (внутренние трещины, усадоч­ные раковины или газовые пузыри, расслоения, неметал­лические включения и т. д.), создавая за дефектом область «звуковой тени», что отмечается на индикаторе усилителя. Ко входу усилителя подключен щуп-приемник, расположенный соосно на противоположной стороне изделия. Это позволяет выявить место и глубину залегания дефекта.

В импульсных ультразвуковых дефектоскопах (типа УЗД-7Н) ультразвуковая волна, распространяющаяся в иссле­дуемом материале, при встрече с препятствием в виде дефекта отражается от него. Отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на показывающий индикатор. Импульс­ные дефектоскопы могут работать с одним или с двумя щу­пами, прикладываемыми к изделию только с одной стороны. Это является одним из важных преимуществ импульсных дефектоскопов, позволяющих производить контроль изделия при доступе к нему только с одной стороны в отличие от теневых дефектоскопов.

При помощи ультразвуковой дефектоскопии, кроме опреде­ления макро- и микродефектов, в металлических телах изме­ряют глубину закаленного или цементованного слоя, опреде­ляют внутренние напряжения, модуль упругости, плотность ме­талла и т. д.

Рентгеноскопия (просвечивание) металлов и сплавов осно­вана на способности рентгеновских лучей проходить через оптически непрозрачные среды и предназначены для выявле­ния внутренних дефектов (пористости, трещин, газовых пузы­рей, шлаковых включений и др.). В местах дефектов рентге­новские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта. Рентгеноскопию, как и уль­тразвуковую дефектоскопию, в настоящее время широко при­меняют в промышленности для поточного контроля массовой продукции.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют виды и порядок испытаний для определения проч­ностных характеристик и твердости металлов, их показатели и размер­ности?

2. Виды и порядок испытаний для определения характеристик пластич­ности, ударной вязкости и предела усталости металла.

3. Какие вы знаете виды разрушения металлов и их сущность?

4. Методы исследования и контроля качества металлов, их сущность и области применения.

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

6.1. Напряжения и деформации. Дислокационная теория пластической деформации

Деформация металлов — изменение их формы и размеров без макроразрушения под действием внешней силы. Исходный ме­талл в виде слитка для получения заданной формы и размеров готового изделия подвергается сложной обработке, начиная с обработки давлением. Последняя основана на пластической деформации, которой предшествует упругая деформация.

Если к металлическому телу, один конец которого закреп­лен, приложить внешнюю, например, растягивающую силу, то в теле возникнут внутренние силы, направленные в сторону, противоположную действию внешней силы. Появление в теле внутренних сил необходимо для уравновешивания внешних сил. Взаимно уравновешиваться эти силы могут только при дей­ствии на абсолютно твердые тела. Поскольку таких тел в при­роде нет, то при действии внешней силы металлическое тело испытывает деформацию. Деформация осуществляется до тех пор, пока между внешними и внутренними силами не наступит равновесие.

Внутренние силы могут возникнуть также при различных физических и физико-химических процессах (например, при не­равномерном нагреве), как результат препятствия неравномер­ному изменению формы тела в каком-либо направлении; обычно таким препятствием является целостность деформируемого тела.

Появление в металлическом теле внутренних сил свидетель­ствует о том, что тело находится в напряженном состоянии. Под напряженным состоянием тела понимают состояние вынуж­денного отклонения атомов от положения устойчивого равнове­сия в элементарной кристаллической решетке, вследствие чего атомы стремятся вернуться к своим нормальным положениям.

Металлы могут деформироваться упруго (обратимо) и пла­стически (остаточно, необратимо).

Упругая деформация — это деформация, при которой металл полностью восстанавливает форму и размеры после прекраще­ния действия сил, вызывавших эту деформацию.

При нормальных условиях между атомами металлического тела действуют электростатические уравновешивающие силы притяжения и отталкивания. Такому положению равновесия от­вечает минимум потенциальной энергии кристаллической решётки. Если приложить к телу внешнюю силу, то равновесие внутренних сил нарушается. Для восстановления равновесия

атомы из положений устойчивого равновесия немного смеща­ются в ближайшие положения, не превышающие расстояния между соседними атомами (параметра решетки); при этом по­тенциальная энергия решетки увеличивается. В новом поло­жении атомов также достигается равновесие между внутрен­ними силами притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешней силой—с другой. Как только устраняется внешняя сила, атомы занимают свои прежние места и между силами притяжения и отталкивания атомов вновь восстанавливаются равновесие и прежнее расстояние между атомами.

При одноосном растяжении или сжатии зависимость между относительной упругой деформацией ε и напряжением σ выра­жается законом Гука:

ε = σ /Е, где Е—модуль Юнга.

Упругая деформация сопровождается изменением объема тела. Так, при появлении упругой деформации, например при растяжении, в направлении действия внешней силы в перпен­дикулярном к ней направлении возникает упругая деформация противоположного знака, равная произведению коэффициента Пуассона μ, на величину деформации. Из этого следует, что при вынужденном удалении атомов друг от друга в одном направ­лении в перпендикулярном к нему направлении атомы сбли­жаются.

Упругая деформация характеризуется двумя основными кон­стантами: модулем Юнга и коэффициентом Пуассона. При этом модуль Юнга является показателем, который характеризует сопротивление металла упругой деформации, а коэффициент Пауссона определяет относительное изменение объема металла.

При упругой деформации физико-химические свойства на­пряженного тела будут иными, чем ненапряженного. Так, ме­таллы, будучи подвергнуты упругой деформации, имеют мень­шую электропроводность и значительно большую растворимость, чем те же металлы в ненапряженном состоянии.

При достижении упругой деформацией величины, превышаю­щей предел упругости, наступает пластическая, или остаточная, деформация.

Пластическая деформация — это деформация, при которой металл под действием внешних сил необратимо изменяет, свою форму и размеры, т. е. деформируется без разрушения и сохра­няет новую форму и размеры после прекращения действия сил.

Пластическая деформация состоит в следующем. При при­ложении внешней силы к металлическому телу между отдель­ными кристаллитами (зернами) тела, а также по их кристалло­графическим плоскостям возникают сдвигающие или касательные напряжения. При достижении касательными напряжениями некоторой критической величины, зависящей от природы тела, они могут преодолеть сопротивление металлической связи дан­ного тела и вызвать либо внутренние необратимые перемещения в зернах по кристаллографическим плоскостям, либо пере­мещения зерен друг относительно друга. При этом пластическая деформация

происходит главным образом за счёт внутризёренных перемещений, а перемещения по границам зёрен происходят лишь постольку, поскольку зёрна, меняя форму ( когда перемещаются их части), изменяют своё расположение друг относительно друга.

Рис. 6.1. Микроструктура (Х900) технически чистого железа до деформации (а) и после нее на 9% (б), на 27 % (в) и схемы скольжения (г) и двойникования (б) при пластической деформации.

Установлено, что при преобладании межзёренных смещений пластичность резко снижается и может на­ступить хрупкое разрушение металла.

Смещения в кристаллической решетке зерна осуществляются по определенным плоскостям и направлениям. В зависимости от особенностей этих смещений различают смещения скольжением и двойникованием. Плоскости и направления смещений соответственно принято называть плоскостями и направлениями скольжения и двойникования.

При рассмотрении микроструктуры деформированного чи­стого железа видны темные линии (рис. 6.1,6, в), которые пред­ставляют собой следы плоскостей скольжения (или двойнико­вания).

Рис. 6.1. Cхемы скольжения (г) и двойникования (б) при пластической деформации.

В отдельных зернах следы смещений образуют систему па­раллельных или пересекающихся под определенным углом ли­ний. Рентгеноструктурным анализом установлено, что скольжения в кристаллической решётке происходят по плоскостям и направлениям с наибольшей плотностью расположения атомов. Важной характеристикой этих плоскостей и направлений явля­ется то, что в них скольжение вызывается минимальным каса­тельным напряжением τ_кр. По другим плоскостям и направле­ниям, по которым атомы менее плотно упакованы, для осуществления скольжения надо иметь большую величину каса­тельных напряжений. Нормальное напряжение в процессе скольжения не участвует.

Деформация скольжения происходит тогда, когда в результате действия внешней силы Р на зерно (рис. 6.1, г) по плоско­стям скольжения, ориентированным к направлению силы под углами, отличными от 0 до 90°, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна друг относительно друга. Сдвиги скольжением происходят по тем кристаллографи­ческим плоскостям, в которых касательные напряжения дости­гают критической величины. Обычно эти плоскости расположены под углом, близким к 45° к направлению действия силы. Одновременно со сдвигом части зерен поворачиваются в на­правлении растяжения.

При_деформации двойникованием перемещение частей зерен друг относительно друга под действием касательных напряже­ний сопровождается изменением ориентировки кристалличе­ской решетки. Смещенная часть становится как бы зеркальным отражением неподвижной части кристалла (рис. 6.1,д). Двойникование наблюдается реже, чем скольжением, в частности, оно происходит в случае деформации при повышенных температурах, ударном действии нагрузок и при деформации металлов, имеющих гексагональную решётку. Пластическая деформация металлов осуществляется в основном за счёт скольжения. Двойникование в ряде случаев сопутствует деформации сколь­жением.

Видимые, линии скольжения при пластической деформации металла представляют собой полосы скольжения. Они отстоят одна от другой на расстоянии примерно 1 мкм, а расстояния между соседними атомными плоскостями выражаются величи­ной порядка 10^-4 мкм. Следовательно, в скольжении принимают участие блоки и пачки атомных плоскостей.

Полосы скольжения при пластической деформации нельзя представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой одновременный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни и тысячи раз превышаю­щих напряжения, при которых протекает реальный процесс деформации. Полосы скольжения наблюдаемые на микроструктуре чистого железа представляют собой результат последовательного перемещения атомов в определённой плоскости.

Процесс скольжения представляет собой перемещение дислокаций в кристалле. При сдвиге происходит нарушение ме­таллических связей в каждый данный момент времени только у тех атомов вдоль плоскости скольжения, где имеются раз­личные несовершенства кристаллической решетки (нарушения правильности ее строения).

Несовершенства кристаллической решетки связаны с рядом причины. В реальном кристалле все его частицы (электроны, атомы и ионы) находятся в движении: движутся оторванные от атомов коллективизированные . электроны, обеспечивающие металлическую связь; в колебательном движении около своих средних положений устойчивого равновесия находятся атомы и ионы; время от времени отдельные атомы или ионы отрываются от средних положений и перемещаются по кристаллу, застре­вая где-либо в кристалле и вызывая этим нарушение правиль­ности построения кристаллической решетки, или покидают кристалл (испаряются), оставляя свое место вакантным. Вы­шедший из равновесного положения атом называют промежу­точным, или дислоцированным, а место, оставшееся пустым в узле кристаллической решетки,—вакантным, или «вакан­сией». Процесс движения атомов, ионов и электронов продол­жается непрерывно, а вместе с ними движется и вакантный узел. Одни вакантные узлы, выходя на наружную поверхность или на поверхность какого-либо внутреннего дефекта, исчезают, другие вновь создаются. В результате в каждый данный момент времени в кристалле имеется какое-то количество вакантных мест, или застрявших атомов, вокруг которых возникают несо­вершенства кристаллической решётки .

Другой причиной несовершенства кристаллической решетки является присутствие в металлах примесей. При затвердевании металла из жидкой фазы в кристаллы попадают атомы примесей, которые могут образовывать твердые растворы внедрения или твердые растворы замещения. Атомы примесей (или атомы растворенного компонента) по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного металла и вследствие этого вызывают искажения кристаллической решетки (см.рис. 4.10,в, г).

Кроме того, у границ зерен при кристаллизации и перекри­сталлизации наблюдается, неправильность внешней формы зёрен металла (см. рис. 4.7), а также различие в направлениях отдельных кристаллографических плоскостей в смежных зернах. Это приводит к тому, что пограничный слой на стыке между зернами имеет нарушения правильности взаимного расположения атомов (см. рис. 4.6). Особенностью строения этого пограничного слоя является также и то, что он обычно насыщен примесями и неметаллическими включениями. Это обусловли­вает появление внутренних и внешних поверхностей раздела между отдельными зернами, что вызывает искажение кристал­лической решетки. Количество нарушений правильного строе­ния кристаллической решетки в реальных кристаллах очень ве­лико. Подсчитано, например, что в 1 мм³ алюминия при 300 °С имеется примерно 6-10¹³ вакантных мест и 2-10¹⁷ атомов при­месей кремния в решетке алюминия (при содержании в алю­минии 0,3% Si); в указанном объеме существуют внутренние поверхности раздела по границам 10¹² блоков и внешние по­верхности раздела по границам 10¹³ зерен (линейные размеры зёрен приняты равными 100 мкм).

Рассмотренные и другие виды нарушений строения реального металла создают области искажений кристаллической

решетки, которые приводят к неравномерности протекания в металлах различных процессов, например, деформации.

При приложении деформирующей силы к поликристаллическому телу с несовершенным строением кристаллической ре­шетки в теле возникает одна или несколько плоскостей сколь­жения, вдоль которых перемещается дефект в атомном слое пу­тем передвижения друг за другом атомных рядов (рис. 5.2). В результате сдвигается верхний слой, а с ним и верхняя часть кристалла относительно другого, нижнего слоя на один атом­ный размер. При продолжении действия деформирующей силы обеспечивается перемещение следующего дефекта; при этом, как и ранее, передвигается часть кристалла еще дальше на один атомный размер и т. д.

Рис. 6.2. Схема перемещения атомов при движении дислокации на одно межатомное расстояние

Подвижные дефекты кристаллической решетки, при переме­щении которых происходит смещение частей кристалла друг от­носительно друга, называют дислокациями.

Итак, пластическая внутризеренная деформация осущест­вляется благодаря действию касательных напряжений по опре­деленным плоскостям скольжения за счет последовательного смещения дислокации и атомов на расстояния, значительно пре­вышающие межатомные.

При нагружении поликристаллического тела внешней силой пластическая деформация сначала начинается в отдельных зер­нах с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей сколь­жения относительно направления действия силы, т. е. такой ориентировкой, при которой плоскости скольжения совпадают с площадками действия максимальных касательных напряже­ний, вызываемых внешней силой. По этим плоскостям сколь­жения происходит так называемое легкое скольжение. Сосед­ние зерна с менее благоприятной ориентировкой деформиру­ются только упруго и могут получить относительное смещение или поворот вследствие значительной внутризеренной деформа­ции благоприятно ориентированных зерен.

По мере увеличения деформирующей силы менее благо­приятно ориентированные зерна поворачиваются в направлении действия внешней силы. После стадии единичного (легкого) скольжения начинается стадия множественного скольжения, т. е. движение дислокации в двух и более системах плоскостей скольжения. Касательные напряжения, действующие в менее благоприятных плоскостях скольжения, достигают величины, необходимой для начала пластической деформации этих зерен. Смещения и повороты одних зерен относительно других приво­дят к межкристаллитной деформации. Продолжение действия внешней силы обеспечивает развитие пластической деформации обрабатываемого тела.