Практична робота № 1
Тема
Дослідження будови металів
Мета роботи
Ознайомитися з методами дослідження будови металів.
Виконання роботи
а) Макроскопічний аналіз
макроструктури називають будову металу, видиме без збільшення або при невеликому збільшенні (до 10-30 раз) за допомогою лупи. Макроструктуру можна досліджувати безпосередньо на поверхні металу (наприклад, відливок, поковок), в зламі або на макрошліфах.
Злам. Найбільш простим методом виявлення будови металу є вивчення зламу. На відміну від аморфного тіла метали мають зернистий (кристалічний) злам (рис. 1, а). В більшості випадків, чим дрібніше зерно в зламі, тим вище механічні властивості металу. За зламу можна судити про розмір зерна, особливості лиття та термічної обробки, а також виявити окремі дефекти.
Рис. 1. Макроструктура:
а) - Злам злитка сурми; б) - макроструктура зварного з'єднання
макрошліфах називають поверхню зразка (деталі), підготовлену для дослідження макроструктури. Зразки, звані Темплете, вирізують з великих заготовок (злитків, прокату), а дрібні і середніх розмірів деталі розрізають в певному місці і в певній площині. Поверхня зразка (деталі) шліфують і піддають травленню кислотами або спеціальними реактивами, що дозволяє виявити, наприклад, дефекти, що порушують суцільність металу (міхури, тріщини, раковини і ін), неоднорідність будови, створену обробкою тиском (полосчатость), будова литого металу, зварного з'єднання (рис.1, б) і ін
б) Мікроскопічний аналіз
Мікроскопічний аналіз (мікроаналіз) застосовують для визначення форми і розмірів зерен, з яких складається метал або сплав; виявлення змін внутрішньої будови сплаву, що відбуваються під впливом різних режимів обробки; виявлення мікропороков металу - мікротріщин, раковин і т. п.; виявлення неметалічних включень - сульфідів, оксидів і ін
Підготовлена ​​для дослідження під мікроскопом поверхню зразка називається мікрошліфів.
Для мікроаналізу з досліджуваного матеріалу вирізають зразок, поверхня його піддають шліфуванню, поліруванню, труїть і потім розглядають у металографічний мікроскоп.
Шліфування поверхні вручну або на спеціальних шліфувальних верстатах починають на шкірці з найбільш великим абразивним зерном, потім поступово переходять до шліфування на шкірці з більш дрібним абразивним зерном, після чого поверхню зразка полірують.
Рис. 2. Схема, що пояснюють видимість меж зерен під мікроскопом (а), і мікро структура металу з ясним обрисом границь зерен (б).
Полірування проводять на спеціальні полірувальні верстаті на обертовому колі, обтягнутому сукном, змочують полировальной рідиною - водою зі зваженими в ній частками окису хрому або алюмінію.
Оброблювана поверхня зразка виходить блискуче дзеркальною. Але отримана поверхня не дозволяє судити про будову металу (сплаву); тільки неметалеві включення і мікродефекти виявляються на світлому фоні полірованої поверхні зразка.
Для виявлення мікроструктури поліровану поверхню зразка піддають травленню, тобто дії розчинів кислот, лугів, солей. Різні складові структури розчиняються з різною швидкістю і тому одні витравляти більше, а інші - менше. При освітленні мікрошліфів на мікроскопі промені світла по-різному відбиваються від різно Протрави структурних складових. Місця, протравлені сильніше, більше розсіюють відбиті промені, тому в об'єктиві мікроскопа вони виходять більш темними.
На рис. 2 показано, що внаслідок більш сильного травлення границь зерен промені, що падають на ці місця, відображаються в сторони, не потрапляють в об'єктив мікроскопа і тому границі зерен здаються темними. Для дослідження структури металів і сплавів застосовують мікроскопи відбитого світла, звані металографічними.
Оптична схема металографічного мікроскопа показана на рис.3. Промені від освітлювача (електричної лампочки) 1, заломлюючись призмою 2, проходять через об'єктив 3, відбиваються від мікрошліфів 4, знову проходять через об'єктив 3, заломлюються призмою 5 і через окулятор 6 потрапляють в очей спостерігача. Збільшення мікроскопа дорівнює добутку збільшень об'єктива і окуляра. Мікроскопи дають збільшення до 1500 - 2000 раз.
Набагато більше збільшення - до 200 000 разів дає електронний мікроскоп (рис. 4), що працює за схемою проходять електронних променів. Замість скляних лінз в електронному мікроскопі встановлені електромагнітні лінзи, преломляющие електронні промені. Джерелом електронів служить розпечена вольфрамова нитка.
Рис. 3. Схема оптичної системи металографічного мікроскопа
1 - освітлювач; 2 - призма; 3 - об'єктив; 4 - мікрошліфів;
5 - призма; 6 - окуляр;
Рис. 4 Схема пристрою електронного мікроскопа просвітчастого типу: 1 - джерело електронів; 2 - конденсорних лінз; 3 - об'єкт; 4 - об'єктивна лінза; 5 - проміжне зображення; 6 - проекційна лінза; 7 - кінцеве зображення.
Електронний мікроскоп призначений для дослідження об'єктів в проходять електронних променях, тому предмет дослідження повинен бути дуже тонким. При дослідженні звичайних металографічних зразків з допомогою електронного мікроскопа широко використовується метод реплік (оксидних, лакових, кварцових, вугільних), що відтворюють і пропускають електронні промені.
Репліки готують одноступінчатими (одержання репліки безпосередньо на мікрошліфів) і двоступінчастими способами (одержання репліки, що копіює рельєф поверхні репліки, отриманої одноступінчатим способом). Широко поширений метод вуглецевих реплік, володіє більшою точністю в порівнянні з іншими репліками.
Останнім часом під електронним мікроскопом більш часто вивчають тонкі плівки досліджуваних металів і сплавів, прозорих для електронів. Такі плівки готують хімічними і електрохімічними способами розчинення зразків.
На електронній мікрофотографії видно такі деталі структури, які не виявляються при спостереженні в оптичному мікроскопі (рис. 5).
Рис. 5 Структура титанового сплаву:
а) - оптична мікрофотографія, Г— 500; б) - електронна мікрофотографія, Г— 10000.
в) Метод радіоактивних ізотопів
Метод радіоактивних ізотопів заснований на тому, що атоми введених в метал радіоактивних ізотопів зазнають радіоактивне перетворення, що супроводжується випромінюванням, яке легко виявити. Таким чином, атоми радіоактивних ізотопів виділяються з безлічі інших атомів, т. е. вони як би помічені, і тому цей метод називають іноді методом мічених атомів.
Радіоактивні (мічені) атоми у всіх процесах, протікають в металі, поводяться так само, як і нерадіоактивні. Тому вони дозволяють простежити за процесами, що відбуваються в металах при їх виготовленні та обробці. Наприклад, для вивчення характеру розподілу елементів при кристалізації в металі в нього при виплавці вводять певна кількість радіоактивного ізотопу того елемента, розподіл якого вивчають. Виготовлений з цього металу мікрошіф приводять у контакт з емульсією фотоплівки.
Випромінювання радіоактивних ізотопів діє на фотоплівку, як і світло. Після фотографічної обробки виходить негатив, який за допомогою мікроскопа збільшують і отримують мікрорадіограмму (рис. 6). Широке поширення за допомогою мічених атомів отримали методи вивчення процесів дифузії в сплавах.
Рис. 6. Мікрорадіограмма (а) і мікроструктура (6) молібдену, містить радіоактивний вольфрам; X 50
г) Рентгеноструктурний аналіз
Рентгеноструктурний аналіз застосовують для дослідження внутрішньої будови кристалів, тобто розташування атомів в кристалічній решітці. Для цього використовують рентгенівські промені, що утворюються в рентгенівській трубці при гальмуванні бистродвіжущихся електронів на її аноді.
Рентгенівські промені являють собою електромагнітні коливання з дуже малою довжиною хвилі - від 0,2 до 0,0005 Нм (від 2 до 0,005 А).
Направляючи рентгенівські промені на досліджуваний об'єкт (кристал) і фіксуючи на фото плівці виникають відбиття від кристалографічних площин, отримують рентгенограми (рис. 7), по яким розраховують порядок розташування атомів у металі і визначають тип кристалічної решітки.
Рис. 7. Рентгенограма металу
