Металловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи

Погодин-Алексеев Г.И. и др.

ОБОРОНГИЗ, 1950 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯМЕТАЛЛОВ

В результате развития металловедения — науки о строении и свойствах металлов, созданной трудами П. П. Аносова, Д. К. Чернова. Н. С. Курнакова и многих других,— разработана теория строения сплавов и созданы многочисленные сплавы, широко применяемые в промышленности.

Разработка новых сплавов и новых совершенных методов обработки для получения более высоких свойств существующих сплавов требует исследования структуры и превращений в сплавах, так как свойства сплавов зависят не только от их химического состава, но и от структуры и характера протекающих в них превращений.

Для изучения структуры и превращений применяются разнообразные методы исследования.

Одни из них, называемые структурными методами, позволяют определять структуру металлов и отдельные элементы структуры, имеющие размеры от видимых невооруженным глазом вплоть до межатомных расстояний. По изменению структуры сплавов можно изучать превращения, происходящие в сплавах при изменении их химического состава и условий обработки. К структурным методам исследования относятся: макроскопический, микроскопический и рентгеновский анализ.

Другие методы исследования металлов позволяют или непосредственно, по тепловому эффекту превращения, определять температуры, при которых происходят превращения (термический анализ), или характеризовать тип и условия превращения и структуру сплава по изменению его физических свойств (методы определения электрического сопротивления, магнитных свойств, объемных изменений) или механических свойств (механические испытания).

Каждый из перечисленных методов позволяет получить необходимые и важные данные о структуре и свойствах изучаемых сплавов, но вместе с тем не всегда может дать полную характеристику изучаемого сплава и условий его обработки. Поэтому при заводских испытаниях и исследованиях обычно применяют не один, а несколько методов анализа, которые, таким образом, не исключают, а дополняют друг друга при оценке сложной природы и строения металлических сплавов.

Действительно, исследование металлической детали невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (методы макроанализа) позволяет часто ответить на весьма важный вопрос о том, как была изготовлена деталь (например, литьем или, кроме того, обработкой давлением), определить, имеются ли в металле такие серьезные дефекты, как трещины, пустоты и раковины, указать, как распределены вредные примеои по сечению детали и т. д. Однако при дальнейшем исследовании металла способом микроанализа, т. е. при значительно больших увеличениях под микроскопом, обнаруживается структура металла (микроструктура), т. е. новые детали его строения. Наблюдение микроструктуры позволяет судить в большинстве случаев об особенностях превращений, совершающихся в сплавах, поскольку многие превращения сопровождаются весьма отчетливыми изменениями структуры. Так как между микроструктурой металла и его многими физическими и механическими свойствами, как показал Н. С. Курнаков, существует определенная зависимость, можно по структуре металла, наблюдаемой в микроскоп, качественно судить о многих его свойствах и о причинах, вызывающих их изменение.

Однако в некоторых сплавах (например, в дуралюмине после старения) микроанализом, даже при больших увеличениях, нельзя обнаружить фазы, выделившиеся при обработке сплава, вследствие их значительной измельченности; в таких случаях микроанализ не характеризует достаточно полно особенностей структуры сплава.

Дальнейшие данные о строении металлов дает рентгеновский анализ, позволяющий определить размещение атомов в кристалле и механизм атомных перемещений в процессе превращений и глубже изучить, природу сплавов. С помощью рентгеновского анализа можно* также определить природу тех или иных фаз и структур, имеющихся в сплавах. Так, например, микроструктура твердых растворов, наблюдаемая в микроскоп, не отличается от микроструктуры чистых металлов, а рентгеновский анализ позволяет не только установить отличия между ними,, но и определить тип и природу твердого раствора.

Особое место в изучении природы металлов начинают занимать исследования с помощью электронного микроскопа, являющегося достижением последних лет. Электронный микроскоп позволяет обнаружить-элементы структуры, имеющие величину, слишком малую для микроанализа и слишком большую для рентгеновского анализ?.

Изучение физических и механических свойств также значительно расширяет знания о природе металлов. Во-первых, эти методы дают не только качественную, но и количественную оценку свойств металлов, позволяя определить, в какой степени изменяются в нужном для техники направлении свойства сплава при изменении его химического состава, структуры, условий обработки и т. д. Во-вторых, эти методы позволяют определить превращения в сплавах, которые часто не могут быть достаточно четко обнаружены другими методами исследования металлов.

Применение не одного, а нескольких методов анализа позволяет вместе с тем не только более полно, но и более надежно определять превращения, структуру и свойства сплава.

Выбор определенных методов исследования металлов производят как в зависимости от целей исследования, так и от чувствительности каждого метода и величины изменения того или иного свойства изучаемого сплава.

Обычно стремятся применить метод, основанный на определении, свойств, наиболее резко изменяющихся при превращении сплава. В ряде случаев выбор соответствующего метода определяется также характером самого превращения. Так, например, при исследовании процесса кристаллизациижидкого сплава лучшие результаты дает термический анализ, определяющий изменения температуры охлаждаемого сплава. Процесс кристаллизации из жидкости сопровождается значительным тепловым эффектом, что повышает надежность результатов, получаемых при термическом анализе. Использование для изучения процесса кристаллизации жидкого металла методов, основанных на измерении других свойств металла, оказывается практически неудобным, даже в случаях, когда величина изменения этих свойств также весьма значительна. В то же время при превращениях в твердом состоянии тепловой эффект бывает незначительным, а изменение других свойств, например, объема металла, особенно стали при закалке (вызывающей превращение аустенита в мартенсит), оказывается более заметным. В таких случаях целесообразно изучать металл по изменению его объема или длины (дилатометрический метод).

Рентгеновский анализ при всей его ценности для изучения природы сплава не дает необходимых результатов, например, при исследовании начальных стадий распада твердых растворов. В этом случае более чувствительны методы, основанные на измерении физических свойств, так как электросопротивление или магнитные свойства заметно изменяются уже в начальной стадии распада твердого раствора. Так, например, старение технического железа сопровождается резким изменением физических и механических свойств, что указывает на протекание процессов распада твердого раствора; в то же время рентгеновский анализ и другие структурные методы исследования не отмечают изменений в структуре технического железа при старении.

В следующих главах рассматриваются основные методы исследования металлов (кроме рентгеновского, который не включен в программу курса металловедения). Из числа механических испытаний более подробно рассматриваются способы измерения твердости, так как они более часто используются в лабораторных работах по курсу металловедения.

Глава I ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

§ 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Термический анализ заключается в определении температур превращений на основании наблюдений за изменением температуры чистого металла или сплава в процессе нагрева или охлаждения.

Термический анализ является одним из важнейших способов исследования металлов. Применение термического анализа и его широкое использование для изучения превращений в металлах основано на работах Д. К. Чернова и Н. С. Курнакова.

Любое превращение, происходящее в металле, в том числе плавление при нагревании (кристаллизация при охлаждении) или переход металла в твердом состоянии из одной формы кристаллического строения в другую, или растворение избыточной фазы (выделение из твердого раствора), сопровождается выделением или поглощением тепла. Тем самым нарушается непрерывность возрастания температуры металла при его нагреве или понижения при охлаждении.

Это нарушение непрерывности отчетливо наблюдается, если показывать изменение температуры металла в зависимости от факторов, характеризующих условия его нагрева или охлаждения. В качестве таких факторов выбирают обычно время охлаждения (или нагрева) металла и реже — скорость его охлаждения (или нагрева).

На фиг. 1 показаны «кривые» нагрева и охлаждения, построенные в координатах «температура время нагрева (или охлаждения)». В интервалах температур, где превращения отсутствуют, не наблюдается нарушения непрерывности изменения температуры, хотя наклон кривых может быть различным в зависимости от условий охлаждения (или нагрева), а также массы и природы' металла. Но ход кривых нагрева или охлаждения оказывается принципиально отличным в интервалах температур, при которых металл имеет превращения. Вследствие теплового эффекта, вызванного превращением, на кривых появляются горизонтальные участки или перегибы \

Появление горизонтального участка указывает, что превращение протекает при постоянной температуре, тогда как перегибы кривой наблюдаются в том случае, если превращение происходит в интервале температур ². Поэтому кривые охлаждения (или нагрева) характеризуют температуру и особенности превращения.

Величина теплового эффекта зависит от природы изучаемого металла, особенностей данного превращения, а также условий, в которых происходит превращение и, в частности, от массы металла и скорости охлаждения

(или нагрева).