Металловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи

Раздел ГРНТИ: Металловедение
Погодин-Алексеев Г.И. и др.
ОБОРОНГИЗ, 1950 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Металловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи
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 кристаллизации жидкого 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).                                                  
Превращения, происходящие при расплавлении металла (при его кристаллизации из жидкости), обычно характеризуются большим тепловым эффектом, чем превращения в твердом состоянии (аллотропические и другие превращения); это показывают, например, данные, приведенные в табл. 1 для некоторых металлов.
Поэтому термический анализ дает наиболее надежные результаты при определении   превращений,   происходящих при кристаллизации
(плавлении) металлов.
Поскольку тепловой эффект превращений, происходящих в твердом состоянии, имеет меньшие величины, необходимо во многих случаях использовать для характеристики этих превращений более чувствитель­ный метод термического анализа, а именно дифференциальный термический анализ, а для изучения превращений, протекаю­щих с весьма небольшим тепловым эффектом (например, при закалке и отпуске стали),— другие методы физико-химического анализа (изме­рение электросопротивления, магнитных свойств и т. п.).
При дифференциальном термическом анализе наряду с температу­рой нагрева (или охлаждения) металла определяют также разность между температурой специально нагреваемого металла—эталона, не имеющего превращений, и температурой исследуемого металла, имею­щего превращения. Таким образом при дифференциальном анализе одновременно нагревают два образца: эталон и исследуемый металл.
Если исследуемый металл не имеет превращений в определен­ном интервале температур, то изменение температур обоих образцов-
протекает непрерывно и одинаково. Разность температур между ними воз­никает лишь при достижении темпе­ратуры или интервала температур, при котором в исследуемом металле про­исходят превращения. Эта разность температур . сравнительно невелика и не превышает нескольких градусов. Следовательно, для определения этой разности нужно применять приборы, фиксирующие небольшие изменения температур и являющиеся более чув­ствительными, чем приборы, которые при обычном термическом анализе должны определять изменения темпе­ратуры на несколько сот градусов при нагреве или охлаждении.
Результаты дифференциального термического анализа характеризуют­ся кривыми (фиг. 2), которые строят в координатах «разность температур между эталоном и изучаемым образ­цом — время». В момент превращения разность температур резко воз­растает.
Одновременно с помощью другого прибора записываются абсолют­ные значения температур нагрева (охлаждения) изучаемого металла.