Всі метали і металеві сплави - тіла кристалічні, атоми (іони) розташовані в металах закономірно на відміну від аморфних тіл, в яких атоми розташовані хаотично.
Метали (якщо їх отримують звичайним способом) представляють собою полікристалічні тіла, що складаються з великого числа дрібних, різноорієнтованих по відношенню один до одного кристалів.
У процесі кристалізації вони набувають неправильну форму і називаються кристаллитами, або зернами.
властивості металів
Метали в твердому і частково в рідкому стані мають ряд характерних властивостей:
- високими теплопровідністю і електричну провідність; позитивним температурним коефіцієнтом електричного опору; з підвищенням температури електричний опір чистих металів зростає; велике число металів (близько 30) володіє надпровідністю (у цих металів при температурі, близькій до абсолютного нуля, електричний опір падає стрибкоподібно, практично до нуля);
- термоелектронної емісією, т. е. здатністю випускати електрони при нагріванні;
- хорошою відбивною здатністю: метали непрозорі і мають металевим блиском;
- підвищеною здатністю до пластичної деформації . Наявність цих властивостей і характеризує так зване металеве стан речовин.
Чисті метали в звичайному структурному стані володіють низькою міцністю і не забезпечують у багатьох випадках необхідних властивостей, тому вони застосовуються порівняно рідко. Найбільш широко використовуються сплави. Сплави отримують сплавом або спіканням порошків двох або більше металів або металів з неметалами. Вони мають характерні властивості, притаманні металевому стану. Хімічні елементи, що утворюють сплав, називають компонентами. Сплав може складатися з двох або більшого числа компонентів.
У металознавстві широко використовуються поняття «система», «фаза», «структура». Сукупність фаз, що знаходяться в стані рівноваги у називають системою. Фазою називають однорідні
Мал. 1. Макроструктура зламу злитка цинку (а), злитка міді (б) і деформованої сталі (в)
(Гомогенні) складові частини системи, що мають однаковий склад, кристалічну будову і властивості, одне і те ж агрегатний стан і відокремлені від складових частин поверхнями розділу. Під структурою розуміють форму, розміри і характер взаємного розташування відповідних фаз в металах і сплавах.
структурні складові
Структурними складовими сплаву називають відокремлені частини сплаву, мають однакову будову з притаманними їм характерними особливостями.
Розрізняють макроструктуру ( будова металу або сплаву, видиме неозброєним оком або при невеликому збільшенні в 30-40 разів) і мікроструктуру (будова металу або сплаву, що спостерігається за допомогою мікроскопа при великих збільшеннях).
Макроструктуру досліджують на спеціальних макрошліфах (Темплете). Для приготування макрошліфов зразки вирізають з великих заготовок (злитків, поковок і т. Д.) Або виробів, поверхня яких шліфують, полірують, а потім піддають травленню спеціальними реактивами.
При дослідженні макрошліфов можна виявити форму і розташування зерен в литому металі (рис. 1, а, б); волокна (деформовані
Мал. 2. Мікроструктура заліза (а) і стали з 0,8% С (б, в): а - х250; б - х300; в - електронна мікрофотографія, х5000
кристалітів) в поковках і штампових заготовках (рис. 1, в), дефекти, що порушують суцільність металу (усадкову рихлість, газові бульбашки, раковини, тріщини і т. д.); хімічну неоднорідність сплаву, викликану процесом кристалізації або створену термічної або хіміко-термічної ( цементація , Азотування і т. Д.) Обробкою.
мікроструктура
Мікроструктура показує (рис. 2, а, б) розмір і форму зерен, взаємне розташування фаз, їх форму і розміри.
Для визначення мікроструктури з досліджуваного металу виготовляють мікрошліф, т. Е. Невеликий зразок, одну з площин якого ретельно шліфують, полірують і піддають травленню спеціальними реактивами.
Мікроструктуру металів спостерігають в мікроскопі - оптичному або електронному.
Роздільна здатність оптичного мікроскопа, т. Е. Мінімальна величина об'єкта (деталі структури), яка помітна з його допомогою, не перевищує 0,2 мкм (200 нм). Корисне збільшення в оптичному мікроскопі досягає приблизно 2000 разів. Застосування великих збільшень марно, так як нові, більш дрібні деталі структури не стають видимими, змінюється тільки масштаб зображення, оскільки дозволяє здатність, обумовлена хвильової природою світла, не змінюється.
Роздільна здатність електронних мікроскопів значно вище оптичних. Використання електронних променів, що володіють дуже малою довжиною хвилі ((0,04 - 0,12) 10-1 нм), дає можливість розрізняти деталі досліджуваного об'єкта розміром до 0,2-0,5 нм.
Мал. 3. мікростроенія внутрізеренного в'язкого зламу, X тисячі
Найбільшого поширення знайшли просвічують електронні мікроскопи ПЕМ, в яких потік електронів проходить через досліджуваний об'єкт, що представляє собою тонку фольгу. Отримується зображення є результатом неоднакового розсіювання електронів на об'єкті.
Прилади для досліджень
ПЕМ дозволяє детально вивчати субструктуру металу. Одне з найбільш важливих досягнень електронної мікроскопії - можливість прямого спостереження дефектів кристалічної структури. На рис. 2, в показана мікроструктура, отримана за допомогою електронного мікроскопа.
Дуже велике застосування отримали растрові електронні мікроскопи (РЕМ), в яких зображення створюється завдяки вторинної емісії електронів, випромінюваних поверхнею, на яку падає безперервно переміщається по цій поверхні потік первинних електронів.
Растровий мікроскоп дозволяє вивчати безпосередньо поверхню металу, проте він має меншу роздільну здатність (25-30 нм), ніж трансмісійний електронний мікроскоп.
В останні роки для оцінки металургійного якості металу, закономірностей процесу руйнування, впливу структурних, технологічних та інших факторів на руйнування широко застосовують методи фрактографіі - області знання про будову зламів.
руйнування металу
Під зламом розуміють поверхню, що утворюється в результаті руйнування металу. Вид зламу визначається умовами навантаження, кристаллографическим будовою і мікроструктурою металу (сплаву), що формується технологією його виплавки, обробки тиском , Термічної обробки, температурою і середовищем, в яких працює конструкція.
Злами вивчають на макро- і мікрорівні (при збільшеннях до 50 тис. Разів і вище). Метод візуального вивчення зламів, а також за допомогою світлового мікроскопа при невеликих збільшеннях називається фрактографіей. Дослідження особливостей тонкої структури зламів під електронним або растровим мікроскопом носить назву мікрофрактографіі (рис. 3).
Для вивчення атомно-кристалічної будови застосовують рентгеноструктурний аналіз. Він заснований на дифракції рентгенівських променів з дуже малою довжиною хвилі (0,02-0,2 нм) рядами атомів в кристалічному тілі. Для цієї мети крім рентгенівських променів використовують електрони і нейтрони, які також дають дифракційні картини при взаємодії з іонами (атомами) металу.
У металознавстві все ширше застосовують метод рентгеноспектрального мікроаналізу (РСМА) для вивчення розподілу домішок і спеціально введених елементів в сплавах. Метод РСМА визначає хімічний склад мікрообластей на металографічному шлифе, при цьому досягається дозвіл порядку мікрометрів .
Для вивчення металів і сплавів нерідко використовують фізичні методи дослідження (теплові, об'ємні, електричні, магнітні). В основу цих досліджень покладено взаємозв'язку між змінами фізичних властивостей і процесами, що відбуваються в металах і сплавах при їх обробці або в результаті тих чи інших впливів (термічних, механічних і ін.). Найбільш часто застосовують диференційний термічний аналіз (побудова кривих охолодження в координатах температура - час) й дилатометрічні методу заснований на зміні обсягу при фазових перетвореннях. Для феромагнітних матеріалів застосовується магнітний аналіз.