Это слабые растворы кислот или солей. Их применяют для выявления ликвации, крупной пористости, толщины закаленного или цементованного слоя, определения качества сварных швов, Для поверхностного травления сталей часто применяют реактивы, содержащие ионы меди. Чаще всего применяют реактив состава: 85 г СuCl и 50 г NH4CI на 1000 мл воды. Макрошлиф протирают смоченной в спирте ватой и погружают на 30-50 с в раствор. При этом происходит обменная реакция, по которой железо вытесняет ионы меди из водного раствора. Медь оседает на поверхности. На участках, недостаточно защищенных медью (поры, раковины, трещины, неметаллические включения), происходят травление. Макрошлиф вынимают из раствора, снимают ватой под струей воды слой меди и просушивают. Этот реактив широко применяют для определения качества сварных швов, ликвации углерода и фосфора в стали. В участках, обогащенных углеродом и фосфором, медь выделяется менее интенсивно и поэтому меньше защищает поверхность металла от травящего действия реактива. Эти участки оказываются более темными. С помощью этого реактива хорошо выделяется также волокнистость в деформированном металле. В этом случае макрошлиф изготавливают в продольном направлении. Неметаллические включения в стали (сульфиды, оксиды, шлаки и ликвационные участки при обработке давлением, прокатке, ковке, штамповке) вытягиваются вдоль направления деформации, образуя характерную продольную волокнистость. Эти участки имеют повышенную травимость и хорошо выявляются при травлении реактивом, содержащим 85 г СuCI и 53 г NH4CIна 1000 мл воды.
Расположение волокон может повторять конфигурацию изделия полученного ковкой, штамповкой (рисунок 1,б) и волокна могут быть перерезаны при изготовлении детали механической обработкой (рисунок 1,в). В последнем случае конструктивная прочность детали будет ниже.
Для выявления ликвации серы - одной из наиболее вредных примесей в стали, применяют поверхностное травление по способу Баумана. Сущность способа заключается в следующем; на зачищенную поверхность стального шлифа накладывают эмульсионным слоем вниз бромосеребряную фотобумагу, предварительно смоченную в 5-процентном водном растворе серной кислоты. Для того, чтобы между поверхностью шлифа и фотобумагой не образовывались пузыри воздуха, бумагу приглаживают валиком или пальцем, не допуская при этом смещения бумаги. Через 2-3 минуты фотобумагу осторожно снимают, промывают водой и закрепляют в закрепителе (гипосульфите), после чего вновь промывают водой и просушивают. Фотобумага в местах скопления серы будет окрашена в темно-коричневый цвет. Это объясняется там, что серная кислота, впитанная фотобумагой, взаимодействует с FeS и Mп5 до реакциям:
FeS+H2SO4=FeSO4+H2S
MnS+H2SO4=MnSO4+H2S
Сероводород взаимодействует с бромистым серебром эмульсионного слоя фотобумаги, образуя сернистое серебро, которое имеет темный цвет
2AgBr+H2S=2HBr+AgS
Метод серных отпечатков можно использовать и для выявления полосчатоста (волокнистости) в деформированном металле, так как сернистые соединения участвуют в образовании полосчатой структуры, вытягиваясь в направлении деформации.
Рисунок 1. Эскизы макроструктур:
а- литой стали (поперечное сечение);
б – заготовки, полученной ковкой;
в – заготовки, полученной механической обработкой
Рисунок 2.Схемы ориентации зерен (а) и
блоков (субзерен) (б) в металле
Оценка макроструктуры
При исследовании макрошлифа можно определить:
1. Строение медлила или сплава в литом состоянии (зернистое, дендритное, наличие и характер распределения зон кристаллизации усадочных раковин и рыхлостей, пузырей, трещин и т.п.).
2. Химическую неоднородность (ликвацию), получаемую в процессе кристаллизации(в частности, ликвацию серы, фосфора и углерода в стальных слитках).
3. Строение металла после горячей или холодной обработки металлов давлением (ковка, штамповка, прокатка).
4. Структурную неоднородность, вызванную термической или химико-термической обработкой: глубину закаленного слоя, глубину закаленного слоя в т.п.
При контроле металла оценку макроструктуры темплетов проводят визуально, сравнивая ее с эталонами шкал макроструктуры (ГОСТ 10243). В
этом стандарте имеются 10 шкал, иллюстрирующих различные виды дефектов. Каждая шкала состоит из пяти баллов. С увеличением размера и количества дефектов балл возрастает. Величину дефектов оценивают целыми баллами (2,0; 3,0, и т.д.) и половиной балла (1,5; 2,5 и т.д.). Если дефекты отсутствуют, то проставляется балл 0. Если в макроструктуре имеются дефекты нескольких видов, то оценка каждого вида дефекта производится отдельно.
Оценку макроструктуры можно проводить и по фотографиям, выполненным в натуральную величину или с указанием масштаба.
Если первичный контроль макроструктуры дал неудовлетворительные результаты можно проводить повторное испытание на удвоенном количестве проб.
Виды дефектов, которые оценивают по шкалам, приводятся ниже.
1. Центральная пористость - мелкие пустоты, не заварившиеся при горячей деформации слитка. Пористость имеет вид мелких или крупных темных точек - пор.
2. Ликвация - неоднородность металла по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям. По шкалам оценивается четыре вида ликвидации - точечная, пятнистая, ликвационный квадрат или круг, подусадочная:
а) точечная ликвация выявляется в виде мелких, округлых сильно травящихся точек, расположенных по всему сечению, кроме краевой зоны;
б) пятнистая ликвация - общая и краевая - выявляется в виде отдельных темных пятен различных размеров и формы. Общая пятнистая ликвация - это беспорядочно расположенные по сечению пятна. При краевой пятнистой ликвации пятна ориентированы вдоль граней темплета;
в) ликвационный квадрат или круг выявляется в виде узкой полосы, которая травится сильнее остального металла;
г) подусадочная ликвация выявляется в виде темных легко растравливающихся участков в центре заготовок.
3. Подкорковые пузыри имеют на шлифе вид мелких пустот - пор округлой или овальной формы, расположенных вблизи или на поверхности заготовок.
4. Межкристаллитные трещины (паучки) выявляются в виде трех и более тонких извилистых полосок направленных от оси заготовки в стороны.
5. Послойная кристаллизация - чередующиеся сдои металла в виде концентрических светлых иди темных полос.
6. Светлая полоска (контур)- разновидность послойной кристаллизации. Этот дефект выявляется в виде сравнительно яркой концентрической полоски пониженной травимости.
При контроле макроструктуры металла могут быть выявлены различные дефекты. При правильной идентификации и оценив многих характерных видов дефектов в ГОСТ 10243 (СТСЭВ 2837) даны стандартные шкалы.
Микроструктурный анализ
Микроструктурный анализ заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях с помощью микроскоповнаспециально приготовленных образцах (микрошлифах).
Микроскопический анализ металлов впервые применил в 1831 году выдающийся русский металлург П.П.Аносов. Микроанализ позволяет определить величину и форму зерен, выяснить структуру и установить соотношение структурных составляющих, расположение фаз, обнаружить мельчайшие пороки, такие как неметаллические включения, микротрещины. По микроструктуре можно выявить способ изготовления и термообработку деталей.
Все металлы представляют собой поликристаллические вещества, т.е. состоят из множества мелких (10-1 – 10-5 см) кристалликов неправильной форма. Эти кристаллики называются кристаллитами или зернами (рисунок 2,а). Зерна металла имеют различную ориентацию в пространстве. Сами зерна состоят из еще меньших совсем мало разориентированных участков - блоков и фрагментов (субзерен) о размером 10-5 - 10-3 см) (рисунок 2,б).
Сплавы получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие совав, называют компонентами. Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов.
Строение (структура) металлов и сплавов, изучаемое примикроанализе, называется микроструктурой.
Микроструктура представляет собой порядок расположения видимых под микроскопом фазовых в структурных составляющих. Совокупность фаз, находящихся в равновесии, называется системой.
Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от остальных частей поверхностями раздела. Например, однородный чистый металл или сплав является однофазной системой. Состояние, когда одновременно присутствуют жидкий сплав и кристаллы, будет представлять двухфазную систему.
Под структурными составляющими понимают обособленные части сплава (структурные элементы) имеющие при рассмотрении под микроскопом однообразное строение с присущими им характерными свойствами и особенностями. Структурные составляющие могут иметь 1,2 фазы и более.
Микроструктуру металлов и сплавов наблюдают в микроскопе - оптическом или электронном.
Разрешающая способность оптического микроскопа, т.е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различила с его помощью не превышает 0,2 мкм (2000 А). Полезное увеличение оптическом микроскопе достигает 2000 раз. Применение больших увеличений бесполезно, так как при этом не становятся видимыми новые более мелкие детали структуры, а меняется только масштаб изображения, так как разрешающая способность, определяемая волновой природой света, не меняется.
Для изучения микроструктуры широко применяют электронные микроскопы, разрешающая способность которых значительно выше. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны (0,04 - 0,12) 10-8 см, дает возможность различать детали изучаемого объекта размерами до 2-5 А, т.е. по своим размерам соответствующие межатомным расстояниям.
Электронный микроскоп позволяет подробно изучать тонкую структуру (субструктуру) металла. Одно из наиболее важных достижений электронной микроскопии - возможность прямого наблюдения дефектов кристаллической структуры. В электронном микроскопе (для предупреждения вторичного излучения, искажающего наблюдаемую картину) часто изучают не металл, а лаковый, кварцевый или, более часто, угольный слепок (или реплику), полученный с поверхности протравленного шлифа (или излома) и воспроизводящий детали его рельефа, обусловленные действительной структурой металла.
Широко применяют и прямой метод исследования на просвет. В этом случае исследуют прозрачные для электронов тонкие пленки толщиной — 102 А, приготовленные из массивных образцов.
В последние годы все шире применяют растровые электронные микроскопы, в которых изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещавшийся по этой поверхности поток первичных электронов.
Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно поверхность (излом) металла, однако разрешающая способность его меньше (250-300 А) чем просвечивающего электронного микроскопа.
Следующим поколением электронных микроскопов применяемых в металлографическом анализе стали применять для изучения наноструктур, так называемые сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) и сканирующие зондовые микроскопы, среди которых можно отметить сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), атомарный силовой микроскоп (АСМ), сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (СОМБП) и.т.д. Так, при использовании сканирующего туннельного микроскопа можно наблюдать положение отдельных атомов, т.е. работать с точностью до нескольких ангетрем (1А°=10-10м), которая на сегодняшний день является максимальной для всех существующих научных и технических методик.
Указанные выше электронные микроскопы в настоящее время широко используются при изучении наноструктур и наноматериалов, получаемых с применением нанотехнологий.
В Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года, одобренной в основном Правительством Российской Федерации (18 ноября 2004 года) используются следующие термины:
· нанотехнология- совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемых образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;
· наноматериалы- материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры, которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
· наносистемная техника- полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
· «наноиндустрия»- вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.
Актуальность и важность указанных работ определили возможность включения научных направлений, связанных с нанотехноллогиями, в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом Российской Федерации.