Методы исследования структуры металлов и сплавов Внутреннее строение, или структуру, металлов и их дефекты изучают с помощью макроструктурного, микроструктурного, магнитного, люминесцентного, ультразвукового, рентгеновского и γ-дефектоскопического методов анализа. Макроструктурой любого металла или сплава называется структура, видимая невооруженным глазом или при очень небольшом увеличении. Макроструктуру изучают по излому, разрезу слитка и с помощью макрошлифов.
При этом могут быть определены величина зерна, его форма, строение волокна, а также выявлены видимые дефекты: пористость, усадочные раковины, газовые пузыри, трещины, неметаллические включения. Макрошлифы изготовляют следующим образом: из исследуемого материала вырезают образец, шлифуют и полируют одну из его поверхностей, затем эту поверхность травят специальными реактивами (серной, соляной и другими кислотами), после чего ее рассматривают.
Микроструктурой называется строение металла или сплава, видимое при большом увеличении. Для изучения микроструктуры применяют металлографические микроскопы (горизонтальные и вертикальные), а также электронные микроскопы, дающие увеличение до 100 000 раз. Микрошлифы, т. е. образцы после их изготовления (шлифования и полирования), травят. Для травления чугуна и стали служит 4%-ный раствор азотной кислоты в спирте; для травления алюминиевых сплавов —0,5%-ный раствор фтористой кислоты в воде.
Отдельные структурные составляющие растворяются травителем: одни сильнее, другие—слабее, поэтому под микроскопом получается различное отражение света от более и от менее протравленных частиц структуры; одни из них кажутся темными, другие —светлыми. От качества изготовленного шлифа зависит точность определения структурного строения.
Микроанализ позволяет определять величину и форму самых мелких зерен, качество термической обработки, а также выявить мельчайшие дефекты металла или сплава (волосяные трещины, неметаллические включения).
Рентгеновский анализ применяется в промышленности для изучения кристаллического строения металлов и выявления в них внутренних пороков.
У рентгеновских лучей длина волны в 10 000 раз меньше световых, что позволяет им глубоко проникать внутрь непрозрачных тел и отражаться от атомов. Это позволяет выявить их расположение в пространстве, т. е. установить тип пространственной решетки. Длина волны рентгеновских лучей того же порядка, как и параметр кристаллической решетки металлов (0,1—10 Å).
Рентгеновское просвечивание применяется для контроля литых, сварных, катаных, штампованных, кованых и других деталей с целью выявления внутренних дефектов, раковин, непроваров, трещин, неметаллических включений. Современные аппараты могут просвечивать стальные детали толщиной
80—100 мм и детали из алюминиевых сплавов толщиной до 300—400 мм. Для глубокого просвечивания применяют в настоящее время гамма-лучи, у которых длина волны 10-11 см.
Источником излучения этих лучей является пушка, заряженная ампулой, содержащей радиоактивное вещество (обычно смесь радия и 34% мезатория). Срок службы такой ампулы около 60 лет.
Магнитная дефектоскопия. Для выявления дефектов, лежащих неглубоко от поверхности (до 2 мм): непроваров, закалочных трещин, волосовин, усталостных трещин и др. широко используется магнитный метод контроля.
Магнитная дефектоскопия основана на том, что при намагничивании ферромагнитной детали в местах нарушения целостности образуются области рассеяния, а по краям дефекта возникают полюса.
При погружении такой детали в масляную или керосиновую ванну со взвешенными в ней частицами магнитного порошка (магнитная суспензия) эти частицы притягиваются к краям дефекта и располагаются по его контуру.
Ультрозвуковая дефектоскопия. Контроль с применением ультразвука позволяет выявлять дефекты в любых металлах толщиной до 30 мм без разрушения контролируемой детали. Для контроля металлов применяют ультразвуковые волны с частотой колебаний 2—10 млн гц. Эти волны возникают при колебании пластинки из кварца или титана бария.
Если между двумя металлическими пластинками, к которым подключен переменный ток, зажать пластинку из кварца, то под действием тока пластинка будет колебаться в такт электрическим колебаниям. В результате колебаний создаются звуковые волны, которые направляются на поверхность детали.
Волны вначале вызывают колебания поверхностных слоев металла, а затем передаются в глубь и проходят через всю его толщу. При отсутствии дефектов волны распространяются нормально, но если на пути встретится дефект, то интенсивность ультразвуковой волны изменится. Методом отражения и по звуковой тени ультразвуковых волн обнаруживают размеры и место расположения дефекта в контролируемой детали.