Физико химические методы анализа металлов

Обновлено: 20.09.2024

Макроанализ. Макроанализом называется изучение структуры металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольших увеличениях (например, с помощью лупы).

Для макроанализа приготовляют специальный образец — шлиф. По шлифу выявляют макроструктуру — строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Подготовка шлифа состоит в выравнивании и шлифовании поверхности напильником и наждачной бумагой. В случае надобности шлиф травят реактивами, т. е. подвергают воздействию кислот, или щелочей, или (чаще) их растворов, а также растворов солей, которые по-разному окрашивают или растворяют отдельные составляющие сплава.

С помощью макроанализа можно обнаружить усадочные раковины и рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне и т. д.), наличие и характер расположения некоторых вредных примесей, например серы.

Микроанализ. Шлиф для микроанализа приготовляется так же, как и для макроанализа, однако после шлифования производят полирование шлифа для получения гладкой, зеркальной поверхности.

По шлифу с помощью специального металлографического микроскопа выявляют микроструктуру: наличие, количество и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность сплава посторонними включениями. Наличие и характер неметаллических включений определяют по нетравленным шлифам: для выявления структуры металлической основы шлиф подвергают травлению.

Металлографические микроскопы работают с помощью отраженного света, так как металлы непрозрачны. Оптика (система линз) современных микроскопов позволяет производить увеличение в 30—2500 раз.

На рис. 1, а приведен общий вид широко распространенного вертикального металлографического микроскопа МИМ -6. Микроскоп состоит из трех основных частей: осветительного устройства I, собственно микроскопа II (с иллюминационным тубусом И, визуальным тубусом В, предметным столиком С, механизмом грубой Г и точной Т наводки на фокус) и нижнего корпуса III с основанием.

На рис. 1, б приведена оптическая схема хода лучей в микроскопе. Осветительное устройство состоит из лампы, конденсора и откидных светофильтров (зеленого, желтого, синего и оранжевого), любой из которых может быть установлен в световой поток. Далее свет попадает в иллюминационный тубус, состоящий из поляризатора (устанавливается для наблюдения в поляризованном свете, неметаллических включений на шлифах), полуматовой пластинки, линз, апертурной и полевой диафрагм. От иллюминационного тубуса пучок параллельных лучей попадает на плоскую стеклянную пластинку и часть его теряется (поглощается стенками микроскопа), а другая часть отражается, проходит через линзы объектива и падает на поверхность шлифа. Лучи, отраженные поверхностью шлифа в направлении объектива, вновь проходят через него, пластинку и отражательной призмой направляются к линзам окуляра, через который и производится визуальное рассмотрение шлифов.

Для фотографирования шлифов призму отодвигают, тогда лучи проходят через фотоокуляр, фотозатвор и зеркалом отражаются на матовое стекло фотокамеры.

Набор сменных объективов и окуляров микроскопа МИМ -6 позволяет получить увеличение от X 63 до X 1425.

На рис. 2 приведена схема, поясняющая видимость границ зерен протравленного шлифа однофазного металла. Под действием реактивов металл по границам зерен вытравливается сильнее, вследствие чего там образуются углубления (канавки). Лучи света, падающие в эти углубления, рассеиваются, поэтому границы зерен под микроскопом выявляются как темные линии; лучи, падающие на плоскую поверхность зерен, отражаются в объектив, и каждое зерно кажется светлым, при этом часто наблюдается различная окраска зерен, что объясняется различной их растворимостью вследствие анизотропности.

У двухфазных бплавов одна из фаз всегда быстрее растворяется данным реактивом, поэтому с помощью микроанализа удается выявить структуру и характер расположения отдельных фаз сплава.

Наряду с обычным световым микроскопом в последние годы стал широко применяться электронный микроскоп, в котором вместо световых лучей используются электронные: эти лучи испускает раскаленная вольфрамовая спираль. Электронный микроскоп, созданный под руководством акад. А. А. Лебедева, обладает электронно-оптическим увеличением порядка 25000 раз. С помощью этого микроскопа можно наблюдать, например, структурные составляющие, выделяющиеся при старении сплавов.

Рентгеноанализ. Рентгеновы лучи получаются в специальных рентгеновских трубках, основными частями которых являются анод, катод и оболочка (колба). При подведении к аноду и катоду высокого напряжения (несколько десятков киловольт) свободные электроны, находящиеся вблизи катода, приобретают большие скорости под влиянием возникающего между анодом электрического поля и, достигнув анода, ударяются о его поверхность. Кинетическая энергия при этом частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения (но большей частью в тепловую энергию). По своей природе рентгеновы лучи аналогичны световым, но длина волны их в несколько тысяч раз меньше и находится в пределах от 2-Ю^8 до 0,06-10 8 см. Столь малая длина волны рентгеновых лучей позволяет применять их для исследования кристаллического строения металлов и их просвечивания.

Рентгеноструктурный анализ дает возможность установить типы кристаллических решеток металлов и сплавов и их параметры. Определение структуры металлов, а также размещение атомов в кристаллической решетке и измерение расстояния между ними основано на диффракции (отражении) рентгеновых лучей рядами атомов кристаллической решетки. Зная длину волны рентгеновых лучей, можно определить расстояние между рядами атомов (и отдельными атомами) и схему (систему) расположения атомов в пространстве.

К настоящему времени уже изучено строение почти всех металлов, многих сплавов и минералов.

Рентгенографический анализ (просвечивание) основан на проникновении рентгеновых лучей сквозь тела, не прозрачные для видимого света. Проходя сквозь металлы, рентгеновы лучи частично поглощаются, причем сплошными металлами лучи поглоща-юте я 6ojfbiue, чем частями, где имеются газовые и шлаковые включения или трещины. Величину, форму и характер этих дефектов можно наблюдать на специальном светящемся экране, установленном по ходу лучей за исследуемой деталью. Так как рентгеновы лучи действуют на фотографическую эмульсию подобно световым, то светящийся экран можно заменить кассетой с фотографической пластинкой или пленкой и получить снимок исследуемого объекта.

Таким образом, рентгеновским просвечиванием можно обнаружить микроскопические дефекты, находящиеся внутри детали.

Термический анализ. Термический анализ сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов и обычно сопровождается построением кривых в координатах температура — время. Такие кривые были приведены выше.

Если в металле не происходит никаких фазовых превращений, кривая охлаждения (нагревания) будет плавной без перегибов и уступов; если же при охлаждении (или нагревании) металла в нем происходят фазовые превращения, которые сопровождаются выделением (при нагревании — поглощением) тепла, кривая будет иметь горизонтальные участки или изломы (т. е. изменения направления кривой). Эти изломы и горизонтальные участки позволяют определить температуры превращений, не видя и не выделяя фаз, возникающих или исчезаю: щих при охлаждении или нагревании системы.

Дилатометрический анализ. Этот анализ основан на изменении объема, происходящем в металле или сплаве при фазовых превращениях, и применяется для определения критических точек в твердых образцах.

При изменении температуры увеличение объема идет плавно (равномерно) лишь в случае отсутствия фазовых превращений. В точках же фазовых превращений в связи с изменением структуры и перестройкой атомов в новые кристаллические решетки происходит скачкообразное изменение объема.

Для дилатометрического анализа пользуются специальными приборами — дилатометрами, фиксирующими изменение объема при нагреве (охлаждении).

Дефектоскопия. Магнитная дефектоскопия и ультразвуковая дефектоскопия относятся к методам, позволяющим выявлять внутренние пороки изделий без разрушения последних.

Магнитная дефектоскопия применяется для выявления пороков деталей, подвергающихся высоким переменным напряжениям. Такие пороки, как трещины, волосовины, пузыри, неметаллические включения и т. п., в условиях переменной нагрузки становятся очень опасными, так как понижают динамическую прочность деталей.

Первый промышленный магнитный дефектоскоп был сконструирован и изготовлен акад. Н. С. Акуловым в 1934 г.

Магнитное испытание слагается из трех основных операций: намагничивания изделий, покрытия намагниченных изделий ферромагнитным порошком, осмотра поверхности и размагничивания изделий.

У намагниченных изделий, имеющих пороки, магнитные силовые линии, стремясь обогнуть места пороков (ввиду их пониженной магнитной проницаемости), выходят за пределы поверхности изделия и затем входят в него, образуя неоднородное магнитное поле. Поэтому при покрытии изделий магнитным порошком частицы последнего располагаются над пороком, образуя резко очерченные рисунки. По характеру этих рисунков судят о величине и форме пороков металла.

Ультразвуковая дефектоскопия позволяет испытывать любые металлы (а не только ферромагнитные) и определять пороки, залегающие в толще металла на значительной глубине и не поддающиеся контролю магнитным методом.

Для исследования металлов применяются ультразвуковые колебания с частотой от 2 до 10 млн. гц (периодов в секунду). При такой частоте колебания распространяются в металле в виде направленных лучей, почти не рассеиваясь по сторонам: ими можно «просвечивать» металлы на глубину свыше 1 м.

Ультразвуковая дефектоскопия использует явление отражения звука от поверхности раздела двух сред. Поэтому, распространяясь в металле, эти лучи не проходят, однако, через встречающиеся в нем пороки: внутренние трещины, раковины, неметаллические включения ит. п., создавая таким образом акустическую тень (рис. 4).

Для излучения ‘и приема ультразвуков используют пьезоэлектрические излучатели и приемники.

Применение радиоактивных изотопов (меченых атомов). Создание ядерных реакторов и возможность в связи с этим получать искусственные радиоактивные вещества обеспечили применение радиоактивных изотопов (меченых атомов) в различных областях науки и техники.

В частности, радиоактивные изотопы применяются в металлургии, металловедении, технологии машиностроения, измерительной технике и т. д.

В металлургии и металловедении радиоактивные изотопы применяют для разных целей. Например, введением радиоактивных изотопов фосфора, серы, марганца и др. в шлак изучают скорость перехода этих элементов в металл и скорость восстановления их равновесного распределения между металлом и шлаком в металлургических ваннах при изменении температуры или состава шлака; применение радиоактивного углерода позволяет изучать скорость диффузии и распределение углерода в металле при цементации. Для выявления характера распределения олова в никеле в жидкий сплав вводят радиоактивное олово. Затвердевший сплав вводят в соприкосновение с фотопластинкой и после соответствующей выдержки проявляют ее. На рис. 52 приведен микрорадиоавтограф сплава никеля с оловом, из которого видно, что радиоактивное (а следовательно, и стабильное) олово располагается по границам зерен никеля (потемневшие от воздействия радиоактивного олова места). Применяют также и другие способы регистрации и измерения излучений радиоактивных изотопов. Простота этих способов является одной из причин их распространенности. Значительное применение получают радиоактивные изотопы при контроле износа огнеупорной кладки доменных печей, износа деталей машин и пр.

При пользовании радиоактивными изотопами необходимо соблюдать особые правила предосторожности.

3. Физико-химические методы анализа состава сплавов

Физико-химический анализ – область химии, изучающая посредством сочетания физических и геометрических методов превращения, происходящие в равновесных системах.

Рентгеноструктурный анализ – метод исследования строения тел, использующий явление дифракции рентгеновских лучей. Дифракция рентгеновских лучей – один из видов рассеяния рентгеновский лучей.

Рентгеноструктурный анализ является основным методом определения структуры кристалла. Исследуемый образец помещают на пути рентгеновских лучей и регистрируют дифракционную картину, возникающую в результате взаимодействия лучей с веществом.

Задача физико-химического анализа – установить зависимость свойств равновесной системы от параметров состояния (Т, P, состава).

Термический анализ позволяет исследовать всевозможные превращения простых и сложных систем по тепловым эффектам.

Термический анализ проводится с визуальным наблюдением за температурой появления и исчезновением кристаллов. Наблюдения за исчезновением и появлением кристаллической фазы при нагревании и охлаждении расплава проводят до получения близких по значению температурных данных. Термический анализ применим, если сплав прозрачен.

Хронопотенциометрия в некоторых расплавах. Особенность – постоянная скорость подачи титранта в анализируемый расплав и непрерывная запись показателей рН-метра в процессе титрования. О количестве вещества судят по соответствующей длине диаграммной ленты самописца.

Применение хронопотенциометрии для физико-химического исследования расплавов

Определение коэффициента диффузии в расплавах:

М₀ – молекулярная масса, г/моль;

?– плотность электролита, г/см 3 .

Определение толщины диффузного слоя

В условиях принудительного перемешивания у поверхности электрода существует ограниченный диффузный слой. Для определения толщины используется уравнение хронопотенциограммы:

где ?_?– величина установившегося потенциала при заданном токе. По наклону прямой, выражающей зависимость (1), находят величину 4? 2 /? 2 D₀.Отношение D₀ / ?определяют из значения установившегося потенциала

Определение растворимости Н₂, Cl₂, O₂ в расплаве. Электродные процессы в расплавах с участием Н₂, Cl₂, O₂ привлекают внимание исследователей в связи с развитием электрохимии топливных элементов. Растворимость газообразных веществ в расплавах находят по уравнению Сэнда. Величина произведения i x ? 1/2 однозначно связана с величиной растворимости Н₂, Cl₂, O₂ в расплаве, если между газами и компонентами расплава отсутствует какое-либо химическое взаимодействие. В двойной эвтектике CuCN и Cd(CN)₂ растворимость Н₂ подчиняется закону Генри. Для оценки абсолютного значения растворимости газов необходимо знать величину коэффициента диффузии. Если в исходном расплаве содержатся ионы О 2- , то между i x ? 1/2 и концентрацией ионов О 2- наблюдается линейная зависимость, на основании которой можно судить о содержании О 2- .

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

5. Расчет равновесного состава химического равновесия

5. Расчет равновесного состава химического равновесия Равновесный состав можно рассчитать только для газовой системы равновесная концентрация.Исходная концентрация всех компонентов Изменение каждого компонента по числу молей (или стехиометрическому

4. Методы защиты от коррозии

4. Методы защиты от коррозии Для ослабления коррозионного процесса требуется повлиять либо на сам металл, либо на коррозионную среду. Выделяют основные направления для борьбы с коррозией:1) легирование металла, либо замена его другим, более коррозионностойким;2) защитные

ЛЕКЦИЯ № 8. Физико-химический анализ

ЛЕКЦИЯ № 8. Физико-химический анализ 1. Суть физико-химического анализа Задача физико-химического анализа состоит в установлении зависимости свойств равновесной системы от параметров состояния. Под параметрами состояния обычно понимают: состав, давление, температуру.

1. Суть физико-химического анализа

1. Суть физико-химического анализа Задача физико-химического анализа состоит в установлении зависимости свойств равновесной системы от параметров состояния. Под параметрами состояния обычно понимают: состав, давление, температуру. Зависимости выражаются в виде

2. Химические источники тока

2. Химические источники тока ХИТы – устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. ХИТы применяются в различных областях техники. В средствах связи: радио, телефон, телеграф; в электроизмерительной

3. Кинетические особенности электроосаждения металлов и сплавов

3. Кинетические особенности электроосаждения металлов и сплавов Процесс электроосаждения металлов, сплавов протекает через последовательность стадий: диффузия катионов металлов к поверхности электрода из объема раствора, вхождение катионов в ДЭС (двойной

5. Исследование явления высокотемпературной сверхпроводимости в оксидах сложного состава

5. Исследование явления высокотемпературной сверхпроводимости в оксидах сложного состава В настоящее время наиболее изучены оксиды на основе Cu и Bi, в состав оксидов, помимо Cu, Bi, входят щелочно-земельные металлы – B a, C a, Sr, р.з.м. (редкоземельные) – лантаниды, Ir, известны

Экспресс-контроль металлических сплавов

Экспресс-контроль металлических сплавов Свойства сплавов зависят от того, в каком соотношении взяты исходные материалы. Достаточно незначительного изменения доли одного из составляющих металлов, как свойства сплавов резко меняются.Поэтому в промышленности сильно

Менделеев о будущем спектрального анализа

Менделеев о будущем спектрального анализа В разгар первых спектроскопических исследований, в конце 60-х годов, Менделеев работал над своим знаменитым трудом «Основы химии». Это было первое изложение наших знаний о химии на основе только что открытого Менделеевым

Свет и химические свойства атомов

Свет и химические свойства атомов С оптическими спектрами атомов мы имеем дело с первых страниц нашей книжки. Это их наблюдали физики на заре развития спектрального анализа. Это они служили приметами для опознавания химических элементов, ибо у каждого химического

I. Химические элементы

I. Химические элементы 1. Количество элементов. Периодическая система элементов Менделеева.В отличие от химических соединений, которых в природе существует очень много (3,5 тыс. соединений из общего количества 300 тыс., известных нам на сегодняшний день), количество простых

НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ

НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВАЯ ДИФФУЗИЯ9.14. Еще в 1896 г. лорд Рэлей показал, что смесь двух газов различных атомных весов может быть частично разделена, если заставить смесь диффундировать через пористую перегородку в вакуум. Молекулы легкого газа благодаря большей

Химический анализ металлов и сплавов — современные методы диагностики

Химический анализ металлов и сплавов является важной процедурой, с помощью которой можно контролировать наличие в том или ином металле каких либо, примесей и включений других металлов.

Физико-химические методы анализа металлов и сплавов позволят определить чистоту материала на предмет содержания в нем нежелательных примесей. Это в свою очередь позволит прогнозировать технические характеристики будущих деталей, которые будут производиться с применением того или иного металла либо сплавов нескольких металлов.

Когда и зачем необходим химический анализ металлов и сплавов

Металлы, а также их сплавы широко используются в разных отраслях промышленности и народного хозяйства. В чистом виде металлы практически не существуют – они обязательно имеют в своем составе природные или технологические примеси.

От их типа и концентрации напрямую зависят эксплуатационные параметры будущей продукции, которая производится из металла. Использование химического анализа позволит установить его качественные и количественные свойства.

В процессе проведения этого анализа можно будет:

определить количественный состав элементов;
выявить наличие инородных соединений и их концентрацию;
провести идентификацию сплавов;
определять соотношение смесей в металлических сплавах при их маркировке.

Стоит отметить: современный химический анализ металлов и сплавов является важным этапом экспертизы, которая используется для определения качества продукции и проверки ее соответствия текущим стандартам.

В основном анализ проводится для:

экспертизы качества выпускаемых металлов и сплавов на предмет их соответствия текущим стандартам;
контроля технологических процессов на этапе производства;
выполнения входной экспертизы сырья;
разработки и создания новых сплавов;
сертификации продукции из металла;
освидетельствования чистых металлов.

Методы химического анализа металлов

На сегодняшний день существует много разных методов, которые позволяют провести качественный анализ металлов и их сплавов.

Используемые методы должны обеспечивать:

экспрессность проведения процедуры анализа;
высокую точность результатов;
неразрушающий контроль;
простоту проведения эксперимента;
возможность использования методик анализа в производственном цикле.

Среди основных методов контроля наиболее часто используется спектральный анализ и эмиссионный химический анализ. Рассмотрим их особенности и преимущества.

Эмиссионный химический анализ

Этот метод исследования металлов позволяет за короткий промежуток времени с высокой вероятностью определить истинный состав исследуемого металлического образца.

На сегодня существует несколько разновидностей этого метода, но наибольшую популярность имеет атомно-эмиссионный спектральный анализ. Именно он используется в научной и промышленной отрасли для экспрессного получения данных о составе исследуемых образцов.

Эти методы анализа металлов и сплавов основаны на том принципе, что кратковременный высокотемпературный нагрев металла приводит к тому, что атомы вещества переводятся в возбужденное состояние и излучают свет в определенном интервале частот. Для каждого химического элемента характерна своя частота, по которой его и можно идентифицировать.

Полихроматическое излучение, которое получается вследствие такого разогрева металлического образца, фокусируется с помощью специальной оптической системы, с последующим раскладыванием в спектр и фиксированием регистратором.

После этого полученные данные обрабатываются с помощью компьютерной техники, на которой установлено специализированное программное обеспечение, позволяющее, используя аналитические инструменты, провести качественный и количественный анализ.

Точность метода

Метод эмиссионного анализа отличается высокими показателями чувствительности, что позволяет определять даже малейшие концентрации примесей в металлах и сплавах.

Показатель чувствительности этого метода находится в пределах 10 -5 …10 -7 %.

Что касается точности, то метод позволяет получить показатель в пределах 5% при небольших концентрациях примесей и до 3% при более высоком содержании примесей.

Преимущества

К основным преимуществам современного эмиссионного анализа относятся:

возможность параллельного определения сразу 70-ти элементов в составе металла или его сплава;
высокая скорость проводимого анализа;
низкий порог обнаружения примесей;
высокая точность и чувствительность;
информативность полученных результатов;
относительная простота проведения эксперимента;
возможность исследования больших изделий без ущерба их поверхностям.

Спектральный анализ

Спектральный анализ относится к методам качественного и количественного контроля составов металлических объектов. Он основан на проведении изучения спектров взаимодействия металла с используемым излучением.

Исследованию подлежат спектры электромагнитного излучения, спектры распределения элементарных частиц по энергиям и массам, а также спектры акустических волн. Комплексный анализ перечисленных спектров позволит получить детальную картину о составе исследуемого образца.

Спектральный анализ – это современный метод анализа металлов и сплавов, который основан на излучении и поглощении атомами электромагнитных волн при переходе из одного энергетического уровня на другой. Чтобы перевести атомы вещества в возбужденное состояние, в котором они могут излучать характеристическое излучение, в спектральном анализе используются разные источники света.

Общим для всех используемых источников является использование плазмы (высоко- или низкотемпературной), кинетической энергии частиц которой достаточно, чтобы перевести атомы вещества в возбужденное состояние. С помощью специального регистратора фиксируются полученные спектры, которые обрабатываются посредством программного обеспечения на компьютерной технике.

Химический спектральный анализ относится к высокоточным методам, которые также отличаются и высокой чувствительностью к наличию примесей в исследуемых образцах.

Показатель точности для этого метода находится в пределах от 10 -7 до 10 -6 %, а величина относительного стандартного отклонения составляет порядка 0,15…0,3.

простота проведения контроля исследуемых образцов;
потребность минимального количества исследуемого вещества;
возможность определения различных примесей;
высокая точность и надежность измерений;
возможность применения метода в условиях технологического процесса.

Заключение

Выполнение химического анализа металлов и сплавов стало необходимым атрибутом в различных отраслях промышленности. Без этой процедуры не проводятся технологические процессы в отрасли производства сталей, она необходима при создании и выпуске новых материалов, а также контроле выпускаемой продукции современными предприятиями.

От правильности и точности проведенного анализа будет зависеть качество и надежность будущей продукции, которая производится с использованием металлов и их сплавов.

Читайте также: