Методы исследования металлов физические

Обновлено: 02.07.2024

1.1. Простой термический анализ
1.2. Дифференциальный термический анализ
1.2.1. Дифференциальные термограммы
1.2.2. Аппаратура для дифференциального термического анализа
1.2.3. Факторы, влияющие на характер термограмм
1.2.4. Определение теплоты фазового превращения методом дифференциального термического анализа
1.3. Применение термического анализа

2. Калометрический анализ

2.1. Прямая калориметрия
2.2. Методы обратной калориметрии
2.2.1. Метод Смита
2.2.2. Метод Сайкса
2.2.3. Дифференциальная адиабатическая калориметрия
2.2.4. Импульсная калориметрия
2.3. Применения калориметрии

3.1. Некоторые закономерности теплового расширения
3.2. Методы исследования теплового расширения металлов и объемных эффектов фазовых превращений в них
3.2.1. Терминология, общие замечания и рекомендации
3.2.2. Разновидности дилатометров
3.2.3. Дилатометрический датчик
3.2.4. Индикаторные дилатометры
3.2.5. Дифференциальный оптико-механический дилатометр Шевенара
3.2.6. Обработка дилатограмм
3.2.7. Совмещение дилатометрии с термическим анализом
3.2.8. Некоторые применения дилатометрии

4. Методы определения плотности

4.1. Определение плотности методом трехкратного взвешивания
4.2. Метод гидростатического взвешивания

5. Измерение удельного электрического сопротивления

5.1. Методы измерения электрического сопротивления
5.1.1. Метод вольтметра-амперметра
5.1.2. Мостовые методы измерения электросопротивления
5.1.3. Компенсационный метод
5.1.4. Измерения электрического сопротивления бесконтактными методами
5.2. Электрическое сопротивление металлических сплавов
5.2.1. Электросопротивление твердых растворов
5.2.2. Электрическое сопротивление интерметаллических соединений и промежуточных фаз
5.2.3. Электрическое сопротивление гетерогенных сплавов
5.3. Применения резистометрии в металлофизических исследованиях

6. Магнитные свойства веществ, праметры, методы измерений и исследований

6.1. Классификация веществ по магнитным свойствам
6.1.1. Основные магнитные параметры
6.1.2. Диамагнетики
6.1.3. Парамагнетики
6.1.4. Ферромагнетики
6.1.5. Антиферромагнетики
6.1.6. Ферримагнетики
6.2. Методы измерения магнитной восприимчивости
6.2.1. Физические основы динамометрического метода
6.2.2. Конструкции магнитных весов
6.2.3. Магнитометрический метод определения магнитной восприимчивости
6.2.4. Диамагнитные и парамагнитные свойства металлов и сплавов
6.3. Статические магнитные параметры магнитных металлов и сплавов
6.3.1. Магнитные параметры основной кривой намагничивания ферромагнетиков
6.3.2. Магнитные параметры петли гистерезиса
6.3.3. Магнитная энергия ферромагнетиков
6.4. Домeнная структура ферромагнетиков
6.4.1. Причины возникновения и особенности доменной структуры
6.4.2. Изменение доменной структуры ферромагнетика при его намагничивании
6.5. Измерение статических магнитных параметров материалов 6.5.1. Виды магнитных цепей
6.5.2. Образцы и намагничивающие устройства
6.5.3. Измерение статических магнитных параметров материалов в замкнутой магнитной цепи
6.5.4. Автоматизированные установки для измерения статических магнитных параметров материалов
6.5.5.Измерение коэрцитивной силы и остаточной индукции
6.6. Измерение магнитострикции
6.6.1. Механооптический метод
6.6.2. Тензометрический метод
6.7. Магнитные свойства ферромагнитных металлов и сплавов
6.7.1. Температурная зависимость статических магнитных параметров
6.7.2. Концентрационная зависимость статических магнитных параметров ферромагнитных сплавов
6.8. Исследование фазовых превращений и структурных изменений магнитными методами
6.8.1. Аппаратура для исследования фазовых превращений и структурных изменений магнитными методами
6.8.2. Фазовый магнитный анализ
6.8.3. Частные случаи фазового магнитного анализа
6.8.4. Исследование процессов отпуска закаленной стали методами фазового магнитного анализа
6.8.5. Исследование кинетики превращений переохлажденного аустенита

Наука о металлах - металловедение - не может обходиться только прямыми наблюдениями структуры с помощью оптических и электронных микроскопов. Важные данные о кинетике фазовых превращений во многих случаях могут быть получены проще и быстрее косвенным путем - в результате измерения той пли иной физической характеристики. Последнее позволяет сделать процесс измерений непрерывным и изучать даже быс-тропротекающие превращения, например мартенснтные.

При разработке сплавов, обладающих определенными физическими свойствами, без измерений их невозможно обойтись. И в этом случае задача решается с помощью физических методов исследований.

Важной областью применения физических методов является контроль качества термической обработки без разрушения деталей и порчи их поверхности. При этом сравнительно легко автоматизировать измерения и осуществить стопроцентный контроль продукции.

В настоящем учебном пособии рассмотрены методы измерений тепловых, электрических и магнитных характеристик металлов и сплавов, применяемые в металлофнзических исследованиях и в производственной практике.

Простой термический анализ заключается в записи температуры образца во время равномерного нагрева или охлаждения его.

При исследовании превращений в твердом состоянии обычно применяют образцы с отношением высоты к диаметру от 1 до 2. Масса образца находится в пределах от нескольких граммов до нескольких десятков граммов, иногда до 150. 200 г. По оси образца просверливают канал до половины высоты, в который вводят спай термопары, соединенной с записывающим устройством. В результате этого записывается термограмма в координатах «температура образца - время». В пирометре Н.С. Курнакова (раздел 1.2.2) термопара подключается к рамке зеркального гальванометра.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов при нормальных условиях зависят от их химического состава, способа изготовления и термической обработки. Кроме того, Магнитные свойства зависят от температуры и напряженного состояния.

Намагниченность насыщения Ms и точка Кюри Гс, или в не зависят от структуры при неизменном химическом и фазовом составе, то есть не зависят от размера зерна, дисперсности, формы и характера распределения фаз в объеме сплава, от плотности дефектов кристаллического строения, а также практически не зависят от напряженного состояния. Следовательно, намагниченность насыщения и точка Кюри являются структурно-нечувствительными свойствами.

Магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, потери на гистерезис более других свойств зависят от структуры и даже от небольшого изменения содержания примесей. Эти характеристики входят в группу структурно-чувствительных свойств. Наиболее существенно на Магнитные свойства влияют примеси, образующие твердые растворы внедрения или дисперсные фазы.

В зависимости от соотношения магнитных параметров все Магнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие, обладающие высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, то есть имеющие узкую петлю гистерезиса, и магнитно-твердые, отличающиеся большими значениями коэрцитивной силы, сравнительно невысокой магнитной проницаемостью и имеющие широкую петлю гистерезиса. Магнитно-мягкие материалы (МММ) применяют в качестве проводников магнитного потока (магнитопроводов). а магнитно-твердые (МТМ) - для постоянных магнитов.

Методы исследования металлов и сплавов

Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию обо всех свойствах. Используют несколько методов анализа [3, 6, 8].

Для определения химического состава используются методы количественного анализа:

1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ.

Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом.

Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов в металле.

Используются стационарные и переносные стилоскопы.

2. Рентгеноспектральный анализпозволяет получать более точные сведения о химическом составе. Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, а также характеристики диффузионной подвижности атомов.

Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.

Дляизучения структурыметалла используют:

1. Макроструктурный анализ (макроанализ)– изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз) с помощью лупы на специальных макрошлифах (темплетах). Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами). Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованых, штампованных и катаных заготовок, а также причины разрушения деталей.

При этом устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий и другие виды излома); размер, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины, дефекты сварки); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле. Волокнистая структура металла позволяет судить о технологии изготовления детали (сварная, штампованная, полученная обработкой резанием).

2. Микроструктурный анализ (микроанализ) – изучение поверхности с помощью световых микроскопов (оптических). Увеличение 50 – 2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.

Для этого используют образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. При этом можно наблюдать микротрещины и неметаллические включения.

Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по-разному, что позволяет выявить форму, размеры и ориентацию зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.

Кроме световых микроскопов используют электронные микроскопы (просвечивающие, растровые) с большой разрешающей способностью. Изображение формируется с помощью потока быстро летящих электронов. Электронные лучи с длиной волны (0,04 – 0,12) 10 −8 см дают возможность различать детали объекта по их размерам, соответствующим межатомным расстояниям. При использовании просвечивающих микроскопов поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте.

Различают косвенные и прямыеметоды исследования.

При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающий рельеф микрошлифа для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину.

При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.

В растровых микроскопах изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже (25 – 30 нм), чем у просвечивающих микроскопов.

3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.

К физическим методам исследования можно отнести:

1. Термический анализ, основанный на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Метод позволяет определить критические точки.

2. Дилатометрический метод.При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров необратимы. Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.

3. Магнитный анализ.Используется для исследования процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), и при этом возможна количественная оценка этих процессов.

Методы исследований в материаловедении

Цель работы: изучить физические свойства металлов, методы их определения.

1.Ознакомьтесь с теоретическими положениями.

2.Выполните задание преподавателя.

3.Составьте отчет в соответствии с заданием.

Теоретическая часть

К физическим свойствам относятся: плотность, плавление (температура плавления), теплопроводность, тепловое расширение.

Плотность - количество вещества, содержащееся в единице объема. Это одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. По плотности металлы делятся на следующие группы: легкие (плотность не более 5 г/см 3 ) - магний, алюминий, титан и др; тяжелые - (плотность от 5 до 10 г/см 3 ) - железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа); очень тяжелые (плотность более 10 г/см 3 ) - молибден, вольфрам, золото, свинец и др. В таблице 1 приведены значения плотности металлов.

металл плотность г/см 3 металл плотность г/см 3
Магний 1,74 Железо 7,87
Алюминий 2,70 Медь 8,94
Титан 4,50 Серебро 10,50
Цинк 7,14 Свинец 11,34
Олово 7,29 Золото 19,32

Температура плавления - это температура, при которой металл переходит из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.

Температура плавления металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от температуры плавления металл подразделяют на следующие группы: легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 o С) - цинк, олово, свинец, висмут и др.; среднеплавкие (от 600 o С до 1600 o С) - к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото; тугоплавкие (более 1600 o С) - вольфрам, молибден, титан, хром и др. При введении в металл добавок температура плавления, как правило, понижается.

Температура плавления и кипения металлов

Температура o С

Теплопроводность - способность металла с той или иной скоростью проводить теплоту при нагревании.

Электропроводность - способность металла проводить электрический ток.

Тепловое расширение - способность металла увеличивать свой объем при нагревании.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света - это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий - из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Методы исследований в материаловедении

Основными методами исследования в металловедении и материаловедении являются: излом, макроструктура, микроструктура, электронная микроскопия, рентгеновские методы исследования. Рассмотри их особенности более подробно.

1. Излом - самый простой и доступный способ оценки внутреннего строения металлов. Метод оценки изломов, несмотря на свою кажущуюся грубость оценки качества материала, применяется довольно широко в различных отраслях производства и научных исследований. Оценка излома во многих случаях может характеризовать качество материала.

Излом может быть кристаллическим или аморфным. Аморфный излом характерен для материалов, не имеющего кристаллического строения, таких как стекло, канифоль, стекловидные шлаки.

Металлические сплавы, в том числе сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы, цинк и его сплавы дают зернистый, кристаллический излом.

Каждая грань кристаллического излома является плоскостью скалывания отдельного зерна. Поэтому излом показывает нам размеры зерна металла. Изучая излом стали, можно видеть, что размер зерна может колебаться в очень широких пределах: от нескольких сантиметров в литой, медленно остывшей, стали до тысячных долей миллиметра в правильно откованной и закаленной стали. В зависимости от размера зерна, излом может быть крупнокристаллический и мелкокристаллический. Обычно мелкокристаллический излом соответствует более высокому качеству металлического сплава.

В случае если разрушение исследуемого образца проходит с предшествующей пластической деформацией, зерна в плоскости излома деформируются, и излом уже не отражает внутреннего кристаллического строения металла; в этом случае излом называется волокнистым. Часто в одном образце в зависимости от уровня его пластичности, в изломе могут быть волокнистые и кристаллические участки. Часто по соотношению площади излома, занятого и кристаллическими участками при данных условиях испытания оценивают качество металла.

Хрупкий кристаллический излом может получаться при разрушении по границам зерен или по плоскостям скольжения, пересекающим зерна. В первом случае излом называется межкристаллитным, во втором транскристаллитным. Иногда, особенно при очень мелком зерне, трудно определить природу излома. В этом случае излом изучают с помощью лупы или бинокулярного микроскопа.

В последнее время развивается отрасль металловедения по фрактографическому изучению изломов на металлографических и электронных микроскопах. При этом находят новые достоинства старого метода исследований в металловедении - исследований излома, применяя к таким исследованиям понятия фрактальных размерностей.

2. Макроструктура - является следующим методом исследования металлов. Макроструктурное исследование заключается в изучении плоскости сечения изделия или образца в продольном, поперечном или любых иных направлениях после травления, без применения увеличительных приборов или при помощи лупы. Достоинством макроструктурного исследования является то обстоятельство, что с помощью этого метода можно изучить структуру непосредственно целой отливки или слитка, поковки, штамповки и т.д. С помощью этого метода исследования можно обнаружить внутренние пороки металла: пузыри, пустоты, трещины, шлаковые включения, исследовать кристаллическое строение отливки, изучать неоднородность кристаллизации слитка и его химическую неоднородность (ликвацию).

С помощью серных отпечатков макрошлифов на фотобумаге по Бауману определяется неравномерность распределения серы по сечению слитков. Большое значение этот метод исследования имеет при исследовании кованых или штампованных заготовок для определения правильности направления волокон в металле.

3. Микроструктура - один из основных методов в металловедении - это исследование микроструктуры металла на металлографических и электронных микроскопах.

Этот метод позволяет изучать микроструктуру металлических объектов с большими увеличениями: от 50 до 2000 раз на оптическом металлографическом микроскопе и от 2 до 200 тыс. раз на электронном микроскопе. Исследование микроструктуры производится на полированных шлифах. На нетравленых шлифах изучается наличие неметаллических включений, таких как оксиды, сульфиды, мелкие шлаковые включения и другие включения, резко отличающиеся от природы основного металла.

Микроструктура металлов и сплавов изучается на травленых шлифах. Травление обычно производится слабыми кислотами, щелочами или другими растворами, в зависимости от природы металла шлифа. Действие травления заключается в том, что он по-разному растворяет различные структурные составляющие, окрашивая их в разные тона или цвета. Границы зерен, отличающиеся от основного раствора имеют травимость обычно отличающуюся от основы и выделяется на шлифе в виде темных или светлых линий.

Видимые под микроскопом полиэдры зерен представляют собой сечения зерен поверхностью шлифа. Так как это сечение является случайным и может проходить на разных расстояниях от центра каждого отдельного зерна, то различие в размерах полиэдров не соответствует действительным различиям в размерах зерен. Наиболее близкой величиной к действительному размеру зерна являются наиболее крупные зерна.

При травлении образца, состоящего из однородных кристаллических зерен, например чистого металла, однородного твердого раствора и др. наблюдается часто различно протравленные поверхности разных зерен.

Это явление объясняется тем, что на поверхности шлифа выходят зерна, имеющие различные кристаллографическую ориентировку, вследствие чего степень воздействия кислоты на эти зерна оказываются разной. Одни зерна выглядят блестящими, другие сильно протравливаются, темнеют. Это потемнение связано с образованием различных фигур травления, по-разному отражающих световые лучи. В случае сплавов, отдельные структурные составляющие образуют микрорельеф на поверхности шлифа, имеющий участки с различным наклоном отдельных поверхностей .

Нормально расположенные участки отражают наибольшее количество света и оказываются наиболее светлыми. Другие участки - более темные. Часто контраст в изображении зернистой структуры связан не со структурой поверхности зерен, а с рельефом у границ зерен. Кроме того, различные оттенки структурных составляющих могут являться результатом образования пленок, образованных при взаимодействии травителя со структурными составляющими.

С помощью металлографического исследования можно осуществлять качественное выявление структурных составляющих сплавов и количественное изучение микроструктур металлов и сплавов, во-первых, путем сравнения с известными изученными микросоставляющими структур и, во-вторых, специальными методами количественной металлографии.

Величина зерна определяется. Методом визуальной оценки, состоящей в том, что рассматриваемая микроструктура, приближенно оценивается баллами стандартных шкал по ГОСТ 5639-68, ГОСТ 5640-68. По соответствующим таблицам, для каждого балла определяется площадь одного зерна и количество зерен на 1 мм 2 и в 1 мм 3 .

Методом подсчета количества зерен на единице поверхности шлифа по соответствующим формулам. Если S - площадь, на которой подсчитывается количество зерен n, а М - увеличение микроскопа, то средняя величина зерна в сечении поверхности шлифа

Определение фазового состава. Фазовый состав сплава чаще оценивают на глаз или путем сравнения структуры со стандартными шкалами.

Приближенный метод количественного определения фазового состава может быть проведен методом секущей с подсчетом протяженности отрезков, занятых разными структурными составляющими. Соотношение этих отрезков соответствует объемному содержанию отдельных составляющих.

Точечный метод А.А. Глаголева. Этот метод осуществляется путем оценки количества точек (точек пересечения окулярной сетки микроскопа), попадающих на поверхности каждой структурной составляющей. Кроме того, методом количественной металлографии производят: определение величины поверхности раздела фаз и зерен; определение числа частиц в объеме; определение ориентации зерен в поликристаллических образцах.

4. Электронная микроскопия. Большое значение в металлографических исследованиях находит в последнее время электронный микроскоп. Несомненно, ему принадлежит большое будущее. Если разрешающая способность оптического микроскопа достигает значений 0,00015 мм = 1500 А, то разрешающая способность электронных микроскопов достигает 5-10 А, т.е. в несколько сот раз больше, чем у оптического.

На электронном микроскопе осуществляют исследование тонких пленок (реплик), снятых с поверхности шлифа или непосредственное изучение тонких металлических пленок, полученных утонением массивного образца.

В наибольшей степени нуждаются в применении электронной микроскопии исследования процессов, связанные с выделением избыточных фаз, например, распад пересыщенных твердых растворов при термическом или деформационном старении.

5. Рентгеновские методы исследования. Одним из наиболее важных методов в установлении кристаллографического строения различных металлов и сплавов является рентгеноструктурный анализ. Этот метод исследования дает возможность определения характера взаимного расположения атомов в кристаллических телах, т.е. решить задачу, не доступную ни обычному, ни электронному микроскопу.

В основе рентгеноструктурного анализа лежит взаимодействие между рентгеновскими лучами и лежащими на их пути атомами исследуемого тела, благодаря которому последние становятся как бы новыми источниками рентгеновских лучей, являясь центрами их рассеяния.

Рассеяние лучей атомами можно уподобить отражению этих лучей от атомных плоскостей кристалла по законам геометрической оптики.

Рентгеновские лучи отражаются не только от плоскостей, лежащих на поверхности, но и от глубинных. Отражаясь от нескольких одинаково ориентированных плоскостей, отраженный луч усиливается. Каждая плоскость кристаллической решетки дает свой пучок отраженных волн. Получив определенное чередование отраженных пучков рентгеновских лучей под определенными углами, рассчитывают межплоскостное расстояние, кристаллографические индексы отражающих плоскостей, в конечном счете, форму и размеры кристаллической решетки.

Методы исследования строения металлов

Исследовани­ем структуры металлов и их сплавов определяется пригод­ность их к эксплуатации в различных условиях работы. К важнейшим методам исследования относят макро- и мик­роанализ, рентгеновский и термический анализ, а также дефектоскопию: магнитную, ультразвуковую, при по­мощи радиоактивных изотопов. С помощью макроанализа изучают структуру, видимую невооруженным глазом или через лупу, по изломам металла и макрошлифам. Для макроанализа отшлифовывают одну из поверхностей образца, затем «травят» ее одной из кислот. Макроанализ выявляет трещины, газовые пузыри, усадочные раковины, расположение волокон в прокате, поковках. По макро­структуре, например коленчатых валов, судят об их каче­стве. На рис. 9 представлены расположения волокон — правильное (а) и неправильное (б).


Микроанализ выявляет структуру по микрошлифам при увеличении в оптических микроскопах до 2500 раз, а в электронных микроскопах — до 25000 раз. Это важней­ший анализ, позволяющий всесторонне изучить качество металла, определить структурные составляющие, форму и размер зерен, микродефекты, лежащие под поверхностью, неметаллические включения, качество термообработки. На основании микроструктуры можно объяснить причи­ны неудовлетворительных механических свойств, не про­изводя их испытаний. Микрошлифы изготовляют путем тонкого шлифования или полирования. При травлении различные составляющие структуры растворяются: одни зерна слабее, другие — сильнее; под микроскопом они вид­ны как более темные или более светлые. Рентгеновский анализ применяют для исследования структур кристаллов и дефектов на определенной глубине внутри металла. Рентгеновские лучи проникают че­рез тело, непроницаемое для видимого света, поэтому возможно обнаружить внутренний дефект, не разрушая металла. Глубина проникновения рентгеновских лучей в сталь составляет 100 мм. Исследование дефектов, ле­жащих на большой глубине, осуществляют с помощью γ-лучей.

Методами спектрального и химического анализов опре­деляют химический состав металлов и сплавов. Спект­ральный анализ производится по спектру, получаемому от свечения металлов в раскаленном состоянии. Одни метал­лы дают линию желтого света, другие - зеленого и т. д. Таким образом можно обнаружить наличие любого метал­ла, даже если его количество ничтожно мало.

Магнитная дефектоскопия позволяет исследовать фер­ромагнитные металлы: сталь, никель, кобальт. Она выявля­ет дефекты на глубине до 2 мм, например в сварных швах: раковины, трещины, неметаллические включения. Дефект­ные места обладают низкой магнитопроницаемостью и рас­сеивают магнитные силовые линии, которые огибают эти места, замыкаясь в магнитных полюсах (рис. 10).

Ультразвуковая дефектоскопия осуществляет эффек­тивный контроль качества изделия и заготовок любых металлов на большой глубине. Ультразвуковая волна направляется на поверхность изделия, проникает вглубь и проходит через всю толщу металла. При отсутствии дефекта звуковые волны распространяются нормально.

Если па пути встретится дефект, то интенсивность ульт­развука изменится. По изменению этой интенсивности выявляют дефект.

Ультразвуковая дефектоскопия широко применяется при контроле качества поковок, проката, роторов турбин, рельсов и т. д.

С помощью радиоактивных изотопов в металлургии обнаруживают попадание в металл шлака, скорость диф­фузии углерода в стали при цементации. Они помогают следить за изнашиванием деталей машин или огнеупорной кладки. Радиоактивность изотопов в изношенных местах изменяется из-за уменьшения количества изотопов на поверхности трения, при этом происходит изменение из­лучения, которое легко обнаружить

Физические методы исследования металлов

Металлы – это группа химических элементов, которые в виде простых веществ при нормальных условиях обладают характерными металлическими свойствами: ковкость, высокие электропроводность и теплопроводность, положительный температурный коэффициент расширения.

К физическим методам исследования металлов относятся:

  1. Магнитный анализ. Данный метод используется для исследования процессов, связанных с переходом из ферромагнитного состояния в парамагнитное и наоборот. Данный метод также позволяет дать количественную оценку процессам.
  2. Термический анализ. Данный метод основан на таком явлении как тепловой эффект.
  3. Дилатометрический метод.

Дилатометрический анализ

Дилатометрический метод исследования металлов заключается в определении изменения длины образцов при охлаждении и нагреве или при изотермической выдержки. Объемные изменения металлов и сплавов характеризует изменение длины образца. Однако, есть исключения, к которым относятся микрокристаллические образцы, обладающие сильно выраженной анизотропией коэффициента теплового расширения. К таким веществам относятся металлы с гексагональной кристаллической решеткой:

Основное преимущество дилатометрического анализа - независимость объемного эффекта, то есть точность процесса никак не зависит от продолжительности процесса охлаждения. Дилатометры отличаются своей малой инерционностью. Кроме устройства записи или наблюдения линейных изменений в дилатометре предусмотрен температурный контроль, потому что при металловедческом исследований определяется не только величина изменений по объему, но и температура, при которой они происходят. Дилатометрический метод исследования металлов применяется в том случае, когда требуется определить коэффициент теплового расширения и изучить фазовые превращения. При помощи дилатометрического анализа могут изучены такие процессы, как старение некоторых сплавов, закалка и отпуск стали и графитизация чугуна. Измерение объема или длины во времени при изотермических условиях позволяет исследовать кинетику превращений, потому что степень данных превращений пропорциональна изменению длины во времени. В том случае, когда в металле не происходит никаких фазовых превращений при изменении температуры, то их объем изменяется плавно. Но, если фазовые превращения имеют место быть, то длина убывает или растет скачкообразно. Например, переход перлита в аустенит сопровождается значительным сокращением объема, потому что у-железо и твердый раствор углерода обладают самым маленьким удельным объемом. Обратное течение данного процесса при охлаждении и переходе аустенита в мартенсит сопровождается существенным удлинением образца, потому что мартенсит обладает самым большим удельным объемом.

Готовые работы на аналогичную тему

Термический анализ

Существуют следующие методы термического анализа:

  • термогравиметрический – масса,
  • термомеханический - линейный размер,
  • диэлектрический термический - коэффициент потерь и диэлектрическая проницаемость,
  • динамический механический - амортизация и механическая жесткость,
  • анализ выделяемых газов,
  • визуально-политермический - изменение формы,
  • лазерно-импульсный - температурный профиль,
  • термомагнитный - магнитные свойства,
  • дифференциально-сканирующая калориметрия - теплота фазовых превращений,
  • дифференциально-термический - температура фазовых превращений.

Последние два способа активно используются при исследовании металлов.

Дифференциально-термический метод – это метод исследования, который заключается в охлаждении или нагревании образца металла с определенной скоростью и записи зависимости по времени разницы температуры между исследуемым образцом и эталоном, который не претерпевает никаких изменений в установленном температурном интервале

Данный метод применяется для регистрации фазовых превращений в образце. В качестве эталона используется инертное вещество, которое с близкими по теплоемкости и теплопроводности к исследуемому металлу. Благодаря дифференциально-термическому методу можно установить смещение эффектов из-за внешнего воздействия; отсутствие или наличие фазовых превращений; характер течения процесса во времени; температуру конца и начала любого процесса, который способствует изменению баланса энергии в рассматриваемой системе.

При дифференциально-сканирующей калориметрии разница в количестве тепла, которое необходимо для увеличения температуры образца, и эталона, измеряется как функция температуры. Существуют два основных способа данного метода: калориметрия потока тепла, в котором тепловой поток постоянен; калориметрия с компенсацией мощности, при котором подвод мощности постоянен.

Читайте также: