6. Методы изучения кристаллического строения металлов

В данном параграфе рассматриваются основные методы изучения кристаллического строения металлов в масштабах зерен и их комплексов. Размеры зерен в поликристаллических телах могут колебаться в пределах 10^-4...10^-1 см. Поэтому в ряде случаев оценку кристаллического строения можно дать на основе обзора невооруженным глазом или при малых увеличениях. Такой метод исследования называется макроструктурным анализом. Макроанализ весьма широко применяется для установления: крупных дефектов в строении металла; формы и размера зерна крупнокристаллических материалов; неоднородности химического состава по сечению детали; расположения волокон, вызванного соответствующими технологическими процессами.

Весьма ценным является макроанализ поверхностей разрушения деталей, позволяя зачастую установить причины, вызвавшие разрушение. Часто макроанализ не требует дополнительной подготовки поверхности исследования. В ряде случаев проводится относительно грубая шлифовка поверхности изучаемого объекта с соответствующей обработкой поверхности химическими реактивами. Макроанализ сравнительно прост и поэтому широко используется на практике.

Для изучения строения микроструктуры (взаимного расположения зерен и их размеров) мелкокристаллических тел применяется микроструктурный анализ с использованием для исследования микроскопов, которые могут быть оптическими или электронными. Полезное увеличение оптических микроскопов до 1500 раз. Применение электронных микроскопов, в которых используются электронные лучи с очень малой длиной волны, позволяют достигать максимального увеличения до 200.000 раз. Чаще электронные микроскопы работают в диапазоне 510³... . . .510⁴ раз.

Имеются электронные микроскопы дающие увеличение до 500 тыс. раз.

Для микроанализа помимо соответствующего оборудования необходимо приготовить из исследуемого материала препараты-микрошлифы. Для электронного микроскопа это весьма сложная операция. В заводской практике обычно ограничиваются изучением микроструктуры материалов оптическими микроскопами при увеличениях 100... 1000 раз.

Помимо макро- и микроструктурного анализа в практике научных исследований структуры применяют и другие методы: как например радиографию, которая позволяет изучить характер распределения элементов по различным фазам и структурным составляющим сплава. Эти же работы могут выполняться фазовым рентгеновским и химическим анализом; часто приме­няется рентгеноструктурный анализ, принципы которого рассмотрены в § 2.

Пояснения к ответам на вопросы

№ 26.

1) Ошибаетесь. Разве при T_s G_T<iG_>K?

2) Ошибаетесь. Благоприятных энергетических условий для плавления при T_s нет.

3) Правильно.

№ 27.

1) Ответ правильный, но неполный.

2) Правильно.

3) Ответ неполный.

№ 28. r_k найдете, исследуя условия максимума кривой G=f(r) (рис. 15).

№ 29.

1) Ответ весьма неточный.

2) Ответ очень неопределенный.

3) Совершенно правильно.

№ 30.

1) Ответ весьма неточный. Ведь при n₃ щ.ч.ц. и с.р. равны нулю. Кристаллизация при n₃ не происходит.

2) Ответ неправильный. При n₂ образуется больше центров, и они растут также быстрей, чем при n₁.

3) Совершенно правильно.

№ 31.

1) Ответ неточный. Как видно из табл. 2 (вып. 2) Н при кристаллизации мал и S_кр<0. Поэтому G=G_w-G_T также мал и существенно влиять на скорость процесса не может.

2) Неправильно. Если за основу процесса взять энергетический признак, то по значению только G_T судить о скорости процесса невозможно.

3) Правильно. Основное влияние на скорость процесса оказывает кинетика его (подвижность атомов), энергетический фактор влияет в меньшей степени.

№ 32.

1) Ошибаетесь. Ведь при малом n кристаллов мало и они имеют значительную возможность роста до столкновения друг с другом. При большой степени переохлаждения (n₂) картина обратная. Что касается жидкого состояния при n₃, то это противоречит основам термодинамики: ведь при п₃ G_T<G_ж и жидкая фаза термодинамически неустойчива. Переохладить металл, до состояния п₃ не удается, т.к. подвижность малых по размерам атомов металла настолько высока, что кристаллизация завершится прежде, чем будет достигнуто значение переохлаждения n₃.

2) Вы ошибаетесь в части аморфного состояния, которого для металлов достичь практически невозможно.

3) Ответ правильный.

№ 33.

1) Ошибаетесь. Так как скорость охлаждения в земляной форме мала, то, согласно рис. 13, процесс кристаллизации идет при малом переохлаждении п. В соответствии с рис. 16 и схеме на рис. 18 подумайте, какая образуется структура и как это отражается на прочности.

2) Правильно. В металлической форме (в кокиле) металл охлаждается с большой скоростью, вследствие чего (рис. 13) кристаллизация протекает при значительном переохлаждении, когда значение ч.ц. большое. Вследствие этого образуется мелкокристаллическая структура, обуславливающая высокую прочность (вязкость) металла.

№ 34.

1) Ошибаетесь в части результатов процесса.

2) Правильно, но в ответе не отражена роль энергетического фактора в процессе кристаллизации.

3) Совершенно правильно. Необходимое условие для реализации процесса: G<0. Но ход процесса зависит от целого ряда других явлений. В частности от малой под­вижности крупных частиц (молекулы SiC₂ в стекле, микро­молекулы в полимерах). Система в новых внешних усло­виях (при низких температурах) должна бы кристаллизо­ваться, однако процесс кристаллизации не происходит, и сохраняется переохлажденная жидкость (образуется аморфное состояние вещества).

№ 35.

1) Ошибаетесь. Волокна в участке а—b совпадают с направлением главных усилий при работе вала.

2) Правильно.

3) Ошибаетесь. В сечении с—d при изгибе растягивающие усилия, вызывающие разрушение, направлены вдоль волокон.

№ 36.

1) Правильно. Мала вероятность, что атомы при низких температурах имеют энергию, равную или ниже энергии активации. Диффузия идёт очень медленно. При диффузии углерода в железе (Q0,9 эВ) при 20°С атом углерода совершает в секунду 2,5-10^-2 перескока, а при 1545°С – 2х10¹¹ перескока!

2) Ошибаетесь. При низких температурах есть атомы, обладающие флюктуацией энергии, достаточной, чтобы перескочить из одного места в решетке в соседнее, но таких атомов мало.

№ 37.

1) Ошибаетесь. По рис. 24 посмотрите, в каком случае перемещение атомов реализуется наиболее легко.

2) Правильно.

3) Вы ошибаетесь. По рис. 24 сообразите, для какого из этих процессов нужно больше перестроек в расположении атомов.

№ 38.

1) Вы невнимательны. Сопоставьте текст о рис. 25б с условиями задачи.

2) Правильно, но неточно. А теперь прочитайте, что говорится в тексте об участке кристалла, около края экстраплоскости.

3) Совершенно правильно. Краевая дислокация может образоваться и при кристаллизации.

№ 39.

1) Это верно, но неточно. Если сгруппировалось множество вакансий, плоскость уже не является атомной. Это - экстраплоскость.

2) Совершенно верно. Ситуация ана­логична рис. 25б.

№ 40.

1) Ошибаетесь. ч.ц. и с.р. фазы Ti_ равны нулю.

2) Неправильно. Прочитайте материал ещё раз.

3) Совершенно правильно. При глубоком переохлаждении переход Ti_Ti_ не возможен из-за малой подвижности атомов, хотя в этих условиях GTi_ >GTi_a.