Что изучает макроанализ и какие инструменты для этого используются
Макроанализ структуры металлов и сплавов
Макроанализом(макроскопическим анализом) называется изучение структуры металла или сплава невооруженным глазом или с помощью лупы при небольшом увеличении (до 30 раз).
Структура металла при этом может изучаться либо непосредственно на поверхности либо в изломе (рис. 13) детали или специально приготовленного для этой цели образца.
Образцы для макроанализа изготовляются путем вырезки из детали или отливки.
Макроанализ позволяет выявить различные пороки в литых деталях и отливках.
Подлежащая исследованию поверхность металла тщательно шлифуется на наждачной бумаге разных размеров и протравливается. Подготовленная таким образом поверхность называется макрошлифом.
Травление
Травление производится специальными реактивами. Так, для «глубокого» травления, выявляющего волокнистое строение металла, химическую неоднородность и различные пороки сварки, неоднородное распределение вредной примеси — серы в стальных деталях.
Изучение изломов стали и чугуна позволяет судить о наличии внутренних пороков металла:
газовых пузырей и пор в литых деталях,
трещин и волосовин, образовавшихся в результате прокатки металла с внутренними пороками.
Для этого используются концентрированные растворы кислот и их смеси в горячем или кипящем состоянии. 
Волокнистое строение в кованых, штампованных, прокатных деталях (рисунок выше).
Кроме того, анализ излома стали позволяет судить о размере зерна, о степени однородности структуры по сечению о наличии перегрева или пережога металла.
Что изучает макроанализ и какие инструменты для этого используются
В соответствии с определениями:
Макроскопический анализ (макроанализ) заключается в изучении строения сплавов невооруженным глазом или с помощью небольших увеличений (до 30 раз) с помощью лупы. Строение металлов и сплавов, определяемое этим методом, называется макроструктурой.
Макроскопический анализ позволяет установить: строение образца или изделия «в целом» – например наличие крупных пор или трещин, усадочных раковин; неоднородность образца, созданную сваркой, литьем, пластической деформацией; характер излома.
Микроскопический анализ (микроанализ) заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях (в 50–50000 раз) с помощью металлографических и электронных микроскопов. Строение металлов и сплавов, определяемое этим методом, называется микроструктурой.
Иногда эти понятия путают. Бывает, что за макроструктуру принимают, например, крупнокристаллическую структуру, сформированную литьем. На рисунке 1 показана такая структура, полученная направленной кристаллизацией. Но это не макроструктура. Это просто крупные зерна, т.е. фактически это микроструктура. Размер таких зерен 1000 мкм и более. Микроструктура того же образца, зафиксированная через металлографический микроскоп, показана на рисунке 2. Размер зерен тот, же и у структуры на рисунке 1. Т.е., в данном случае нельзя говорить о макроструктуре. На рисунках 1 и 2 есть только микроструктура, зафиксированная разными способами.
Рисунок 1. Структура литой меди; фото сделано цифровым ф/а, х3,6
 |  |
| а | б |
Рисунок 2. Микроструктура литой меди; а – край отливки, б – центр отливки; х50.
Иной случай показан на рисунках 3 и 4. На рис.3 показан прессованный полуфабрикат из титана. На фотографии хорошо видны различные зоны, характер кромки. отдельные гранулы (обведено красным), из которых и было спрессовано изделие, а также поры между гранулами. Все вместе это и составляет макроструктуру. Строение самих гранул при этом не выявляется. Если сделать шлиф, то без травления можно увидеть структуру пор отдельной гранулы. Это уже микроструктура.
Рисунок 3. Макроструктура образца титана.
Рисунок 4. Микроструктура образца губчатого титана; фотография сделана на оптическом микроскопе.
Ниже приведен один из самых наглядных примеров соотношения макро- и микроструктуры. На рис.5 показан макрошлиф. Микроструктура здесь не видна. Видны различно травящиеся участки, которые соответствуют участкам разного состава и разной структуры.
Рисунок 5. Шлиф сварного шва после травления на макроструктуру; фото через сканер.
 |  |
| а | б |
 |  |
| в | г |
Рисунок 6. Соотношение макро- (а,б) и микроструктуры (в,г) в зоне сварного шва.
Рисунок 7. Микроструктура в зоне 1.
Итак, структура на рисунках 5 и 6 (а,б) – макро, на рисунках 5 в,г – микро. На рисунке 7 показана микроструктура в зоне 1.
Микроанализ используют не только для того, чтобы увидеть структуру материала. Изображение микроструктуры позволяет провести количественный анализ. На рис.8а показана структура феррито-перлитной стали. На рис.8б показана «маска» той же структуры; на ней зерна перлита выделены различным цветом в зависимости от их размера. В компьютерной программе размер зерна можно определить и построить распределение зерен по размерам (рис.9 ). Подробнее об этом написано в статье «Количественная металлография».
 |  |
| а | б |
Рисунок 8. Структура доэвтектоидной стали (а) и маска для определения размера зерна (б).
Рисунок 9. Распределение зерен перлита по размерам
Макроанализ структуры металлов и сплавов
Макроанализом(макроскопическим анализом) называется изучение структуры металла или сплава невооруженным глазом или с помощью лупы при небольшом увеличении (до 30 раз).
Структура металла при этом может изучаться либо непосредственно на поверхности либо в изломе (рис. 13) детали или специально приготовленного для этой цели образца.
Образцы для макроанализа изготовляются путем вырезки из детали или отливки.
Макроанализ позволяет выявить различные пороки в литых деталях и отливках.
Подлежащая исследованию поверхность металла тщательно шлифуется на наждачной бумаге разных размеров и протравливается. Подготовленная таким образом поверхность называется макрошлифом.
Травление
Травление производится специальными реактивами. Так, для «глубокого» травления, выявляющего волокнистое строение металла, химическую неоднородность и различные пороки сварки, неоднородное распределение вредной примеси — серы в стальных деталях.
Изучение изломов стали и чугуна позволяет судить о наличии внутренних пороков металла:
газовых пузырей и пор в литых деталях,
трещин и волосовин, образовавшихся в результате прокатки металла с внутренними пороками.
Для этого используются концентрированные растворы кислот и их смеси в горячем или кипящем состоянии.
Волокнистое строение в кованых, штампованных, прокатных деталях (рисунок выше).
Кроме того, анализ излома стали позволяет судить о размере зерна, о степени однородности структуры по сечению о наличии перегрева или пережога металла.
Вопрос 3. Оборудование для проведения макро и микроанализа структуры
Макроскопический анализ (макроанализ) – это изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или с помощью небольших увеличений (до 30х).
1) судить о качестве металла путем внешнего осмотра изделия с целью установить на его поверхности различные несплошности (трещины, литейные поры, усадочные раковины и т.д.);
2) выявить особенности строения металла в слитке после его затвердевания;
3) установить способ производства изделия на машиностроительном предприятии, т.е. выявить процесс формообразования этого изделия (обработка давлением, сварка, резание).
Макроанализ наиболее простой и доступный метод исследования, т. к. для его проведения не требуется специального оборудования. Вместе с тем, этот метод достаточно информативен, т.к. позволяет наблюдать одновременно большую поверхность заготовки (детали).
Макростроение можно изучать не только непосредственно на поверхности металла, но и в изломе заготовки (детали), а также после предварительной подготовки исследуемой поверхности, заключающейся в её шлифовании и травлении специальными реактивами. Шлифованный и протравленный образец называют макрошлифом.
Таким образом, в макроанализе можно выделить три основных приема изучения строения металлов и сплавов: осмотр поверхности, анализ изломов и изучение макрошлифов.
Микроскопический анализ (микроанализ) металлов и сплавов заключается в исследовании их микроструктуры с помощью оптического или электронного микроскопов. Микроструктурой называется строение металлов, выявляемое с помощью микроскопа. Детали ее невидимы невооруженным глазом. Для нормального глаза при удалении от объекта на расстояние наилучшего видения (250 мм) минимальное разрешение составляет около 0,20 мм (200 мкм). Для наблюдения и изучения более мелких деталей структуры предназначены микроскопы. При использовании оптического микроскопа можно наблюдать элементы структуры размером до 10 4 мкм, более мелкие —с помощью электронного микроскопа. Микроанализ позволяет определить форму и размеры отдельных зерен, фаз и структурных составляющих*, а также их содержание и взаимное расположение. С помощью микроанализа можно определить структуру сплава в любом состоянии (литом, деформированном, до —и после термической обработки и т.д.); измерить толщину окисленного или насыщенного химико-термической обработкой (цементация, азотирование и т.д.) поверхностного слоя изделий; определить имеющиеся микродефекты (трещины, другие нарушения сплошности металла), посторонние включения (частицы шлака, оксиды и т.д.) и многое другое. Металлографический оптический микроскоп отличается от биологического методом использования освещения. Поскольку металлы непрозрачны для видимого света, их невозможно исследовать на просвет. Поэтому применяется отражение световых лучей, которое должно происходить от исследуемой поверхности микрошлифа. Для получения микрошлифа подготовленную плоскую поверхность исследуемого образна шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению химически активными веществами. В каждом конкретном случае количество образцов для исследования и место их отбора должно определяться целью исследования. Например, в круглых прутках небольшого сечения при изучении микроструктуры целесообразно исследовать как поперечные, так и продольные сечения. Площадь изучаемой поверхности не должна быть большой (обычно не более 1,0. 20 мм2). Высота образца определяется легкостью манипулирования при шлифовке и полировке. В случае, когда размеры исходного изделия и микрошлифа малы (проволока, тонкий лист), их закрепляют в специальные зажимы (струбцины) или заливают в оправках легкоплавкими материалами (эпоксидные или акриловые смолы, пластмассы и др.).
Вопрос 4. Зондовые методы анализа структуры
Сканирующие зондовые методы исследования. Данная группа методов является наиболее широко используемой в области наноматериалов и нанотехнологий. Основная идея всех методов данной группы заключается в использовании зонда – устройства считывания информации с поверхности исследуемого материала. Все методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) основаны на одном принципе действия: острый зонд подводится к исследуемой поверхности на расстояние порядка 1 нм. В результате приближения между образцом и зондом устанавливается физическое взаимодействие, силу которого можно измерить. Интенсивность измеряемого сигнала за- висит от расстояния зонд–образец, что используется для контроля данного расстояния. Относительное перемещение зонда и образца (скани рование) реализуется с помощью пьезокерамического сканера, который изменяет размеры под воздействием прикладываемого напряжения. Основное отличие между различными разновидностями методов СЗМ (сканирующая туннельная микроскопия – СТМ, сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), магнитно-силовая микроскопия, ближнепольная акустическая микроскопия и т. д.) лежит в типе взаимодействия, который использует-ся для контроля расстояния зонд–образец. Несмотря на то, что количество вариантов СЗМ достаточно много- численно, оно продолжает расти, что позволяет получать дополнительную информацию не только топографическую, но и о поверхностных свойствах образцов. В большинстве случаев в качестве рабочего тела зонда использует-ся алмазная игла с радиусом при вершине порядка 10 нм. С помощью высокоточного позиционирующего (сканирующего) механизма зонд перемещают над поверхностью образца по трем координатам. Как правило, имеется два диапазона перемещения зонда: грубое перемещение с относительно низкой точностью и высокой скоростью и точное перемещение с достаточно низкой скоростью и высокой точностью позиционирования до 0,1–1 нм. Большая точность позиционирования обеспечивается, как правило, по высоте. Сигнал от зонда обрабатывается с по- мощью компьютера и преобразуется в трехмерное изображение. Для обработки снимаемых сигналов, их фильтрации и корректировки используются специальные пакеты программ. Стоимость и размеры зондовых микроскопов значительно ниже, чем у электронных, а возможности вполне соизмеримы. Для ряда вариантов зондовой микроскопии наличие вакуума не требуется, материалы исследования могут быть самые разнообразные, в том числе изоляторы, полупроводники, биологические объекты. При этом исследования могут проводиться без существенного повреждения объекта и с достаточно простой подготовкой его поверхности (например, только полировка отдельного участка). Достоинства метода сканирующей микроскопии: сверхвысокое разрешение (атомного порядка, 10-2 нм); возможность размещать образец не в вакууме (как в электронных микроскопах), а в обычной воз- душной среде при атмосферном давлении, в атмосфере инертного газа и даже в жидкости, что особенно важно для изучения гелеобразных и макромолекулярных структур (белков, ДНК, РНК, вирусов). По принципу синтеза изображений (с помощью электронных сканирующих систем) и диапазону объектов анализа метод сканирующей микроскопии тесно связан с электронной микроскопией.
Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 873 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Макроанализ металлов и сплавов
Лекомцев Павел Александрович,
Савченко Виталий Петрович
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ,
Институт цветных металлов и материаловедения,
Кафедра металлургии цветных металлов,
Россия, г. Красноярск
Макроанализ применяют для выявления в металле дендритного строения, усадочной рыхлости, газовых пузырей, трещин, пустот, плен, шлаковых включений, структурной неоднородноcти, качество сварного соединения.
При макроанализе производится исследование макроструктуры металлов и сплавов.
Макроструктурой называется строение металла, видимое без увеличения или при небольшом увеличении (до 10 −30 раз) с помощью лупы.
Макроструктура может быть исследована непосредственно на поверхности заготовки или детали; в изломе или, что делается чаще, на вырезном образце (темплете) после его шлифования и травления специальным реактивом.
Определение параметров макроструктуры металла проводится с применением измерительного и визуального контроля. Для выявления макроструктуры слитков алюминия и алюминиевых сплавов используют метод химического травления, основанный на различной скорости растворения структурных и фазовых составляющих в специализированных химических реактивах. Создание рельефа поверхности макрошлифа обусловлено различием скорости растворения отдельных фаз и избирательной травимости структурных составляющих в поликристалле. Из-за неравномерности хода отраженных от рельефа поверхности лучей при косом освещении образуются теневые картины, по которым идентифицируют и определяют параметры макроструктуры сплава.
Макроанализ в отличие от микроскопического анализа не позволяет определить всех особенностей строения металла. Поэтому часто макроанализ является не окончательным, а лишь предварительным видом исследования. По данным макроанализа можно выбрать те участки изучаемой детали, которые надо подвергнуть дальнейшему, более подробному микроскопическому исследованию. Результаты макроскопического анализа можно в необходимых случаях зафиксировать, получив снимок макроструктуры исследуемого места детали или заготовки. Для этой цели применяют специальные установки, позволяющие проводить фотосъемку плоских и рельефных объектов при увеличении от 0,5 до 50 раз.
Наружные, или поверхностные, макродефекты, расположенные непосредственно на поверхности изделий, выявляют путем исследования поверхностей этих изделий. Если изделия литые, т. е. получены методом литья, то на их поверхности наиболее часто встречаются следующие дефекты:
— усадочные пустоты (раковины, рыхлости, пористость)? образующиеся в результате усадки металла (уменьшение объема) при его затвердевании;
— газовые раковины (пузыри), возникающие в кристаллизующемся металле чаще всего из-за его большой газонасыщенности;
— трещины, дефект в виде разрыва или надрыва в теле отливки появляющиеся как результат высоких напряжений в отливках из-за сопротивления формы их усадке, а также неодинаковых скоростей охлаждения различных частей литой заготовки;
— неметаллические включения, частицы окислов, шлака, флюса, карбидов, электролита, футеровочных материалов и др. посторонних включений, попадающие в слиток в процессе приготовления расплава механическим путем или образовавшиеся вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении, заливке металла, во время литья.
В пластически деформированных изделиях остается часть дефектов литого металла. Оставшиеся дефекты при пластическом деформировании металла видоизменяются. Усадочные пустоты превращаются в расслоения. Некоторые неметаллические включения (а также газовые пузыри), окисленные и потому не заварившиеся в процессе горячей обработки давлением, вытягиваются и образуют прямые тонкие штрихи-трещинки глубиной не более 1,5 мм и длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Такие трещинки, расположенные в направлении деформирования, называются волосовинами.
К дефектам пластически деформированного металла относятся также сильно разветвленные, проникающие в глубь металла трещины и раковины, вызванные пережогом (т. е. окислением металла по границам зерен); надрывы, обусловленные чрезмерно большой степенью деформации; окалина — слои окисленного металла (если она вдавлена в металл, на его поверхности образуется рябизна).
По результатам исследования поверхностей изделий делается мотивированное заключение о возможности их дальнейшей эксплуатации.
Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия, выявляются при изучении изломов.