 |
Экзаменационный билет № 2. 1. Понятия макро- и микроструктуры строения металлов. 2. Электронная микроскопия. Принципиальная схема Прибора. Подготовка образцов. Методика анализа микрофотографий.
|
|
|
|
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 2
1. Понятия макро- и микроструктуры строения металлов.
Одной из характеристик металла является его структура. Под структурой металла понимают взаимное расположение различных фаз, их форму и размер.
Макроструктура - это строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (30 - 40раз). С помощью анализа макроструктуры в металле обнаруживают крупные неметаллические включения, пористость, усадочные раковины, трещины, выявляют направление волокон после обработки металла давлением.
Микроструктура - это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа. С помощью анализа микроструктуры определяют величину и расположение зерен металла, размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в металле, контролируют состояние структуры поверхностного слоя изделия, выявляют микродефекты (мелкие трещины, раковины и т. д. ).
Установлено, что структура металла является одним из основных факторов, определяющих свойства металлических изделий. С помощью макро- и микроанализа металла заготовок и изделий своевременно выявляют дефекты металла, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надежность изделий в работе. Поэтому контроль структуры производят на всех этапах изготовления изделий: от выплавки металла до термической обработки готовых деталей.
Изучение структуры металла проводят на специально подготовленных плоских и гладких поверхностях - шлифах. Приготовление шлифа заключается в шлифовке и последующей полировке металла. Полировку металла проводят двумя способами: механическим (на абразивных материалах) и электролитическим (с помощью растворения в специальном реактиве под действием электрического тока).
|
|
|
Для выявления структуры металла существуют различные способы. Чаще всего применяют химическое травление. При этом способе на поверхность шлифа воздействуют специальным реактивом (в зависимости от цели исследования), который выявляет границы зерен, различные фазы, неметаллические включения, поверхностные, слои, поры, трещины и прочие детали строения металла.
2. Электронная микроскопия. Принципиальная схема прибора. Подготовка образцов. Методика анализа микрофотографий.
Электронная микроскопия - совокупность методов исследования с помощью электронных микроскопов (ЭМ) микроструктуры и их локального состава. Эта задача в полной мере решается на современных приборах, когда просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) совмещают с растровым (РЭМ).
Для наблюдения используется электронная оптика - совокупность приборов и методов исследования, основанная на формировании потоков электронов и управлении ими с помощью электрических и магнитных полей (электронная линза впервые была создана в 1926 г. ).
Растровая (сканирующая) электронная микроскопия
Этот метод основан на зондировании поверхности изучаемого образца электронным зондом. Сущность метода состоит в том, что поверхность массивного образца облучается тонко сфокусированным (диаметром до 5-10 нм) пучком электронов - так называемым электронным зондом. Пучок электронов совершает возвратнопоступательное движение по линии или развертывается в растр - совокупность близко расположенных параллельных линий, вдоль которых пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности.
В каждой точке облучаемой поверхности происходит взаимодействие электронов пучка с веществом, в результате чего возникает ряд эффектов: образуются отраженные электроны, вторичные электроны, рентгеновское и другие.
|
|
|
При этом каждой точке на поверхности образца соответствует определенная точка на экране электронно-лучевой трубки. Яркость каждой точки на экране определяется интенсивностью сигнала из соответствующей точки образца.
Метод растровой электронной микроскопии позволяет изучать микротопографию (шероховатость) различных поверхностей материалов изделий, в частности:
-изучать микротопографию (фрактографию) поверхностей разрушенных образцов (изломов) после испытания. В зависимости от температуры разрушения и прочности границ зерен, различают два вида разрушения: по границам зерен (интеркристаллитное разрушение, хрупкое, вязкое) и разрушение по телу зерен (транскристаллитное разрушение).
Просвечивающая электронная микроскопия
Просвечивающий электронный микроскоп дает возможность «заглянуть» во внутренний мир строения материала изделия, наблюдать очень мелкие частицы включений, несовершенства кристаллического строения - субзерна, дислокации, которые невозможно разглядеть с помощью светового оптического микроскопа.
В электронной пушке катод - раскаленная вольфрамовая нить испускает электроны, которые ускоряются на пути к аноду мощным электрическим полем, проходят через отверстие анода. Полученный узкий интенсивный пучок быстро летящих электронов вводится в систему электромагнитных линз электронного микроскопа. После фокусирования двухступенчатой электромагнитной линзой (конденсором) электронные лучи, проходя через объект, рассеиваются и далее фокусируются объективной линзой, формирующей первичное изображение просвечиваемой электронами части объекта. Объективная линза дает увеличение примерно в 100 раз.
Следующая за объективом промежуточная линза перебрасывает промежуточное изображение с небольшим увеличением (обычно до 10 раз) в предметную плоскость проекционной линзы, а проекционная линза формирует окончательное сильно увеличенное изображение (проекционная линза дает увеличение до 100 раз).
Таким образом, общее увеличение электронного микроскопа может достигать 100000 раз.
Наибольшую информацию о структуре металла дает прямой метод электронно-микроскопического исследования, когда объектом исследования служит тонкая металлическая фольга.
|
|
|
Фольгу чаще всего приготовляют следующим образом. Из образца, подлежащего изучению, вырезают круглую заготовку диаметром 3 мм и толщиной 0, 2-0, 3 мм, которую затем утоняют шлифованием до 0, 1-0, 15 мм. Окончательное утонение пластинки осуществляют химическим или электролитическим (наиболее частый случай) полированием в подходящем реактиве (по химическому составу, температуре). Подготовленную пластинку погружают в электролит в качестве анода. Катодами служат две металлические пластинки, расположенные по обе стороны от образца (фольги).
Если растровая электронная микроскопия может объяснить, как произошло разрушение в исследуемом материале изделия, как металлическая поверхность детали откликается на термопластическое воздействие внешней среды, то просвечивающая электронная микроскопия может объяснить, почему это происходит, как этому способствует структурно-фазовое состояние материала.
Метод просвечивающей электронной микроскопии позволяет изучать внутреннюю структуру исследуемых металлов и сплавов, в частности: определять тип и параметры кристаллической решетки матрицы и фаз; определять ориентационные соотношения между фазой и матрицей; изучать строение границ зерен; определять кристаллографическую ориентацию отдельных зерен, субзерен; определять углы разориентировки между зернами, субзернами; определять плоскости залегания дефектов кристаллического строения; изучать плотность и распределение дислокаций в материалах изделий; изучать процессы структурных и фазовых превращений в сплавах; изучать влияние на структуру конструкционных материалов технологических факторов (прокатки, ковки, шлифовки, сварки и т. д. ).
|
|
|
