Микроструктура металлов. 
Материаловедение

Одно из главных мест в металловедении занимает микроскопический метод исследования структуры металлов и сплавов. Сущность метода заключается, как показывает название, в изучении структуры металлов под микроскопом при увеличении обычно от 50 до 2000 раз. Микроскопическое исследование структуры металлов и сплавов производится на специально приготовляемых микрошлифах, т. е. на тщательно отшлифованной плоской поверхности исследуемого участка образца.

Микроскопы, применяемые при исследовании металлов, отличаются от биологических или медицинских микроскопов способом освещения объекта. В биологии исследуют тонкие прозрачные препараты, поэтому в биологических микроскопах для освещения используются лучи, проходящие через исследуемый объект. При исследовании металлов, являющихся непрозрачными телами, используется свет, отраженный от плоскости рассматриваемого шлифа. Рассматривая в такой микроскоп плоский, зеркально отполированный микрошлиф, видим ровную блестящую поверхность без каких-либо признаков внутренней структуры. Железо и сталь, никель и платина будут выглядеть совершенно одинаково. Взяв медь или золото, мы, конечно, заметим разницу окраски, но это видно и без микроскопа и, очевидно, не в этом цель микроскопического метода.

Для выявления структуры металла достаточно обработать поверхность микрошлифа кратковременным воздействием слабого раствора кислоты (азотной, пикриновой, соляной и др.) — и на протравленном шлифе становится отчетливо видимой структура металла. Действие кислоты заключается в том, что она по-разному растворяет микрочастицы металла, если металл неоднороден, но своему строению, как неоднородны бывают минералы и горные породы. В результате этого зеркальная поверхность микрошлифа приобретает рельеф, выступающие над поверхностью частицы отбрасывают от себя тени и становятся отчетливо видимыми, так как освещение поверхности микрошлифа никогда не бывает строго вертикальным. Кроме того, поверхность растравленного кислотой металла хуже отражает свет (становится менее блестящей), что еще более увеличивает контраст между выступающими частицами и основным фоном (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Сталь 45 (0,45 масс. % С). Неполная закалка. Сохраняется избыточный феррит (светлые включения), существовавший перед началом охлаждения и наблюдается образовавшийся при закалке мартенсит (матрица) с небольшим количеством остаточного аустенита между его иглами, X 100.

Рис. 2.9. Равноосные зерна феррита в техническом железе. Темные пятна — дефекты полировки («грязь»),

X 100.

При травлении образца, состоящего из однородных кристаллических зерен, например, чистого металла, однородного твердого раствора (см. гл. IV) или чистого химического соединения двух металлов, наблюдаются поверхности различно протравленных зерен, и границы зерен в форме тонкой темной сетки (рис. 2.9). Первое объясняется тем, что поверхность шлифа пересекает по-разному ориентированные в пространстве кристаллические зерна металла (по различным кристаллографическим направлениям), поэтому и степень воздействия кислоты на них различна: одни зерна остаются совершенно нетронутыми, блестящими, другие сильно протравливаются, темнеют, сильнее рассеивая свет. Второе — вытравливание границ — объясняется тем, что физическая природа границ двух соседних зерен, т. е. поверхность их стыка, иная, чем природа самого кристалла.

Оригинальным способом определения разнообразных структурных элементов металла служат так называемые цвета побежалости, появляющиеся на полированной поверхности металла при нагреве.

Приведенная в табл. 2.1 градация цветов относится только к очень короткому нагреву; при более длительном нагреве можно получить последовательно всю гамму цветов при.

Таблица 2.1

Температуры нагрева и соответствующие им цвета побежалости.

какой-либо одной температуре; например, при 230 °C после 15 мин — темно-желтый, более 30 мин — коричнево-красный, более 45 мин — темно-синий.

Иногда приходится прибегать к особым средствам, чтобы выделить ту или иную структурную составляющую. Например, в стали твердый цементит от мягкого феррита можно легко отличить под микроскопом, сделав предварительно отпечатки алмазной пирамидкой, вдавливающейся в образец под определенной нагрузкой. В мягких участках получается отпечаток, значительно больший по размерам, чем на твердом цементите (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Отпечатки, полученные с помощью прибора для измерения микротвердости, характеризующие более высокую твердость цементита в стали, X 700.

Применение микроскопа к изучению металлов позволило получить представление об их строении, что и легло в основу науки о структуре и свойствах металлов — металлографии. С 1920;х гг., когда был введен термин «Металловедение», термин «металлография» характеризует только учение о макрои микроструктуре металлов и сплавов.

Первым исследователем, применившим микроскопическое изучение полированной и протравленной поверхности металлических изделий для оценки их качества, был горный инженер Павел Петрович Аносов, работавший в 40-х гг.

XIX в. в Златоусте на Урале над возрождением утраченного способа изготовления булатных клинков, родиной которых являются Персия и Индия. Эти клинки славились не только своими замечательными механическими качествами (сочетание высокой твердости и упругости), но и красивым узором на поверхности (рис. 2.11), который не гравировался снаружи, а был непосредственным проявлением внутреннего строения материала — после полировки и травления узор на клинке восстанавливается.

Специалисты оценивали качество клинков по характеру узора. Аносов в своих опытах по изготовлению булатных клинков также сопоставлял качество клинков с характером узора, выявлявшегося на их поверхности после шлифовки и травления. Это исторически первый, сохранившийся в научной литературе, пример металлографического исследования.

Однако металловедческие работы П. П. Аносова не получили соответствующего развития. Уже в наше время Златоустовские металлурги попытались воспроизвести технологию производства булата, но легендарной упругости клинков достичь не удалось.

Применение микроскопа для исследования металлов широко используется только с 1870-х гг. Общепризнано, что микроскопическую металлографию основали независимо трое ученых: П. П. Аносов (Россия), Г. Сорби (Англия) и А. Мартенс (Германия). При этом Сорби и Мартенс уже в первых своих работах описывали технику приготовления шлифов (шлифование, полирование, травление) и фиксировали изображения структур не только с помощью рисунка, но и на фотографиях. В России первая металлографическая лаборатория была организована в 1895 г. А. А. Ржешотарским на Обуховском заводе в Петербурге.

Однако применение микроскопа ограничено физической природой света и законами его отражения. Глаз может видеть предметы только с помощью отраженных лучей све;

Рис. 2.11. Булатная сталь, благодаря особому способу изготовления отличается своеобразной структурой и видом («узором») поверхности, высокой твердостью и упругостью. Узорчатость булатной стали связана с особенностями выплавки и кристаллизации

та, и условием «видимости» является способность предмета отражать световые лучи. Но эта способность ограничена некоторыми предельными размерами предмета, определяемыми длиной световой волны.

Разрешающая способность оптического микроскопа, т. е. минимально различимая величина объекта (детали структуры), не превышает 0,2 мкм (2000А)1. Применение больших увеличений бесполезно, так как меняется только масштаб изображения, а разрешающая способность, определяемая волновой природой света, не меняется.

Применение электронных микроскопов, использующих электронные лучи с длиной волны 4—12 нм, дает возможность различать детали изучаемого объекта размерами до 20—50 нм, т. е. подробно изучать тонкую структуру (субструктуру) металла. Одно из наиболее важных достижений электронной микроскопии — возможность прямого наблюдения дефектов кристаллической структуры.

Рентгеноструктурный анализ. В 1912 г. немецкими физиками М. Лауэ, В. Фридрихом и П. Книппингом была открыта дифракция рентгеновских лучей на кристаллах. Направив узкий пучок рентгеновских лучей на неподвижный кристалл, они зарегистрировали на помещенной за кристаллом фотопластинке дифракционную картину, которая состояла из большого числа закономерно расположенных пятен. Каждое пятно — след дифракционного луча, рассеянного кристаллом.

Разработанная Лауэ теория дифракции рентгеновских лучей на кристаллах позволила связать длину волны излучения и присущее веществу в кристаллическом состоянии правильное расположение атомов (ионов, молекул), характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях — параметрами элементарной ячейки кристаллической решетки а, Ь, с.