7. Методы изучения строения металлов

Для исследования внутреннего строения (структуры) металлов и сплавов, а также их поверхности применяются самые разнообразные методы, подавляющее большинство которых основано на физических принципах.

Как правило, изучение строения металлов и сплавов начинается с помощью наиболее простого и широко распространенного в научных и заводских лабораториях метода — световой микроскопии (часто этот метод Называют металлографическим,

хотя это понятие в принципе более широкое). Методом световой микроскопии изучают размеры, форму, взаимное расположение кристаллов (зерен), достаточно крупные включения в них, некоторые дефекты кристаллического строения (двойники, дислокации).

Так как все металлы — вещества непрозрачные (для видимого света), то форму кристаллов, а также их размер и взаимное расположение изучают на специально изготавливаемых микрошлифах. В этом случае делают разрез металла в плоскости, интересующей исследователя. Затем полученную плоскость шлифуют и полируют до зеркального состояния. Чтобы выявить структуру, следует создать рельеф или окрасить в разные цвета структурные составляющие, что достигается обычно химическим травлением. При травлении кислота в первую очередь воздействует на границы зерна, как места, имеющие наиболее дефектное строение и которые в травленом шлифе станут углублениями; свет, падая на них, будет рассеиваться, и в поле зрения микроскопа они будут казаться темными, а тело зерна — светлым (см. рис. 11, б).

Для рассмотрения микрошлнфов при исследовании микроструктуры металлов применяют специальные микроскопы, в которых луч от источника света, отражаясь от шлифа, проходит через объектив и окуляр, давая соответствующее увеличение.

На рис. 11, б приведена структура металла при увеличении в 200 раз, так называемая микроструктура. Иногда требуется рассмотреть более грубые детали структуры — конгломераты отдельных более или менее однородных зерен и т. д. В этом случае после глубокого травления шлиф рассматривают глазом (или при помощи лупы). Выявленная таким образом структура называется макроструктурой (а шлиф — макрошлифом).

Однако оптический микроскоп не является аппаратом, который может обнаружить кристаллик любого размера. Как известно из оптики, разрешающая способность микроскопа

где — разрешающее расстояние; — длина волны; — показатель преломления среды между объективом и предметом; — отверстный угол объектива.

Чем больше апертурное число тем меньше разрешающая способность. В современных микроскопах отверстный угол объектива близок к 90°, показатель преломления воздуха равен 1. Отсюда

т. е. разрешающая способность оптического микроскопа равняется длине волны света, т. е. 0,6 мкм.

Величина 0,6 мкм, характеризующая разрешающую способность оптического микроскопа, теоретическая. Практически (с учетом несовершенства оптической системы микроскопа) она близка к 1 мкм. Следовательно, детали структуры, размеры которых менее 1 мкм, не будут разрешаться оптическим микроскопом. Увеличение, получаемое в световом микроскопе не более 108 (специальным методом можно получить увеличение, вдвое большее).

Для изучения более тонких деталей структуры (мельче 0,1 мкм) применяют методы электронной микроскопии, основанные на взаимодействии электронов с твердым телом. Наиболее широкое распространение в настоящее время получили методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ). В основе метода ПЭМ лежит упругое рассеяние электронов (т. е. без изменения энергии) в поле электрического потенциала атомов. Наиболее простым в методическом отношении является изучение в просвечивающем электронном микроскопе реплик — тонких пленок, точно воспроизводящих микрорельеф поверхности изучаемого образца. Реплика получается путем конденсации (напыления) паров углерода (или других веществ) в вакууме на поверхность изучаемого

объекта с последующим ее отделением. Разрешение на репликах нм. Методом реплик чаще всего изучают характеры изломов сталей — метод фрактографии (рис. 22, а, б). В настоящее время метод реплик вытесняется методом РЭМ. Наиболее универсальная и обширная информация получается при использовании дифракции электронов в ПЭМ — метод дифракционной электронной микроскопии. Объектами исследования являются тонкие фольги (0,1 мкм), получаемые электрохимическим утонением массивных образцов.

Рис. 22. Фрактографии изломов, снятых в просвечивающем и на растровом электронных микроскопах: а, в — хрупкое разрушение; б, г — вязкое разрушение

В ПЭМ электроны ускоряются обычно при напряжении Для длина волны электронов , где — постоянная Планка; — масса, скорость и заряд электрона. Так как теоретическая разрешающая способность микроскопа равна длине волны используемого излучения, то очень малая длина волны электронов указывает на то, что в ПЭМ можно добиться очень высокой разрешающей способности. Однако различные несовершенства

электронно-оптической системы ПЭМ значительно повышают эту величину (до 0,2-1 нм). Использование дифракции электронов для изучения внутреннего строения металлов и сплавов позволяет получать подробную информацию о всех типах дефектов кристаллического строения, о структуре, образующейся при различных видах фазовых превращений и деформации. Характерные примеры электронно-микроскопических изображений, полученных в ПЭМ методом дифракционной электронной микроскопии, показаны на рис. 15, 16, 18. Другой метод взаимодействия электронов с твердым телом лежит в основе метода РЭМ. В растровом электронном микроскопе поверхность изучаемого образца облучается очень узким (диаметр 1—10 нм) пучком электронов (зондом). Зонд постепенно обегает (сканирует) всю поверхность исследуемого объекта, а датчики регистрируют «ответные» сигналы от участка образца, на который попадает зонд. Электроны в РЭМ при обычно используемых напряжениях (до 50 кВ) испытывают неупругие (с изменением энергии) столкновения с электронами образца и упругие столкновения с ядрами. При этом образуются и регистрируются датчиками отраженные электроны, испускаемые образцом под воздействием облучения зондом и характеристическое (определенной длины волны) рентгеновское излучение. Наименьшая разрешающая способность 7—10 нм при регистрации вторичных электронов. Наиболее характерной и отличительной способностью РЭМ является большая глубина резкости изображения (фокуса), что открывает широкие возможности для исследования особенностей поверхностей, в частности, при исследовании изломов (фрактографии) (рис. 22, в, г). Кроме того РЭМ используют при изучении включений в стали, порошков, а также травленой полированной поверхности (т. е. обычного металлографического шлифа), получая лучшие изображения, чем в оптическом микроскопе.

Одним из наиболее важных и распространенных методов изучения строения металлов и сплавов является рентгеноструктурный анализ. В основе этого метода лежит рассеяние рентгеновских лучей (обычно используют рентгеновские лучи с длиной волны «0,1 нм, т. е. порядка размера атома) электронами твердого тела. Анализ дифракционной картины (рис. 23) позволяет определить атомно-кристаллическую структуру вещества. Разработаны специальные методы прикладного рентгеноструктурного анализа, которые позволяют исследовать различные нарушения кристаллического строения, определять напряжения в металлах, проводить качественный и количественный фазовые анализы сплавов, исследовать характер колебания атомов (динамику решетки).

В случае применения сложных по составу сплавов исследование всегда начинается с установления его химического состава. Средний состав сплава определяется методами аналитической химии и спектрального анализа. Однако, если сплав состоит из нескольких фаз разных составов и надо знать состав каждой фазы, то применяют метод фазового химического анализа. Для этого сплав подвергают растворению (электролизу) таким образом, чтобы интересующая исследователя фаза не растворилась, а остальные растворились. Отфильтровав нерастворимый осадок и сделав химический анализ, устанавливают состав определяемой фазы. Так, в частности, изучают состав карбидов (соединений металлов с углеродом) в стали — карбидный анализ.

Высокая точность при определении распределения компонентов в сталях достигается при использовании метода рентгеноспектрального микроанализа (микрозонда), который основан на анализе рентгеновского характеристического излучения, возникающего при облучении исследуемого объекта узким (до 1 мкм) пучком электронов (зондом). По длине волны и интенсивности рентгеновского излучения определяют, какие элементы и в каком количестве присутствуют в выбранном зондом микрообъеме. Для выбора исследуемого участка на образце применяют световой микроскоп. С помощью микрозонда определяются все элементы от бора (порядковый номер до урана Для элементов с минимальная концентрация элемента, обнаруживаемая микрозондом, составляет сотые (а при оптимальных условиях и тысячные) доли процента. Для более легких элементов чувствительность метода хуже. Ценность метода микрозонда заключается не столько в его чувствительности, сколько в локальности, т. е. способности осуществлять анализ небольших объемов материала (до ). В настоящее время микрозонды выпускаются, как правило, в виде приставок к РЭМ, при этом оба прибора удачно дополняют друг друга. Например, имеется возможность выяснения причины того или иного типа разрушения с учетом химической неоднородности (сегрегации атомов по

границам зерен и т. д.). На рис. 24 приведены снимки включений в стали, содержащей марганец, серу и фосфор. На снимке, снятом в РЭМ в отраженных электронах (рис. 24, а), — форма включений. С помощью микрозонда было определено, что включение представляет собой сульфид марганца, так как было зарегистрировано характеристическое излучение марганца и серы, а не свинца (рис. 24, б, в).

Рис. 23. (см. скан) Рентгенограмма закаленной стали

Описанные выше способы изучения строения металлов и сплавов являются основными и наиболее распространенными, однако далеко не исчерпывают всего арсенала современной металловедческой или металлофизической лаборатории. Заслуживают краткого упоминания такие методы, как нейтронография, которая позволяет определить положения легких атомов в соединениях с тяжелыми, а также установить взаиморасположение атомов-соседей по периодической таблице, метод

ядерного гамма-резонанса (эффект Мессбауэра), позволяющий изучать различные по природе сверхтонкие взаимодействия в сплавах, метод автоионной микроскопии, позволяющий наблюдать изображения отдельных атомов на поверхности твердого тела, метод Оже-электронной спектроскопии, позволяющий обнаруживать на поверхности и в приповерхностном слое сплава толщиной в несколько атомных слоев все элементы, начиная с и определять их концентрацию.

Рис. 24. Идентификация включений рентгеноспектральным методом: а — в отраженных электронах Х600; б-г — в характеристическом излучении серы (б), марганца (в) и свинца (г)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(см. скан)