Министерство образования и науки Республики Казахстан
Карагандинский государственный технический университет
«Утверждаю»
Первый проректор
_______________________
«____» _________ 2016 г.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Изучение тонкой структуры железных сплавов»
Кафедра: Металлургия, материаловедение и нанотехнологии
2016 г.
Тема 1
1. Введение в дисциплину «Изучение тонкой структуры железных сплавов».
2. Цель изучения дисциплины. Задачи и содержание курса.
Цель дисциплины
Дисциплина «Изучение тонкой структуры железных сплавов» ставит целью формирование у магистрантов знаний: теоретических основ атомно - кристаллического строения тонкой и наноструктуры сплавов; фазово-структурного состава; влияния деформации и термической обработки на свойства тонкой и наноструктуры сплавов; подготовку магистрантов к грамотному выбору методов исследования структуры сплавов.
Задачи дисциплины
В результате изучения данной дисциплины студенты должны:
иметь представление:
– о методах структурного анализа материалов;
- об атомно-кристаллическом строении металлов;
- о конструкции установок для рентгеноструктурного анализа, электронных микроскопов, нейтронного дифрактометра, рентгеновского микроспектрального анализатора, Оже-спектрометра.
Знать
- законы дифракции рентгеновских лучей, электронов и нейтронов;
- основные методики рентгеноструктурного анализа моно - и поликристаллов и наноматериалов;
- принципы формирования изображения и основные области применения просвечивающей электронной микроскопии;
- теоретические основы микрозондовых методов исследования наноматериалов и их области применения;
уметь:
правильно выбрать метод анализа для получения объективной информации о структуре в макро, микро и нано диапазоне; ·
Тема 2
1. Макроанализ. Область применения. Подготовка макрошлифов.
2. Исследование макроструктуры. Поверхностное и глубокое травление.
Макроскопический анализ заключается в изучении строения металла путем просмотра его излома или специально подготовленной поверхности (макрошлифа) невооруженным глазом или при небольших увеличениях – до 30 раз.
Строение металла, выявленное таким способом, называется макроструктурой.
При макроанализе одновременно изучается сравнительно большая поверхность и получается информация об общем строении металл, о наличии в нем различных дефектов.
С помощью макроанализа можно выявить:
– нарушение сплошности металла, то есть усадочную рыхлость, газовые пузыри, пустоты, трещины;
– химическую неоднородность в распределении некоторых элементов, например ликвацию серы и фосфора;
– неоднородность строения сплава после горячей обработки давлением, например, фигуры течения металла, полосчатость и др.;
– макростроение сварного шва: число слоев шва, зону термического влияния, наличие пор, трещин, непровара и наличие других дефектов;
– вид излома, по которому можно установить характер разрушения образца или детали.
Тема 3
1. Микроанализ.
2. Применение микроанализа. Приготовление микрошлифов. Подготовка поверхности шлифа в зависимости от задачи исследования.
Под микроскопическим методом исследования металла понимают его изучение с помощью металлографических микроскопов на специально подготовленных плоских образцах – м и к р о ш л и ф а х. Внутреннее строение металла, изучаемое при помощи микроскопа называется микроструктурой. Увеличение при микроанализе выбирается в зависимости от от цели исследования и изучаемой структуры. Максимальное увеличение обычных оптических микроскопов достигает 1500 раз. Однако при обычных исследованиях нормальных структур углеродистых и цветных сплавов достаточно увеличения от 90 до 600 раз. Как правило, изучение микроструктуры всегда начинают с малых увеличений (90 – 100 крат), а затем, по мере необходимости, переходят на большие увеличения.
Основными задачами микроанализа являются:
– определение величины и формы зерен различных фаз и структурных составляющих сплавов;
– выявление структур, характерных для некоторых видов обработи;
– выявление микропороков, нарушающих цельность металла – микротрещин, раковин и др.
– обнаружение и исследование неметаллических включений;
– примерное определение химического состава сплава, если известен состав присутствующих фаз и их удельный вес;
– выявление измерений строения сплава, происходящих под влиянием различных режимов термической, химико-термической, обработки токами высокой частоты (ТВЧ) и другими видами обработки;
Микроструктурный метод исследования металлов содержит следующие этапы:
– вырезка образца из детали для последующего изучения;
– приготовлене микрошлифа;
– травление поверхности микрошлифа специальными реактивами для выявления микроструктуры;
– исследование шлифа под микроскопом.
Основные задачи, решаемые методами микроструктурного анализа
- Определение и оценка микроструктуры сталей (определение основных структурных составляющих - феррита, перлита, мартенсита, карбидов и др, их количества, морфологии и распределения);
- анализ неметаллических включений (определение химического состава включений, структуры, типа, количественная оценка загрязнённости металла различными включениями). При анализе включений часто используют кроме светлопольного, темнопольное освещение и поляризованный свет;
- определение величины зерна ( по гост 5639-65);
- контроль различных видов термической термомеханической, механической, химикотермической и других видов обработки сталей;
-определение марки и изучение микроструктуры чугунов и других сплавов.
Обычно микроструктура фиксируется путём фотографирования.
Тема 4
1. Современные представления о кристаллической структуре металлов.
2. Наноструктурированные частицы и материалы.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Расстояния между атомами называют параметрами решеток и измеряют в нанометрах. С повышением температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают различную кристаллическую решетку, что всегда приводит к изменению их физико-химических свойств.
Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфными превращениями. Полиморфные модификации обозначаются греческими буквами, которые в виде индекса добавляют к символу элемента.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ
Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух элементов или более. Элементами сплава могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонентами сплава. В сплаве кроме основных компонентов могут содержаться и примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свойства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси бывают случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специальные, которые вводят для придания ему требуемых свойств.
Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов при кристаллизации. Компоненты в твердом сплаве могут образовывать твердый раствор, химическое соединение и механическую смесь.
Твердые растворы —компоненты сплава взаимно растворяются один в другом. В твердом растворе один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решетки.
Химическое соединение —компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическа решетка. Компоненты имеют определенное соотношение по массе.
Механическая смесь -компоненты сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих ее компонентов. Механическая смесь имеет постоянную температуру плавления. Механическая смесь, образовавшаяся одновременной кристаллизацией из расплава, называется эвтектикой; в процессе превращения в твердом состоянии — эвтектоидом.
Поведение НС материалов часто определяется процессами на границе частиц или зерен.
Наличие протяжённых межфазных границ в наноструктурах приводит к возникновению многочисленных дислокаций, дефектов и связанных с ними межкластерных напряжений. Роль границ раздела (границ зёрен, границ тройных стыков и тд.) в наноматериалах чрезвычайно велика.
В связи с этим подробнее рассмотрим вопросы структуры границ и их роли в определении свойств наноматериалов.
Свойства кристаллических материалов определяются как объёмными характеристиками составляющих его зёрен, так и свойствами границ зёрен.
Граница зёрен определяется как переходная область между двумя совершенными однофазными кристаллами (или зёрнами) с разной кристаллографической ориентацией, которые находятся в контакте друг с другом.
Граница между одинаковыми фазами называется гомофазной внутренней границей раздела, а граница между различными фазами – гетерофазной внутренней границей раздела (или межфазной границей).
Таким образом, граница зёрен представляет собой гомофазную внутреннюю границу раздела, состоящую из разупорядоченных (по сравнению с соседними зёрнами) двумерных дефектов, толщина которых не превышает нескольких межатомных расстояний (5–10 Å). Из-за большой структурной проницаемости границ энергия активации процесса диффузии по границам зёрен, как правило, существенно меньше объёмной, а перенос атомов происходит на несколько порядков быстрее, чем в объёме совершенного кристалла.
Структура границ зёрен в НС материале при заданной температуре сложным образом зависит от целого ряда переменных:
• кристаллографических параметров, описывающих взаимную ориентацию двух кристаллов и границы раздела между ними;
• химического состава границы, или иными словами, природы и распределения адсорбированных атомов;
• потенциала взаимодействия между атомами;
• природы атомной релаксации, в результате которой достигается расположение атомов с минимальной свободной энергией упругих и концентрационных возмущений в направлении перпендикулярном границе.
Граница обладает упорядоченной, периодической структурой, которая полностью определяется кристаллографическими параметрами образующих её кристаллов, но её периодичность и плотность упаковки атомов на границе отличаются от соответствующих характеристик кристаллов, лежащих по обе стороны границы.
Свойства сетки границ определяется несколькими функциями распределений-кристаллитов по размерам (определяет протяжённость границ) и спектром распределений границ по разориентировкам.
Таким образом, границы характеризуются следующими кристалло-геометрическими характеристиками: величиной угла и направлением вектора разориентировки границ, индексами нормали к плоскости залегания границы, типом границы. Решётка и ориентация зёрен определяют свойства границ. Разориентировка границ является векторной величиной. Угол разориентировок определяется длиной вектора G (вектор Гиббса, который зависит от типа структуры: кубической, гексагональной, тетрагональной и др.).
Тема 5
Дефекты нанокристаллической решетки сплавов.
1. Точеные дефекты
2. Линейные дефекты:
3. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.
Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается. В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:точечные – малые во всех трех измерениях; линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем; поверхностные – малые в одном измерении.
Тема 6
1. Тонкая структура металлов и сплавов.
2. Методы исследования тонкой и наноструктуры металлов и сплавов.
Физические методы исследования структуры: Среди них особое место занимают методы радиографии и рентгеновского анализа. Путем просвечивания осуществляется дефектоскопия и контроль ориентации арматуры в композитах. Параметры кристаллических решеток определяются с помощью рентгеновского структурного анализа, основой которого служит соотношение Вульфа-Брегга:
2d sinY = k l,
d - межплосткостное расстояние (параметр решетки), Y - угол падения луча на кристаллографическую плоскость, k=1, 2, 3, 4 ..., l - длина волны рентгеновских лучей.
Рентгеновский анализ определяет качественный и количественный состав сплавов, физическую плотность кристаллов, плотность линейных дефектов в реальном кристалле, позволяет проследить полиморфные превращения в сталях и сплавах и обнаружить глубокие физико-химические процессы в металлах.
Тема 7
1. Просвечивающая электронная микроскопия. Подготовка образца: электрохимическое или химическое травление при приготовлении тонкого образца и метод реплик.
2. Микродифракция. Определение структуры, размеров и распределения структурных составляющих.
Просвечивающийся электронный микроскоп и нанотехнологии
В нанотехнологии ПЭМ используется не только для диагностики структуры и химического анализа, но и для решения других задач. Среди них – определение температуры плавления нанкристаллов, когда электронный луч используется для нагрева нанокристаллов, а точка плавления определяется по исчезновению электронной дифракционной картины. Другим примером является измерение механических и электрических параметров отдельных нанонитей и нантрубок. Метод позволяет получить однозначную корреляцию между структурой и свойствами нанонитей.
Тема 8
1. Растровая электронная микроскопия. Подготовка образцов.
2. Применение растровой микроскопии для исследования изломов разрушенных образцов.
Растровая электронная микроскопия.
Растровый электронный микроскоп (рэм) формирует изображение объекта при сканировании его поверхности электронным зондом. Это наиболее универсальный и перспективный прибор для исследования микроструктуры металлов и многих других материалов.
В рэм поверхность исследуемого массивного образца облучается стабильным во времени тонкосфокусированном ( диаметр 5-10нм) пучком электронов (электронным зондом). Зонд совершает или возвратно поступательные движения или развертывающиеся в растр ( совокупность близкорасположенных параллельных линий, вдоль которых зонд обегает выбранный на поверхности образца участок.).
При взаимодействии зонда веществом образца в каждой точке поверхности происходит ряд эффектов, которые регистрируются соответствующими датчиками.
Эффекты возникающие при взаимодействии электронного пучка с веществом. И используемые для формирования изображения в рэм.:
1 - электронный пучок; 2- образец; 3- отражённые электроны;4- вторичные электроны; 5- ток
Поглощённых электронов; 6—катодолюминесцентор; 7- рентгеновское излучение; 8- оже - электроны; 9- наведённый ток; 10 - прошедшие электроны.
Эти эффекты служат основой для получения очень разнообразной информации о внутреннем строении исследуемых объектов. Сигналы от датчиков после усиления модулируют локальную яркость электроннолучевой трубки (элт), каждой точке на поверхности образца соответствует определённая точка на экране элт,
Яркость точки определяется интенсивностью сигнала из соответствующей точки образца. Контраст на экране элт зависит от изменения интенсивности излучения по площади сканирования.
Увеличение рэм определяется соотношением амплитуд развёртки луча по экрану элт и зонда по поверхности образца.
Вторичные отражённые и Оже - электроны, также рентгеновское излучение генерируются в определённых объёмах внутри образца и несут различную информацию о рельефе, химическом составе и кристаллографической ориентации объёмов, прилегающих к поверхности образца. Основное требование к образцу - соответствие его размеров размерам камеры образцов, чтобы его можно было передвигать по трём осям, вращать и наклонять по отношению к электронному зонду
Тема 9
1. Рентгеноструктурный анализ. Природа и основные свойства рентгеновского излучения.
2. Основные уравнения дифракции рентгеновских лучей и дифракция рентгеновских лучей кристаллической решеткой и общая характеристика основных методов рентгеноструктурного анализа.
После открытия Конрадом Рентгеном в 1895 г. Лучей с большой проникающей способностью, которые в его честь назвали рентгеновскими лучами( х - лучами), они нашли широкое применение в различных областях науки, медицины и техники. В медицине для выявления внутренних изменений человеческого организма.;
В промышленности - для выявления внутренних дефектов изделий, определения и изучения кристаллической структуры различных материалов.
В1912. Лауэ доказал, что рентгеновские лучи это коротковолновые электромагнитные волны. Длина волны рентгеновских лучей соизмерима с размером атомов.
Таким образом, появилась возможность применять рентгеновские лучи для структурного и спектрального анализа материалов.
Рентгеноструктурный анализ основан на получении и расшифровки дифракционной картины, возникающей в результате интерференции рентгеновских лучей, рассеянных электронами атомов облучаемого объекта.
Рентгеновские лучи возникают, когда поток быстро летящих в вакууме электронов встречает на своём пути материальное тело и резко тормозится.
При торможении большая часть энергии электронов переходит в тепло(~99%), а остальная, возбуждая атомы материала, в энергию рентгеновских лучей.
Все эти процессы осуществляются в специальных вакуумных приборах ( рентгеновских трубках). Трубка является источником рентгеновских лучей. Для возбуждения рентгеновского излучения в трубке должно быть обеспечено:
- получение свободных электронов;
-сообщение свободным электронам большой кинетической энергии( от нескольких тысяч эв до 1.. ..2 мэ ;
Основным типом трубок применяемых для просвечивания и рентгеноструктурного анализа материалов, являются запаянные электронные трубки. Трубка представляет собой стеклянный баллон, в который введены два электрода: катод в виде накаливаемой проволочной вольфрамовой спирали и анод - в виде массивной медной трубки. В торце анода находится « зеркало» ( пластинка металла излучение от которого получают) . В баллоне, при изготовлении трубки создаётся высокий вакуум( 10-3 .... 10-5 па),
Обеспечивающий свободное движение электронов от катода к аноду
Схема запаянной электронной рентгеновской трубки бсв для структурного анализа:
1 - катод; 2 - фокусирующий колпачок; 33 - окна для выпуска рентгеновских лучей; 4 - анод; 5 - защитный цилиндр.
Вольфрамовая спираль, разогретая током накала до ~ 2200ос, испускает электроны. Электроны под воздействием высоко до 75 кв напряжения, приложенного к полюсам трубки с большой скоростью устремляются к аноду и ударяясь о «зеркало» анода резко тормозятся.. Зеркало анода сильно разогревается при этом. Массивный медный анод служит для отвода тепла. Перегрев анода за счёт выделяющегося тепла может вызвать нарушение вакуума, интенсивное распыление и даже расплавление анода. Чтобы это не случилось, анод охлаждают проточной водой.
Важнейшей характеристикой трубки является ее предельная мощность: p=ui, где и - максимальное высокое напряжение; i - ток трубки. Превышение предельной мощности недопустимо, так как это вызовет перегрев анода. Примерно 1% кинетической энергии электронов превращается в энергию электромагнитных колебаний атомов анода (рентгеновские лучи). Длина волны рентгеновских лучей зависит от материала зеркала анода. Трубками для структурного анализа испускаются относительно длинноволновые (мягкие) лучи с длиной волны 0,1 нм и более. Для выпуска рентгеновских лучей из трубок в их баллоны впаяны специальные окна из металлического бериллия или из сплава гетан.
Принцип работы и устройство рентгеновского аппарата
В настоящее время для проведения прикладного структурного анализа в основном пользуются дифрактометрами. Дифрактограмму при этом получают непосредственно на ленте самопишущего прибора, можно вести поточечную съёмку профиля дифракционной линии. Всё это существенно повышает точность определения интенсивности, углового положения рефлекса и облегчает методику проведения анализа. Подробно с устройством и принципом работы дифрактометра, техникой приготовления образцов для съёмки, получения и расчета дифрактограмм вы познакомитесь при выполнении лабораторных работ.
Тема 10
1. Сканирующая зондовая микроскопия. Электронно-микроскопические методы исследования твердых тел.
2. Методы электронной и ионной спектроскопии. Устройство приборов. Области применения и возможности.
Существует естественный предел разрешающей способности светооптического микроскопа, который не позволяет видеть элементы микроструктуры меньше 1000 - 2000а. Для увеличения разрешающей способности микроскопа необходимо применение излучения с более короткой длины волны. И эти коротковолновые лучи необходимо сфокусировать на исследуемый объект.
Электронная микроскопия - один из самых эффективных прямых методов исследования материалов, применяемых в современной металлографии.
Физические основы электронномикроскопического анализа заключаются в том, что параллельный пучок электронов, летящих с постоянной скоростью, взаимодействует с веществом как плоская монохроматическая волна.
