Лекция №1 Основы строения металлов План лекции Введение Атомно-кристаллическое строение металлов

4. Анизотропия кристаллов

В различных плоскостях кристаллической решетки атомы расположены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов аморфные тела (например. смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одинаковые свойства, т.е. они изотропны.
Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла меди в различных направлениях показали, что предел прочности _В изменяется от 120 до 360 МН/м² (от 12 до 36 КГС/мм²), а удлинение  от 10 до 55%.
В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликристалл) свойства во всех направлениях одинаковы (усреднены). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется квазиизотропией.
Если в структуре создается одинаковая ориентировка кристаллов (монокристалл), то по появляется анизотропия.
5. Методы исследования строения металлов

Макроскопический анализ позволяет выявить макроструктуру – строение металла, видимое без увеличения или при небольшом увеличении (до 10-30 раз) с помощью лупы. Макроструктуру можно исследовать непосредственно на поверхности металла (например, отливок, поковок) в изломе или на макрошлифе.

Излом наиболее простым методом выявления строения металла является изучение излома. Металлы имеют зернистый (кристаллический) излом рис. 1.5, а. По излому можно судить о размере зерна, особенностях литья или термической обработки, а также выявить отдельные дефекты: поры, неправильную механическую обработку, неправильную эксплуатацию детали и др.
Изломы бывают вязкие, хрупкие и усталостные.
Макрошлифы. Макрошлифом называют поверхность образца (детали) подготовленную для исследования макроструктуры. Образцы, называемые темплетами, вырезают из крупных заготовок, а мелкие и средних размеров детали разрезают в определенном месте и в определенной плоскости. Поверхность образца (детали) шлифуют и подвергают травлению специальными реактивами, что позволяет выявить форму и расположение зерен в литом металле, волокна в поковках и штамповых заготовках, неоднородность строения сварного шва и др. рис. 1.5.
Микроанализ применяют для определения формы и размера зерен, из которых состоит металл или сплав; обнаружения изменений внутреннего строения сплава происходящих под влиянием различных режимов обработки; выявления микропороков металла и т.п.; обнаружения неметаллических включений – сульфидов, оксидов и др.
Подготовленная для исследования под микроскопом поверхность образца называется микрошлифом.
Для микроанализа из исследуемого материала вырезают образец, поверхность его подвергают шлифованию, полированию, травлению, т.е. действию растворов кислот, щелочей, солей, и затем рассматривают в металлографический микроскоп.
Для исследования структуры металлов и сплавов применяют оптические микроскопы отраженного света, называемые металлографическими. Такие микроскопы дают увеличение до 2000 раз. Гораздо большее увеличение – до 200000 раз дает электронный микроскоп, работающий по схеме проходящих электронных лучей. Вместо стеклянных линз в электронном микроскопе установлены магнитные линзы, преломляющие электронные лучи. Источником электронов служит раскаленная вольфрамовая нить. Электронный микроскоп предназначен для исследования объектов в проходящих электронных лучах – ПЭМ, поэтому предмет исследования должен быть очень тонким. При исследовании обычных металлографических образцов с помощью электронного микроскопа используется метод реплик (оксидных, лаковых, кварцевых, угольных), воспроизводящих рельеф поверхности микрошлифа и пропускающих электронные лучи. Реплики приготовляют одноступенчатыми (получают реплику непосредственно на микрошлифе) и двухступенчатыми способами (получают реплику, копирующую рельеф поверхности реплики, полученной одноступенчатым способом). Универсальным является двухступенчатый способ. Изучают так же тонкие пленки исследуемых металлов и сплавов, прозрачные для электронов. Такие пленки приготовляют химическим и электрохимическим способами растворения образцов.
Очень большое применение получили растровые электронные микроскопы РЭМ, в которых изображение создается благодаря вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно поверхность металла и дает увеличение до 20000 раз. Изломы изучают на макро- и микро уровне (при увеличениях до 50000 крат). Метод визуального изучения изломов, а также с помощью светового микроскопа при небольших увеличениях называется фрактографией. Исследование особенностей точной структуры изломов под электронным или растровым микроскопом носит название микрофрактографии.
Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеносструктурный анализ. Он основан на дифракции рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02 0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле. Для этой цели кроме рентгеновских лучей используют электроны и нейтроны, которые также дают дифракционные картины при взаимодействии с ионами (атомами) металла.
В металловедении все шире применяют метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металлографическом шлифе, при этом достигается разрешение порядка микрометров.
Для изучения металлов и сплавов нередко используют меченные атомы и физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные). В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий (термических, механических и др.).
Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения и нагревания в координатах температура – время ) и дилатометрический метод, основанный на изменении объема при фазовых превращениях. Для ферромагнитных материалов применяется магнитный анализ.