Также по теме

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ – раздел физики, изучающий процессы, происходящие в металлах на атомном и структурном уровнях. Понимание механизмов этих процессов дает возможность разработки новых технологий. Сведения о структуре и свойствах металлов на атомном и структурном уровнях получают с помощью физических методов исследования.

Люди узнали о существовании металлов еще на заре цивилизации. Они обнаружили, что некоторые камни, которые потом назвали рудой, при нагреве превращаются в блестящее вещество – металл, который при высокой температуре является жидкостью, а при комнатной – твердым телом. Они сделали еще целый ряд поразительных открытий. Оказалось, что мягкая медь и мягкое олово, перемешиваясь в жидком состоянии, превращаются в твердую бронзу. Для получения железа из руды пришлось сконструировать печи, дающие температуру нагрева в несколько раз выше температуры пламени костра. При этом добавление угля в железо превращало мягкое железо в твердую сталь.

Для практического применения металлов и изготовления металлических изделий (оружия, сельскохозяйственных орудий) надо было научиться обрабатывать металл. Оказалось, что если нагревать твердый металл, то при повышенной температуре он становится мягким, кузнец может его обработать, а при охлаждении металл опять становится твердым. При этом очень большое влияние на свойства металлов оказывают условия нагрева и охлаждения. При быстром охлаждении (закалке), например, в воде, свойства металла резко улучшаются.

Так, в виде рецептов, добытых трудами многих поколений, возникла технология обработки металлов. Некоторые из этих рецептов не разгаданы до сих пор, например, не удается полностью раскрыть рецепт изготовления клинков из дамасской стали (на Руси ее называли булатом). Эти клинки перерубали мечи из обычной стали и разрезали падающие на них шелковые платки.

Такая технология, основанная не на научном знании, а на жизненном опыте многих поколений, существовала до сравнительно недавнего времени, например, первые паровозы были построены на основе этой технологии). В то же время промышленная революция требовала разработки новых материалов и способов их обработки. Для этого необходимо было создание науки о физической природе свойств металлов – физического металловедения. Эта наука создавалась на стыке нескольких наук: химики научились определять состав металлов, физики создали приборы, позволяющие исследовать их структуру, механики создали установки для измерения механических свойств.

Химики выяснили, что технические металлы всегда содержат примеси, которые либо были в руде, либо попали в металл в процессе его выплавки. От природы и количества этих примесей зависят свойства металла. Следовательно, для изменения свойств можно вводить примеси. Металлические материалы, в которые вводится заданное количество других веществ, называются сплавами. Введенные вещества (химические элементы) называются компонентами (например, компонентами стали обычно являются железо и углерод).

Металлографический анализ.

Физики создали приборы для изучения структуры металлов. К таким приборам, прежде всего, относится металлографический микроскоп. Обычный микроскоп не удается применить для исследования металлов, т.к. в его оптической схеме свет от источника проходит через исследуемый образец, попадает в объектив микроскопа и через систему линз и окуляр попадает в глаз наблюдателя. Металл не пропускает световые лучи, поэтому для исследования металлов пришлось разрабатывать совершенно другую схему отражательного микроскопа. В этом типе микроскопа свет попадает на поверхность исследуемого образца, и после отражения попадает в объектив и в дальнейшем в окуляр микроскопа. Чтобы поверхность образца хорошо отражала свет, она должна быть отполирована до зеркального состояния, изображение можно сфотографировать через окуляр микроскопа.

Если сравнить друг с другом фотографии отполированных образцов из различных металлов, оказывается, что они не отличаются ничем, кроме цвета (медь красная, железо белое), и не дают информации о структуре материала. В такой ситуации пригодились исследования химиков, изучавших процессы растворения металлов химическими реактивами. Оказалось, что для каждого металла и сплава существуют реактивы (травители), которые позволяют растворить поверхность металла на глубину в доли микрона. При этом на поверхности образца выявляются микроскопические участки, имеющие разную конфигурацию, рельеф и цвет. Эта микроструктура дает необычайно ценную информацию, она меняется после нагрева и охлаждения сплава по различным режимам (термической обработки). Изучением микроструктуры занимается целая отрасль физического металловедения – металлография, созданы металлографические атласы с фотографиями микроструктур различных сплавов после различных обработок с увеличениями от 100 до 1000.

Итак, для проведения металлографического исследования нужно разрезать образец, отшлифовать и отполировать поверхность разреза (приготовить металлографический шлиф), обработать специальным реактивом для данного класса материалов (протравить), сфотографировать разные участки шлифа с различными увеличениями и сравнить с эталонными фотографиями в металлографическом атласе. На основании этих данных можно сделать заключение о химическом составе сплава, различных структурных составляющих и режимах предшествующей термической обработки.

Например, структура железа состоит из многоугольных зерен диаметром в несколько десятков микрон. На микрофотографии видно сечение этих зерен плоскостью шлифа. По данным химического анализа в железе содержится менее 0,01% углерода. При увеличении содержания углерода до 0,3% (этот сплав уже носит название сталь) появляется вторая структурная составляющая – зерна меньшего размера, имеющие полосчатую структуру. Многоугольные зерна носят название феррит, а полосчатые – перлит. При увеличении содержания углерода до 0,8% перлитная структура занимает весь шлиф. Таким образом, очень небольшое количество углерода (менее 1%) резко изменяет структуру стали. Феррит, перлит и другие структуры в сплавах носят общее название – структурные составляющие.

      МИКРОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ (полученные с помощью оптического микроскопа) перлита (а), мартенсита (б) и распределения частиц цементита в феррите (в).

Структурные составляющие не обязательно являются однородными, они, в свою очередь, могут состоять из различных элементов, твердых растворов и химических соединений, которые называются фазами. В рассматриваемом случае в железе структура состоит из одной фазы. В тех сплавах, в которых в качестве структурной составляющей есть перлит, ситуация сложнее, т.к. перлит состоит из пластинок двух фаз – феррита и химического соединения Fe3C, которое называется цементитом. Формулу этого соединения определили химики, подобрав реактив, который растворяет железо (феррит). После растворения остается порошок, состав которого определили методами аналитической химии. Полоски представляют собой сечения пластин феррита и цементита плоскостью шлифа. Фазовый и структурный состав сплава не является постоянной характеристикой сплава данного состава и может меняться в зависимости от предшествующих и последующих режимов термической обработки. Так, если нагреть сталь до высокой температуры (в нашем случае до 860–900° С) и затем быстро охладить (например, бросить в воду), то ее фазовый и структурный состав может измениться. При этом для железа и стали с 0,3% С (малоуглеродистая сталь) микроструктура мало изменится, а для стали с 0,8% С она претерпит кардинальные изменения. Вместо полосчатой структуры перлита под микроскопом выявляется игольчатая структура с размерами иголок в десятки раз меньшими размеров пластин феррита и цементита в перлите. Эта структура носит название мартенсита. Меняя режимы нагрева и охлаждения,можно в том же материале получить и другие структурные и фазовые составы. Например, при облучении стали световыми импульсами лазера можно в тысячи раз увеличить скорость охлаждения. При этом мартенситная структура возникает даже в малоуглеродистой стали.