книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

Неметаллические включения составляют одно из первых и главенствующих звеньев в технологи­ ческой цепи от момента получения металла до его практического применения в составе конструкций и машиностроительных изделий. Поэтому, в соот­ ветствии с концепцией издаваемого многотомного Справочника, авторы стремились в первую оче­ редь осветить современные представления науч­ ного материаловедения о проблемах формирова­ ния в материалах необходимых эксплуатационных качеств с учетом наличия в металлах и сплавах дефектов строения, среди которых включения предстают как наиболее значимые и распростра­ ненные, а затем, после ознакомления с распро­ страненными и эффективными методами изучения внутреннего строения, затронуть саму тему неме­ таллических включений. Такая последователь­ ность изложения оправданна, поскольку разнооб­ разие в структуре и свойствах частиц при их не­ больших концентрациях в матрице сплава придают задачам надежной идентификации и опи­ сания включений, а также интерпретации резуль­ татов исключительные сложности. Например, при установлении корреляций между пределом теку­ чести и строением двухфазных материалов с ма­ лой объемной долей частиц второй фазы чаще все­ го используют среднее свободное расстояние. Это один из параметров, характеризующих распреде­ ление структурных составляющих. С его помощью построены и хорошо себя зарекомендовали теории дисперсионного твердения. Поскольку при малой объемной концентрации частицы второй фазы в контакте не находятся, торможение движущихся линейных дефектов (дислокаций) в пластичной матрице определяется только «густотой» распре­ деления частиц. Поэтому для установления корре­ ляции с механическими свойствами выбор средне­ го расстояния в качестве структурного параметра оправдан. Однако для описания механического поведения структур, состоящих из контактирую­ щих частиц, которые резко отличаются по меха­ ническим свойствам от матрицы, одного струк­ турного параметра недостаточно. Так, в условиях контролируемого распространения трещины во многих экспериментах обнаружено, что в матрич­ ной структуре слабейшим участком являются либо

сами твердые частицы больших размеров, либо их контактные поверхности, если структура мелко­ зернистая. Следует ожидать, что возможны поло­ жительные корреляции сопротивления разруше­ нию со стереологическими характеристиками: свя­ занностью и смежностью. Существование такой корреляции возможно, поскольку при малой дис­ персии размеров включений их среднее значение может оказаться еще недостаточно большим, что­ бы сделать разрушение материала преимущест­ венно внутризеренным, но уже и не столь малым, чтобы трещина могла беспрепятственно распро­ страняться по развитой (рельефной) контактной поверхности. Если распределение по размерам широкое, то с его размытием в сторону малых размеров может быть связано появление непре­ рывного пути для трещины по поверхностям кон­ такта. Другими словами, распределение неметал­ лических включений или дисперсных упрочняю­ щих частиц также является характеристикой их размещения в пространстве структуры.

Современное состояние в физике прочности и пластичности твердых тел характеризуется особой ролью динамического аспекта, в котором находит отражение одно из фундаментальных направлений физического материаловедения — проблема фор­ мирования структур в неравновесных динамиче­ ских системах. Динамический подход требует раз­ вития экспериментальных методов получения ко­ личественной информации в режиме реального времени («in situ»). Признаками неустойчивых структурных образований являются пороговые эффекты, которые сопровождаются одновремен­ ным распадом на нескольких масштабных уровнях с последующим формированием на тех же струк­ турных уровнях новых морфологически иных об­ разований. Эти признаки характерны для процес­ сов, происходящих вдали от термодинамического равновесия. Наравне с дефектами кристаллическо­ го строения в самоорганизации сложных полимасштабных систем принимают участие и неме­ таллические включения.

Обсуждение процессов эволюции структур вы­ ходит за рамки подготовленного тома издания. Применительно к разрабатываемой теме о месте и роли неметаллических включений в цепи химический

состав—структура—технология—свойства следует еще раз подчеркнуть необходимость применения комплексного подхода в ее разрешении. Напри­ мер, метод микрорентгеноспектрального анализа имеет неоспоримые преимущества в точности, ло­ кальности и быстроте определения химического состава мелких объектов. Между тем он имеет существенные ограничения, обусловленные сла­ бой электропроводностью большинства включе­ ний. При взаимодействии электронного зонда с частицей низкой электропроводности возникаю­ щий объемный заряд нарушает юстировку прибо­ ра и ухудшает локальность анализа. Помимо это­ го, химические элементы второго периода Перио­ дической системы, которые в большом количестве находятся в составе включений, излучают мягкое характеристическое рентгеновское излучение. Оно сильно поглощается в образцах, содержащих ато­ мы тяжелых элементов. Вводимые поправочные коэффициенты для излучений магния, алюминия и кремния весьма велики, что приводит к снижению чувствительности анализа.

Дифракционные методы исследования, напри­ мер рентгеноструктурный и электронно-микроско­ пический, также имеют свои плюсы и минусы. Предоставляя возможность получения информа­ ции о структуре анализируемого объекта, первый метод ограничен в чувствительности необходимо­ стью присутствия частиц в количестве не менее пяти объемных процентов. Для диагностики

включений второй метод, будучи чрезвычайно трудоемким и чрезмерно локальным, не обеспечи­ вает удовлетворительную статистическую пред­ ставительность данных.

Металлографический метод анализа наиболее прост и нагляден. В его применении наметился устойчивый прогресс, который вызван совершен­ ствованием техники визуализации объектов, воз­ можностью компьютерной корректуры изображе­ ний с автоматизацией сбора и статистической об­ работки результатов измерений. Однако и метод металлографии имеет ограничения, обусловленные минимальными размерами наблюдаемых частиц (до 0,5 мкм) и небольшим набором морфологиче­ ских параметров, необходимых для их надежной идентификации. Тем не менее, новые прогрессив­ ные подходы в распознавании структурных объек­ тов позволят с помощью металлографического анализа получить новые данные о связи структуры и механических свойств металлов и сплавов.

Разумеется, не все методики, известные и при­ меняемые в физико-аналитическом эксперименте, нашли отражение в данном томе Справочника. Их выбор определен двумя критериями: востребован­ ностью и перспективностью в разрешении основ­ ной проблемы материаловедения — реализации концепции химический состав—структура— технология—свойства в создании металлов и сплавов с высокими эксплуатационными характе­ ристиками.

2.1.1.3.Определение скрытых теплот фазовых превращений и теплоемкостей

2.1.2.Теплопроводность и температуропровод­ ность металлов и сплавов. Методы

2.5.2.2.Стационарные магнитные и электро­ магнитные методы исследования маг­

3.2.4.3.Определение химического состава про­ бы с помощью микрорентгеноспект-

3.4.3.1.Качественное и количественное опре­ деление фазового состава поликристал-

3.4.3.2.Прецизионное измерение периодов кристаллической решетки металлов

4.1.Роль неметаллических включений в комплексе эксплуатационных и технологических парамет­

Заключение