Министерство образования и науки Украины Сумский государственный университет МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Министерство образования и науки Украины
Сумский государственный университет
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПО КУРСУ «ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ»
для студентов специальности 8.090101
«Прикладное материаловедение»
всех форм обучения
Сумы
Изд-во СумГУ
2006
2
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические свойства и методы исследования»
/Составитель В.А.Пчелинцев. –Сумы: Изд – во СумГУ, 2006. –
76 с.
Кафедра «Прикладное материаловедение и ТКМ».
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ»
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Освоить методику определения плотности материалов.
1.2 Исследовать плотность материалов при деформировании
ковкой и растяжением.
2 ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ И
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1 Весы аналитические электронные.
2.2 Пресс гидравлический МС-500.
2.3 Лабораторный прокатный стан.
2.4 Образцы черных и цветных сплавов для определения
плотности.
2.5 Пикнометр для определения объема.
3 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3.1 Методика определения плотности металлов и сплавов
Плотностью металла d называется масса 1 см3 этого металла.
Зная массу P и объем V металла, можно вычислить d:
P
d  г / см 3 .
(1)
V
Удельный объем V металла характеризует объем в см3 1 г
этого металла и является, следовательно, величиной, обратной
плотности:
1
V   cv 3 / г .
(2)
d
Из формулы следует, что определение плотности металла
сводится к определению веса и объема испытуемого образца.
Вес измеряется при помощи аналитических весов. Что касается
определения объема, то его можно производить двумя метода-
4
ми: пикнометрическим и гидростатическим. Пикнометрический метод сводится к определению объема вытесненной жидкости при погружении в нее испытуемого металлического образца. Пользуясь этим методом, Ле-Шателье применил мензурку
с внутренним диаметром 6 мм, наполненную жидкостью. При
внесении в эту мензурку образца объемом 1 см3 жидкость поднимается на высоту
1 4
 35,4 мм.
0,6 2  
Для точного измерения высоты столбика вытесненной
жидкости отсчет производился через лупу с микрометрической
шкалой. Цена одного деления шкалы равнялась 0,01см3. В силу
этого, а также расплывчатости края мениска точность отсчета
образца около 1 см3 составляет 1% от измеряемой величины. Такая точность определения плотности для металловедческого
исследования недостаточна, так как изменения плотности сплавов в результате закалки, наклепа и т. п. обычно не превышают
1%.
Однако для технических целей простой и быстрый пикнометрический метод может быть с успехом использован. В качестве жидкости, в которую погружается образец, следует выбирать бензол, спирт и тому подобные вещества, обладающие хорошей смачивающей способностью.
Более точной разновидностью пикнометрии является метод трехкратного взвешивания: 1) образца на воздухе; 2) пикнометра, заполненного водой (или другой жидкостью); 3) пикнометра, заполненного водой после внесения в него испытуемого
образца.
P
(3)
d
(   )   ,
Q pP
где Q – вес пикнометра с водой;
Р – вес образца;
р – вес пикнометра с водой и образцом;
δ – плотность воды (или другой жидкости);
λ – плотность воздуха (0,0012 при 200).
5
Точным методом, пригодным для исследовательских целей,
является гидростатический метод. Он основан на законе Архимеда, согласно которому сила тяжести погруженного в жидкость
тела уменьшается на величину, равную весу вытесненной жидкости. Испытуемый образец дважды взвешивается на аналитических весах: как обычно, на воздухе, и будучи погруженным в
какую-либо жидкость. Если вес образца на воздухе Р, а жидкости Q, то P - Q равняется весу вытесненной жидкости. Зная
плотность этой жидкости δ, можно вычислить ее объем, вытесненный образцом, или, другими словами, объем образца
PQ
V 
(4)

и его плотность
P
P
(5)
d 
,
V PQ
или, с учетом поправки на плотность воздуха:
P
d
(   )  .
( P  Q)
Для точного определения d также лучше пользоваться жидкостью, обладающей хорошей смачивающей способностью:
спиртом, бензином и т. п. Образец обычно подвешивается на
волоске или тонкой вольфрамовой нити диаметром 10-20 мк.
Вес волоска или нити выверяется и учитывается при вычислении плотности.
Плотность сплава связана с его структурой и атомным строением фаз.
Тесно связан с плотностью атомный объем VА, т.е. объем,
занимаемый одним грамм-атомом:
A
VA  ,
(6)
d
где А – атомный вес.
При делении VA на N (= 6,0228 · 1023) получается объем, занимаемый одним атомом. Эта величина больше рассчитанной по
рентгеновским данным, которые дают диаметр (и объем) иона,
находящегося в узле пространственной решетки металла. Если
6
умножить объем иона на N, то получится ионный объем V1. Разница VА – V1 дает объем, занимаемый валентными, коллективизированными электронами.
Атомный объем является периодической функцией атомного
номера. Наименьшие значения соответствуют переходным металлам, характеризующимся наибольшей силой междуатомной
связи. Эти металлы обладают также большой плотностью,
большой твердостью и малой сжимаемостью.
В табл. 1 приведены значения атомного объема и плотности
металлов.
Таблица 1 - Плотность металлов
Номер вертикального ряда
периодической
системы Д.И.Менделеева
1
2
3
4
5
6
Металл
Li
Na
K
Rb
Cs
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Al
V
La
Ti
Zr
Hf
V
Nd
Ta
Cr
Mo
W
Плотность
при 180С,
г/см3
0,53
0,97
0,86
1,53
1,87
1,82
1,74
1,55
2,60
3,50
2,69
5,51
6,15
4,54
6,53
11,4
6,0
8,57
16,6
7,19
10,2
19,3
Атомный
объем
13,0
23,7
45,5
56,2
71,0
4,9
14,0
25,8
33,2
38,2
10,03
19,45
22,59
10,7
13,97
13,98
8,92
11,0
11,2
7,32
9,42
9,63
7
Продолжение табл. 1
Номер вертикального ряда
периодической
системы Д.И.Менделеева
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Металл
Mn
Re
Fe
Ru
Os
Co
Rh
Ir
Ni
Pd
Pt
Cu
Ag
Au
Zn
Cd
Hg
Ga
In
Tl
Ge
Sn
Pb
As
Sb
Bi
Плотность
при 180С,
г/см3
7,43
21,2
7,87
12,28
22,48
8,9
12,44
22,4
8,5
12,0
21,4
8,96
10,50
19,3
7,13
8,65
13,55
5,9
7,31
11,85
5,36
7,98
11,34
5,72
6,62
9,80
Атомный
объем
7,52
8,78
7,10
8,28
8,49
6,70
8,37
8,62
6,67
9,28
9,12
7,10
10,27
17,22
9,16
13,01
14,26
11,82
15,83
17,25
13,44
16,30
18,27
13,11
18,20
21,33
Плотность металла можно рассчитать, зная массу и объем
элементарной ячейки. Если n – число атомов в элементарной
ячейке, M – масса атома в г, а V – объем элементарной ячейки,
то плотность
nM n  A  1,66  10 24
d

.
(7)
V
V
8
Масса одного атома металла М здесь подсчитана путем
умножения его атомного веса А на1/16 массы атома кислорода,
т.е. 1,66 · 10-24 г (более точно – 1,6599 · 10-24).
Воспользуемся формулой (7) для подсчета плотности
α-железа. Элементарная ячейка α-железа содержит 2 атома,
причем ее параметр, т.е. ребро элементарного куба, равен
2 · 86 · 10-8 см. Отсюда
2  55,85  1,66  10 24
d
 7,821 г/см3,
8 3
(2,86  10 )
где 55,85 – атомный вес железа.
Нагревание приводит к непрерывному расширению металла
и уменьшению его плотности, скачкообразно изменяющейся
вследствие аллотропических превращений и при плавлении.
3.2 Влияние нагревания и степени деформации на изменение плотности
Рассмотрим прерывистые изменения удельного объема железа, которые наблюдаются в критических точках А3 и А4. В точке
А2 прерывистого изменения объема нет, как вообще при превращениях второго рода.
Величина объемного эффекта зависит от скорости нагрева
или охлаждения, взаимного расположения кристаллитов, количества газов, растворенных в железе, и других факторов.
При нагревании в точке А4 (γδ-превращение) имеет место
увеличение удельного объема, которое равняется +0,26%. По
расчетным данным, полученным из рентгенограмм, в точке А4
удельный объем увеличивается на 0,95%. Экспериментальные
трудности получения рентгенограмм при высоких температурах
заставляют считать эту величину малодостоверной.
В точке плавления удельный объем железа увеличивается
на 1%. При 15390 жидкое железо имеет удельный объем
0,1383 см3/г.
На рис. 1 показана приблизительная зависимость удельного
объема от температуры, нанесенная по имеющимся, хотя и недостаточно достоверным данным. Пунктирная линия характеризует идентичность β- и δ-железа.
9
Рисунок 1 – Изменение удельного объема железа при нагревании
Изменение при плавлении объема непереходных металлов
(табл. 2), по-видимому, зависит от типа пространственной решетки. Металлы с наиболее компактной решеткой характеризуются наибольшим увеличением объема при плавлении, что
можно рассматривать как результат ослабления металлической
связи. С уменьшением компактности решетки (Na, K, Rb, Cs)
уменьшается и объемный эффект плавления. Элементы, занимающие промежуточное положение между металлами и неметаллами (Sb, Bi, Ga, Si), при плавлении становятся более компактными; их координационное число при переходе в жидкое
состояние возрастает до 8-10 единиц. Здесь имеет место переход
от преимущественно ковалентной связи к металлической.
Горячая пластическая деформация (прокатка, ковка, штамповка), как правило, повышает удельный вес литых железа, стали и других металлов, что обусловлено их уплотнением, т.е. заполнением микроскопических пор и раковин. Некоторое микроскопическое уплотнение происходит также и в результате холодной деформации при малых степенях обжатия (не выше
10%). При более сильных обжатиях удельный объем возрастает.
Зависимость плотности от степени наклепа показана на рис. 2.
10
0
20
40
60
80
Степень деформации
%
Рисунок 2 - Зависимость плотности томассовского железа (0,07% С)
от степени деформации
Таблица 2 - Изменение объема при плавлении металлов
Металл
Cn
Ag
Au
Al
Pb
Mg
Zn
Cd
Na
K
Rb
Cs
Sb
Bi
Ga
Sn
Si
AlSb
MgSn
MgPb
Изменение объема
при плавлении, %
+4,25
+3,4
+5,03
+6,26
+3,38
+4,1
+4,7
+4,72
+2,5
+2,5
+2,5
+2,5
-0,95
-3,3
-3,24
+2,6
-10
-1,5
-2,2
-2,6
Тип пространственной решетки
Координационное число
ГЦК
12
Гексагональная
компактная
6(12)
ОЦК
8
Ромбоэдрическая
3
Ромбическая
Тетрагональная
Типа алмаза
1(7)
3(6)
4
Типа
флуорита
4(Mg)
11
Уменьшение плотности при наклепе объясняется понижением компактности пространственной решетки в результате возникающих в ней искажений. Возврат и рекристаллизация, при
нагреве наклепанного металла повышают его плотность, возвращая практически к исходному значению.
Увеличение объема металла вследствие наклепа объяснено
термидинамически Зинером. Исходя из того, что добавочная
энергия наклепанного металла обуславливает как растяжение,
так и сдвиг в кристалле, а также из того, что упругие модули
растяжения и сдвига различны по величине, автор показал, что
увеличение объема пропорционально энергии самоуравновешенных внутренних напряжений, возникающих при наклепе.
Результаты расчета объемных изменений хорошо совпадают с
экспериментальными данными.
Надо полагать, что увеличение среднего междуатомного расстояния в результате наклепа изменяет характер связи. Эта
мысль была впервые высказана Г.В. Акимовым при обсуждении
им явления упрочнения при наклепе.
При всестороннем упругом сжатии плотность возрастает, а
объем металла уменьшается вследствие сближения атомов. Коэффициент сжимаемости
1 dV
(8)
к 
(кг / см 2 ) 1 ,
V dp
где ρ – внешнее давление.
Значение к уменьшается с увеличением давления и увеличивается при нагревании.
Сжимаемость железа в интервале давлений 0 – 12000 кг/см3
при 300 определяется уравнением
к = 0,587 · 10-6 – 2,1 · 10-12 ρ,
где ρ – приложенное давление. При нагреве на 1000 сжимаемость железа при малых давлениях увеличивается на 4%.
Коэффициент сжимаемости стали практически тот же, что у
железа.
В кристаллах некубической системы величина к зависит от
направления. Измеряя изменение линейных размеров d/ вдоль
12
и поперек главной кристаллографической оси, можно приблизительно определить к.
1  dl 
 dl  
(9)
к     2   .
  l  II
 l I 
У некубических металлов с плотной упаковкой (Mg, Sn) к почти
не зависит от направления. В отсутствие плотной упаковки (Zn,
Cd, Sg, Bi) сжимаемость вдоль главной оси во много раз больше,
чем перпендикулярно ей. Это свидетельствует о том, что связь в
гексагональных или тригональных слоях атомов в этих металлах
прочнее, чем между слоями.
Сжимаемость является периодической функцией положения
металла в системе Менделеева (табл. 3). Наименьшей она является у переходных металлов, причем минимум к достигается для
Ni, Ru, Os. Это можно объяснить (так же, как и наименьший
атомный объем) тем, что валентные электроны в этих металлах
частично заполняют вакансии на d-оболочках и тем самым
уменьшают межионные пространства. Если считать, что сжатие
происходит за счет уплотнения электронного газа, находящегося
между ионами, то величина к должна расти вместе с межионными промежутками и уменьшаться с увеличением числа валентных электронов. Это предположение подтверждается экспериментально. Опытные данные приводят к эмпирической формуле
lg VЕ = C lg к,
(10)
V  VI
где VE  А
(n – число валентных электронов);
n
С – постоянная величина;
VА и VІ – атомный и ионный объем.
3.3 Изменение плотности металлических фаз
Удельный вес (или объем) металлических фаз (твердых растворов, промежуточных фаз, соединений) определяется их пространственной решеткой и ионными радиусами компонентов.
Последние в металлических фазах отличаются от ионных радиусов, вычисленных для чистых металлов.
Таблица 3 – Коэффициент сжимаемости – к · 107
Li
86
Na
142
K
232
Rb
328
Cs
365
Be
7,8
Mg
29,5
Cu
57
Sr
82
Ba
102
Al
13,4
Sc
V
La
35
Ti
8,0
Zr
11
Hf
9
V
6,1
Nb
5,7
Ta
4,8
Cr
6,0
Mo
3,5
W
2,9
Mn
7,9
Ma
Re
2,7
Fe
5,9
Ru
3,4
Os
2,6
Co
5,4
Rh
3,6
Ir
2,7
Ni
5,3
Pd
5,3
Pt
3,6
Cu
7,2
Ag
9,9
Au
5,8
Zn
16,6
Cd
20
Hg
34
Ga
20
In
25
Tl
34,8
Ge
14,1
Sn
18,8
Pb
23,7
As
44
Sb
24,0
Bi
29,2
Se
11,8
Te
50,8
Po
-
14
Объемные изменения при образовании твердого раствора
малы и его удельный объем - почти линейная функция весовой
концентрации компонентов. Как правило, имеет место отклонение от аддитивности в сторону уменьшения удельного объема.
При возникновении заметного химического взаимодействия
и усилении связи, когда образуются соединения и промежуточные фазы, с присущими им своеобразными пространственными
решетками отмечается часто встречающаяся тенденция к
уменьшению атомного радиуса по сравнению с чистым металлом.
Даже при таком столь слабо выраженном химическом взаимодействии, как упорядочение, имеют место сжатие решетки и
уменьшение ионных радиусов компонентов (за исключением
Fe-Co - сплавов).
При определении плотности твердого раствора или промежуточной фазы переменного состава можно воспользоваться
формулой (7) с той разницей, что вместо атомного веса А нужно
подставить так называемый средний атомный вес, величина которого определяется атомными весами и концентрациями компонентов, образующих этот твердый раствор. Допустим, что в
твердый раствор входят компоненты, процентное содержание
(весовое) которых С1, С2, С3 и т.д., а атомные веса А1, А2, А3 и
т.д. При общей массе сплава 100 г компоненты содержатся в количествах С1, С2, С3 граммов и т.д. Общее количество атомов в
100 г сплава будет равно
С3
С1
С2


 ...
 24
 24
А1  1,66  10
А2  1,66  10
А3  1,66  10 24
Каждое слагаемое этой суммы представляет собой число
атомов того или иного компонента в 100 г сплава. Если разделить общую массу сплава (100 г) на число атомов в нем, то получится средняя масса атома в граммах, которую также можно
выразить произведением среднего атомного веса Аср на 1/16
массы атома кислорода. Таким образом,
15
А ср  1,66  10 24 
С1
А1  1,66  10 24
Отсюда средний атомный вес
Аср 
100
С3
С2


 ...
 24
А 2  1,66  10
А 3  1,66  10 24
100
.
(11)
С1 С 2 С3


 ...
А1 А2 А3
в формулу (7), можно вычислить
Подставляя величину Аср
плотность твердого раствора.
При образовании соединений их плотность можно также
подсчитать, исходя из объема и массы элементарной ячейки.
Массу элементарной ячейки подсчитывают по атомным весам
компонентов и формуле (составу) химического соединения.
Например, соединение AuCu3 имеет гранецентрированную кубическую решетку. Ребро элементарного куба (параметр решетки) равняется 3,75 ·10-8 см, причем в этой элементарной ячейке
содержатся один атом золота и три – меди. Зная атомный вес
золота – 197,2 и меди – 63,57, можно подсчитать плотность соединения AuCu3:
(197,2  3  63,57)  1,66  10 24
d
 12,15 г/см3.
(3,75  10 8 ) 3
Пористость металлических образцов приводит к тому, что
плотность, определенная методом взвешивания, является менее
достоверной величиной, чем подсчитанная на основе рентгенографических данных.
Если сплав представляет собой гетерогенную смесь двух фаз,
то удельный объем изменяется прямолинейно в функции весовой концентрации этих фаз. Допустим, сплав при любом составе
представляет собой смесь компонентов А и В. Обозначим
удельный объем компонента А через V1 и удельный объем компонента В через V2. Если концентрация компонента В – х весо-
16
вых процентов и компонента А – (100 – х)%, то удельный объем
сплава V можно найти из уравнения
(100  x)V1  xV2
.
(12)
V
100
Подставляя на место удельных объемов сплава и компонен1 1 1
тов величины, обратные плотности, т.е. , и
, можно выраd d1 d 2
зить плотность сплава через плотность компонентов. После подстановки и преобразования формулы получается выражение
100d1d 2
.
(13)
d
xd1  (100  x)d 2
Этим уравнением определяется гипербола, дающая зависимость d сплава от концентрации х. Крайние ординаты этой кривой соответствуют удельным весам компонентов d1 и d2.
Зная, что плотность и удельный объем являются величинами
обратными, можно получит формулы не для весовой, а для объемной концентрации. В этом случае, подразумевая под х′ объемную концентрацию компонента В, получаем прямолинейную
зависимость для плотностей:
(100  x)  d1  x  d 2
(14)
d
100
и гиперболическую зависимость для удельного объема:
100V1V2
.
(15)
V
xV1  (100  x)V2
Эти выражения можно применять для любого гетерогенного
сплава. Однако при этом d1, d2, V1 и V2 будут относиться к компонентам, а к фазам предельного состава, ограничивающим гетерогенную область, в которой находится сплав; х и х′ также будут характеризовать относительное количество фаз (весовое или
объемное) в рассматриваемом сплаве.
Выведенные формулы относятся к гетерогенным сплавам, в
которых отсутствуют пористость и внутренние напряжения (от
17
наклепа и т.п.), являющиеся следствием искажений пространственной решетки. Эти формулы нельзя применять к дисперсным гетерогенным смесям.
На рис. 3 показана зависимость плотности Sb – Pb сплавов от
весового состава. Эти сплавы являются гетерогенной смесью
компонентов, и их удельный вес определяется формулой (13).
Зависимость плотности медно-цинковых сплавов (твердые растворы) от весовой концентрации приведена на рис. 4.
Рисунок 3 - Плотность Sb – Pb - сплавов
Рисунок 4 – Плотность Cu – Zn - сплавов
18
Влияние углерода и легирующих примесей на плотность железа можно определить из прямолинейной зависимости
d = d0 + ∆d · x,
(16)
где d – плотность стали;
d0 – плотность чистого железа;
∆d – приращение плотности на 1% примеси;
х – весовое содержание примеси, %.
Эта формула справедлива для сравнительно небольших концентраций. В табл. 4 приведены значения ∆d для различных
примесей и указаны пределы применимости формулы (16).
Влияние углерода, указанное в табл. 4, относится к отожженной
углеродистой стали. Как известно, плотность стали зависит от ее
микроструктуры, получающейся в результате той или иной термической обработки. В следующем ряду плотность возрастает
слева направо: мартенсит, α-Fe + Fe3C (перлит, сорбит, троостит), аустенит.
Таким образом, наибольшей плотностью обладает аустенит,
наименьшей – мартенсит; при закалке на мартенсит объем стали
увеличивается.
Таблица 4 – Изменение плотности на 1 весовой процент
примеси
Элемент
∆d
С
P
S
Cu
Mn
Ni
Cr
W
Si
Al
As
-0,040
-0,117
-0,164
+0,011
-0,016
+0,004
+0,001
+0,095
-0,073
+0,120
+0,100
Предел применимости
формулы (16), %
1,55
1,1
0,2
1,0
1,5
5,0
1,2
1,5
4,0
2,0
0,15
19
При отпуске закаленной стали происходит ряд объемных
изменений в соответствии с внутренними превращениями,
идущими в стали. При отпуске мартенсита происходит сжатие
стали; превращение аустенита в мартенсит сопровождается
расширением стали, а распад мартенсита на х-Fe + Fe3C (троостит) – значительным сжатием.
На рис. 5 приведена зависимость удельного объема стали,
закаленной на мартенсит, от содержания углерода. Результаты
непосредственного определения удельного объема и его вычисления из данных рентгеноструктурного анализа хорошо совпадают. Объемный эффект ∆V отпуска при 3000 в течение 40 ч,
при котором мартенсит распадается на феррит и цементит, линейно зависит от содержания углерода (рис. 6).
Экспериментально установлено, что превращение аустенита в
мартенсит, независимо от содержания углерода, начинается при определенном его удельном объеме, равном приблизительно 0,1295 см3/г.
Отсюда следует, что точка М (мартенситная точка) должна лежать при
тем более низкой температуре, чем выше содержание в стали углерода, так как при определенной данной температуре удельный объем
аустенита почти линейно расчет с содержанием углерода.
Рисунок 5 - Удельный объем стали в зависимости от содержания
углерода:
непосредственное определение;
- - - - - вычисление по рентгеновским данным
20
Аллотропическое превращение аустенита в мартенсит наступает
при строго определенном сближении атомов железа при охлаждении
аустенита. Отсюда следует также, что увеличение объема стали в точке М пропорционально содержанию углерода в твердом растворе.
Рисунок 6 - Изменение удельного объема закаленной стали
в результате отпуска 300° - 40 ч
4
.
3
2
1
.
зона разрушения
Рисунок 7 – Схема вырезки образцов для определения плотности
материала
4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучить основные теоретические положения о плотности материалов и факторах, влияющих на ее изменения.
Работа выполняется в течение 4 часов группой студентов из
4-5 человек.
21
4.1 Определить расчетную плотность стали 10 (технического
железа), имеющего кристаллическую решетку ОЦК с параметром α = 2,869 А (0,2865 нм); меди с кристаллической решеткой
ГКК и параметром α = 0,3608 нм; алюминия с решеткой
ГЦК и периодом α = 0,4041 нм; титана с кристаллической
решеткой ГПУ и параметрами α = 0,29503 нм и С = 0,48631 нм
(с/α = 1,5823).
4.2 Провести растяжение образцов различных металлов
(сталь 10, медь, алюминий, титан и др.) до разрушения и приготовить образцы из различных зон деформации для определения
их плотности.
4.3 Определить геометрические размеры образцов и полученные результаты занести в табл.5.
Таблица 5 – Результаты замеров образцов, мм
Номер
образца
d1
d2
F1
F2
h
V

V1
 100%
V2
Исх.
1
2
3
4
4.4 Определить плотность материала образцов пикнометрическим методом, результаты занести в табл. 6.
Таблица 6 - Плотность материала образцов пикнометрическим
методом
Номер
образца
Исх.
1
2
3
Объем материала по
пикнометру, Vп, см3
Вес образцов
Р, г
Плотность
q/п, г/см3
22
4.5 Построить графическую зависимость изменения плотности от степени деформации по результатам табл. 6.
Плотность
q/п, г/см3
Степень деформации d, %
4.6 Сравнить полученные результаты с расчетной плотностью (dрасч).
4.7 Составить отчет и сделать выводы по работе.
5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1 Сущность микрометрического и гидростатического методов.
5.2 Что такое атомный объем.
5.3 Как определить платность металла, зная параметры кристаллической решетки.
5.4 Как изменится объем железа при нагревании выше точки
А3.
5.5 Как изменится плотность железоуглеродистых сплавов
при ковке.
5.6 Как измениться плотность железоуглеродистых сплавов
при плоской деформации.
5.7 Плотность какого сплава выше - стали 20 или СЧ20.
5.8 Что характеризует коэффициент сжимаемости.
23
5.9 В чем заключается правило аддитивности.
5.10 Как определить плотность сплавов по диаграмме состояния Au – Cu.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. –
М.: ГОСНТИ, 1959. -367 с.
2.Металловедение и термическая обработка стали и чугуна:
Справочник /Под ред. академика Н.Т.Гудцова. –М.: ГОСНТИ,
1956. -1204 с.
24
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
«ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ»
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомиться с установкой и стационарным методом
определения теплопроводности металлов.
2 ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
2.1 Установка ОКТР – 1.
2.2 Образцы сталей различного состава и режимов термической обработки.
2.3 Мерительный инструмент.
2.4 Металлографический микроскоп.
2.5 Легкоплавкий материал (воск, парафин, сплав Вуда).
3 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Теплопроводность металлов и сплавов является физической константой, зависящей не только от химического состава,
но и от структуры сплава. Поэтому, измеряя величину теплопроводности при различных внешних воздействиях, можно исследовать протекающие превращения в них.
Величина теплопроводности характеризует способность
тела передавать тепловую энергию от одной точки к другой, если между ними возникает разница температур. Выделим в твердом теле две параллельные плоскости равного сечения (S) на
расстоянии l. Если в одном из сечений поддерживается температура t1 > t2, то поток тепла будет перемещаться по направлению,
указанному стрелкой. При этом количество теплоты, пройденное за определенный промежуток времени, будет тем больше,
чем меньше l, чем больше площадь сечения и большая разность
температур t1 - t2. Таким образом, теплопроводность сплавов –
количество тепла (Q), протекающее за время (τ, с), через попе-
25
речное сечение (S, см ) металлического стержня, по длине котоdT 0
рого (l) существует температурный градиент
, C/см.
dl
t t
Q    S 1 2  .
l
В этой формуле λ - коэффициент теплопроводности
(кал/см · град · с): количество теплоты, которое проходит в теле
через сечение 1 см2, на длине 1 см, при разности температур в
10С в течение 1 с. Теплопроводность λ зависит от температуры.
2
l
S
t1
Q
t2
Рисунок 1 - Схема к определению теплопроводности
Для материалов в технике существенное значение имеет
величина коэффициента температуропроводности, который
характеризует собой скорость изменения температуры и выра
жается следующим образом:  
, где ρ – плотность
A    Cv
материала; С – удельная теплоемкость; А - атомарный вес.
Чем больше α, тем меньше температурная разность в отдельных местах внутри тела при одинаковых условиях нагревания и охлаждения.
В общем виде для металлов температурная зависимость
теплопроводности имеет вид t  0 (1   t ) , где α – температурный коэффициент теплопроводности, который в большинстве случаев имеет отрицательное значение, так как при нагревании теплопроводность уменьшается. При плавлении металлов
теплопроводность изменяется скачкообразно (рис. 2). Это обу-
26
словлено нарушением правильности кристаллического строения
в металлах при переходе от дальнего порядка к ближнему.
λ
Тпл
Т, К
Рисунок 2 - Зависимость теплопроводности от температуры
нагревания
Металлы (табл. 1,2) по сравнению с другими твердыми
телами в сотни раз лучше проводят тепло. Такая высокая теплопроводность металлов связана с механизмом переноса тепла,
который обусловлен упругими колебаниями решетки, свободными электронами и тепловыми излучениями, имеющих минимальное значение, т.е.  = р + эл.
Таблица 1 – Теплопроводность при 200С чистых
металлов, Вт/см∙град
Металл

Металл

Металл

Li
0,7
Na
1,4
K
1,0
Be
1,6
Mg
1,72
Al
2,26
Ta
0,55
Mo
1,37
W
1,69
Fe
0,94
Co
0,7
Ni
0,62
Ir
0,60
Pd
Pt
Cu
Ag
Au
0,70
0,70
3,93
4,15
3,12
Zn
1,13
Cd
0,98
Hg
Ti
0,104 0,51
Sn
0,66
Pb
0,35
Sb
0,19
Bi
0,10
27
Таблица 2 – Физические свойства некоторых структурных
составляющих стали и чугуна
Структурные
составляющие
Аустенит
Феррит
Перлит
Цементит
Графит
Удельный
вес, г/см3
8-8,1
7,87
7,8
7,76
2,2-2,3
Коэффициент
линейного
расширения
α∙106,
мм/мм∙град
(20-1000)
17-24
12-12,5
10-11
6,0-6,5
7,5-8,5
Коэффициент
теплопроводности
кал/см∙с∙град
Удельное
электросопротивление
Ом∙мм2/м
0,10
0,18
0,12
0,017
0,036
0,104
0,104
0,20
1,40
1,50
В твердых телах тепловая энергия передается методом
тепловых колебаний атомов относительно друг друга, в результате чего по всем направлениям распространяются упругие волны, которые отличаются не только по направлению, но и по
длине. Наиболее длинные волны   2L (где L – длина кристалла) имеют скорость распространения (V), равную скорости звука, а наиболее короткие   2d (где d – расстояние между соседними атомами) имеют скорость примерно на 40% меньше. Ча
стота колебания обратно пропорциональна длине волны   .

Агармоничность колебаний атомов в решетке, а также несовершенство реальных кристаллических решеток обуславливают
рассеивание тепловых волн. Особенно сильное рассеивание испытывают короткие волны. Теплопроводность решетки
1
p 
, где Cv – теплоемкость решетки; V – скорость
3  Cv   l
звука в среде; l – средняя длина пробега фонона.
Электронная теплопроводность, благодаря большому
числу свободных электронов (≈ 1022 в 1 см3), будет составлять
основную величину (λэл. >> λр).
1
,
эл. 
2  n0  K   ср.  l
где n0 – число свободных электронов в единице объема;
Vср – средняя тепловая скорость их движения;
К – постоянная Больцмана; l – длина свободного пробега.
28
Учитывая, что теплопроводность в чистых металлах,
обеспечивается электронным газом, было установлено правило
Видемана и Франца, установивших соотношение между тепло- и
электропроводностью (σ), измеренных при одной и той же температуре:
эл /σ = 3(К/е)2 ∙ Т = const.
Теплопроводность является более чувствительной по отношению к всевозможного рода искажениям решетки. В общем
случае теплопроводность уменьшается с увеличением концентрации второго компонента. В твердых растворах теплопроводность понижается тем сильнее, чем дальше состав сплава отстоит от чистых исходных компонентов. Минимум теплопроводности находится при 50% соотношении компонентов. Особенно
резко снижается теплопроводность при образовании в сплаве
химических соединений.
Для измерения теплопроводности наибольшее распространение приобрели стационарные методы. Их принципиальная сущность заключается в том, что температура в отдельных
точках измеряемых стержней не меняется в процессе эксперимента. При стационарных методах концы стержня, по которому
течет теплота, поддерживается при различных, но неизменных в
процессе эксперимента температурах, таким образом, температура любой точки зависит только от ее координат, но не от времени. Получается как бы установившийся тепловой поток.
Схема установки для определения теплопроводности металлических стержней приведена на рис. 3. Образец – стержень
исследуемого материала (2) заданной длины располагается горизонтально и одним концом плотно входит в отверстие крышки
(7), а другим входит в отверстие нагревательного устройства (1),
где поддерживается температура Т1. С противоположной стороны располагается образец – стержень эталона. В образцах стержнях на равном расстоянии расположены отверстия (4) для
ввода термопар (8-13).
Количество тепла, выделяемого печью в единицу времени, определяется по формуле Q = 0,24JоVо, где Jо и Vо – опреде-
29
ляемые приборами сила тока и напряжение в цепи обмотки печи.
Теплота Q идет на создание теплового потока (q) через
стержень и частично в окружающую среду (q1). Для уменьшения
величины q1 печь помещают в сосуд Дюара. Температура стержня в различных точках измеряется термопарами, расположенными вдоль него на определенном расстоянии. Температура
окружающего стержень пространства принимается равной температуре воды (То), циркулирующей между стенками кожуха.
После того как достигается тепловое равновесие и показания
термопар перестают изменяться, фиксируются показания термопар, амперметра и вольтметра. Теплопроводность длинного
стержня может быть определена как среднее значение λ из значений, полученных при вычислении для каждой термопары по
формуле
qx
,

T1  T0
s(T1  T0 ) ln
T  T0
где х – расстояние от термопары до нагреваемого конца стержня; s – поперечное сечение стержня; Т – температура в точке х,
измеренная одной из термопар.
На данной установке можно также определить λ при низких и средних температурах относительным методом, когда
абсолютная величина теплопроводности не определяется непосредственно, а сравнивается с величиной теплопроводности заранее изученного эталона и затем вычисляется из соответствующего уравнения. Сущность метода заключается в том, что
одинаковые по сечению стержни покрывают слоем легкоплавкого материала (воска) и вставляются в нагревательное устройство. Таяние материала (воска) начинается с концов, ближайших
к источнику теплоты (ИТ). При этом чем выше теплопроводность материала стержня, тем на большей длине Х, считая от
источника тепла (ИТ), оплавляется воск.
30
14
Вода
5
°
°
1
1
4
4
°
1
2
13
6
1
2
8
7
Вода
°
°
14
3
10
9
°
А
V
Рисунок 3 - Схема установки для определения теплопроводности металлических стержней:
1 – нагревательное устройство; 2 – образец-стержень исследуемого материала;
3 – образец-стержень эталона; 4 – отверстия в стержне для ввода термопара;
5 – водоохлаждаемый кожух; 6 – 7 – крышки; 8 – 13 – термопары; 14 – гальванометр
При достаточно длинных стержнях можно считать, что
теплопроводность прямо пропорциональна квадрату длины, на
1 x12
которой произошло оплавление, т. е.
.

2 x 22
Если теплопроводность одного из стержней (эталона)
известна, то измеряя длины оплавления Х1 и Х2 можно вычислить теплопроводность другого стержня – λ2.
t2=t1
t1
ИТ
х1
х2
Рисунок 4 - Схема для относительного определения теплопроводности
методом нанесения легкоплавкого покрытия
Измерение расстояния от источника теплоты до границы
расплавления легкоплавкого материала следует определять после установления стационарного состояния теплового потока.
4 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Работа выполняется в течение 4 часов.
1 Изучить устройство установки для определения теплопроводности.
2 Включить установку и установить стационарный режим
работы.
3 Измерить гальванометром термо – э.д.с. термопар в
равноотстоящих сечениях образца и эталона.
4 По показаниям приборов А, V определить количество
теплоты, переносимое через поперечное сечение образца –
стержня.
5 Определить коэффициент теплопроводности для трех
значений в точках крепления термопар к образцу. Показания занести в таблицу.
32
6 Подсчитать среднее значение коэффициента теплопроводности.
5 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать краткие сведения о теплопроводности; схему установки и описание основных элементов; результаты эксперимента в виде таблицы; результаты расчета по
определению теплопроводности; выводы.
Таблица - Результаты эксперимента
Характеристика
1
Номер измерения
2
3
4
5
6
Термо-э.д.с., м.в.
Температура Т,0С
∆ Т, 0С
6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Какая размеренность коэффициента теплопроводности?
2 В чем отличие абсолютных и относительных методов
измерения теплопроводности?
3 Какие факторы влияют на величину теплопроводности?
4 Какой характер зависимости теплопроводности от температуры?
5 Как изменяется значение теплопроводности для твердых растворов и химических соединений?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лившиц Б. Г. Физические свойства металлов и сплавов.
– М.: ГОСНТИ. 1959. - 360с.
2. Ермаков С. С. Физика металлов. – Л.: Изд. Ленинград.
ун –та, 1975. - ч.I. – 176 с.
3. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: Справочник /Под ред. Н.Т.Гудцова – М.: ГОСНТИ. 1956.
– 1203 с.
33
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
«ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ
АНАЛИЗА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТАВА
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1 Изучить методы спектрального анализа.
2 Ознакомиться со спектральными аппаратами.
3 Провести качественный анализ стали на наличие легирующих примесей.
2 ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ
2.1 Стационарный стилоскоп СЛ – 11.
2.2 Образцы стали для анализа их состава (40Х; 40Г2;
30ХГД; 50ХФА; 40ХНМ).
3 ОБЩИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
В основе спектрального анализа лежит изучение света,
который излучается или поглощается анализируемым веществом. Методы спектрального анализа делятся на эмиссионные
(эмиссия - испускание) и абсорбционные (абсорбция - поглощение). На рис. 1 приведены принципиальные схемы спектрального анализа.
Характер света, излучаемого твердыми телами или жидкостями, очень мало зависит от химического состава, и поэтому
его нельзя использовать для анализа состава. В связи с этим при
эмиссионном методе анализа перед возбуждением вещества его
необходимо испарить, так как именно излучение газа определяется составом анализируемой пробы.
Испарение и возбуждение осуществляют в источниках
света, в которые вводится анализируемая проба. В качестве источников света используют высокотемпературное пламя или
34
различные типы электрических разрядов в газах: искру, дугу и
др. Для получения электрического разряда с нужными характеристиками служат высоковольтные генераторы. Высокая температура (< 104 0С) в источниках света приводит к распаду молекул вещества на атомы. Излучение источника света состоит из
излучения атомов всех элементов, присутствующих в пробе. Для
анализа необходимо выделить излучение каждого
Рисунок 1 - Принципиальные схемы спектрального анализа:
а) эмиссионного; б) абсорбционного;
1 – источник света; 2 – осветительный конденсор;
3 – кювета для анализируемой пробы; 4 – спектральный
аппарат; 5 – регистрация спектра; 6 – определение волны
спектральных линий или полос; 7- качественный анализ
пробы с помощью таблиц и атласов; 8 – определение
интенсивности линий или полос; 9 – количественный
анализ пробы по градуировочному графику
элемента. Это осуществляют с помощью оптических приборов –
спектральных аппаратов, где световые лучи с разными длинами
волн отделяются в пространстве друг от друга. Излучение источника света, разложенное по длинам волн, называется спектром. Свет, разложенный в спектральном аппарате в спектр,
можно рассматривать визуально или зарегистрировать с помощью фотографии или фотоэлектрических приборов.
Конструкция спектрального аппарата зависит от метода
регистрации спектра. Для визуального наблюдения спектра
служат спектроскопы – стилоскопы и стилометры. Фотографирование спектров осуществляют с помощью спектрографов.
35
Спектральные аппараты – монохроматоры – позволяют выделять свет одной длины волны, и его интенсивность может быть
зарегистрирована с помощью фотоэлемента или другого электрического приемника света.
Задача качественного анализа – определить, к излучению какого элемента относится та или иная линия в спектре
анализируемой пробы. Для этого нужно найти длину волны линии по ее положению в спектре, а затем с помощью таблиц
определить ее принадлежность к тому или иному элементу.
Задача проведения количественного анализа – найти
интенсивность одной из спектральных линий определяемого
элемента в анализируемой пробе и сравнить ее с эталоном – образцом, который имеет точно определенную концентрацию элемента в химическом составе, или использовать градуировочные
графики.
К эталонам предъявляются определенные требования:
- они должны быть строго однородными по своему химическому составу и структуре;
- по составу, изготовлению, обработке, форме и другим
показателям должны полностью соответствовать анализируемым образцам данного сырья или продукции;
- концентрация определяемого элемента должна изменяться в одинаковое число раз. Например, если интервал определяемых концентраций 0,1-2,2%, то при наличии пяти эталонов
необходимо иметь следующие концентрации: 0,08%, 0,2%, 0,5%,
1,2% и 2,5%.
Эталоны для спектрального анализа изготовляются в лабораториях стандартных образцов и снабжаются свидетельствами, в которых указан точный химический состав.
При визуальном количественном анализе на спектрометрах используют метод спектроскопических признаков. Сущность метода заключается в том, что для определения содержания примесей проводят сравнение интенсивности линии примеси с линиями эталонов, содержащих различную концентрацию
данного элемента. Такие спектроскопические признаки линий
равной интенсивности (гомологические) сведены в таблицы. В
одну группу признаков может входить одна или две линии легирующей примеси и несколько линий сравнения. Таким образом,
36
при стилоскопическом методе с помощью эталонов для каждой
аналитической пары линий определяют концентрацию, при которой интенсивности обеих линий равны. Например, в табл. 1
приведены спектроскопические признаки для определения марганца в сталях, а на рис. 2 показаны аналитические линии и их
условные обозначения.
Таблица 1 – Стилоскопические признаки для определения Mn
в сталях
Концентрация, %
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Оценка
интенсивности
65
65
6=5
6  5; 6 = 8
6  7; 6  8; 6 = 4
6 = 7; 6  4
6  7; 1  7; 2  4
6  7; 1 = 7; 2  4
1  7; 6  9; 3  4
В среднем относительная погрешность стилоскопических
определений путем сопоставления интенсивностей линий составляет 25-50%, однако это позволяет назвать марку сплава.
Mn 4754,0 Å
Mn 4762,4 Å
Mn 4766,4 Å
Fe 4772,8 Å
Fe 4779,4 Å
Mn 4783,4 Å
Fe 4786,0 Å
Fe 4788,8 Å
Fe 4789,7 Å
37
Рисунок 2 - Спектральные линии для стилоскопического
определения марганца в сталях
При абсорбционном спектральном анализе (рис. 1 б)
источником света служит нагретое твердое тело или другой источник сплошного излучения. Анализируемую пробу помещают
между источником света и спектральным аппаратом. Спектр,
характеризующий вещество, составляют те длины волн, интенсивность которых уменьшается после прохождения через анализируемую пробу. Спектры поглощения получают с помощью
спектральных аппаратов – спектрофотометров, в состав которых входят источник сплошного света, монохроматор и регистрирующее вещество.
Главным элементом оптической системы спектральных
аппаратов является призма или дифракционная решетка, которая
непосредственно разделяет лучи по длинам волн.
При преломлении света на границе двух сред (призме)
происходит его разложение, так как показатель (n) преломления
зависит от длины волны (λ). С ростом длины волны показатель
преломления обычно уменьшается. Зависимость показателя
 dn 
преломления от длины волны называется дисперсией   .
 d 
Так как в треугольной призме грани расположены под углом
друг к другу, то при втором преломлении угол между лучами с
разной длиной волны еще больше увеличится. Направление лучей после призмы зависит от длины волны света и угла падения.
Угол падения выбирают обычно так, чтобы световой поток
внутри призмы был параллелен основанию. При такой установке достигается лучшее качество спектра. Способность призмы
разделять в пространстве лучи с разными длинами волн характеризуется ее угловой дисперсией, которая показывает скорость
изменения угла отклонения с изменением длины волны. Угло d 
 зависит от преломляющего угла призмы и
вая дисперсия 
 d 
дисперсии материала, из которого она сделана. Каждый спектральный аппарат рассчитан на работу в определенной области
38
спектра, а для расширения их возможности аппараты снабжают
сменными призмами.
Очень важной характеристикой спектральных аппаратов
 dl 
является линейная дисперсия   , которая показывает, как
 d 
быстро изменяется расстояние между линиями в фокальной поверхности в зависимости от длины волны. На рис. 3 показан
один и тот же спектр, полученный с помощью спектральных аппаратов, имеющих разную линейную дисперсию.
Рисунок 3 - Один и тот же спектр, полученный на приборах с
разной дисперсией
Увеличение спектрального аппарата показывает отношение размера изображения (спектральная линия) к размерам
объекта (щель).
f
g  2 ; где f2 – фокусное расстояние камеры; f1 – фокусное расf1
стояние коллиматора. Для автоколлимационных спектральных
аппаратов g = 1.
Разрешающая способность аппарата характеризует возможность разделения двух спектральных линий с близкими
длинами волн. Численно разрешающую способность спектраль
ного аппарата измеряют отношением
; где λ – длина волны,

для которой определяют разрешающую способность; ∆λ – раз-
39
ность длин волн двух наиболее близких спектральных линий,
которые еще могут быть разрешены данным спектральным аппаратом. В спектроскопах для обеспечения достаточно высокой
разрешающей способности их снабжают диспергирующей системой, состоящей из нескольких стеклянных призм. В автоколлимационной схеме используют одну 60 – градусную и одну 30
– градусную призмы.
4 УСТРОЙСТВО И НАЗНАЧЕНИЕ
СТИЛОСКОПА СЛ – 11
На рис. 4 приведен общий вид стилоскопа. Этот спектрометр является стационарным и предназначен для анализа
сравнительно небольших образцов, которые можно доставить в
лабораторию. Стилоскоп собран по автоколлимационной схеме.
Он снабжен жестко закрепленной трехлинзовой осветительной
системой. Возбуждает вещество электрическая дуга от дугового
генератора. Образец кладут на предметный столик стилоскопа.
Дуговой разряд возникает между образцом и нижним электродом в виде медного или железного диска, регулируемым винтами. На рис. 5 приведена оптическая схема прибора. Свет от
дуги через систему линз освещает щель постоянной ширины
(0,02 мм). Между щелью и объективом расположена призма.
Разложенный свет через диспергирующую систему поступает в
окуляр. В фокальную поверхность камерного объектива можно
вводить фотометрический клин переменной плотности, который
поглощает часть света. Это превращает стилоскоп в простейший
стилометр.
Перед началом работы следует проверить разрешающую
способность стилоскопа по линиям дугового спектра железа
(табл.2) при токе 4 ампера и медном подставном электроде. Линии в спектре должны иметь равномерную яркость по высоте.
Необходимо добиться хорошей воспроизводимости при
анализе одного и того же образца.
40
Рисунок 4 - Общий вид стилоскопа СЛ – 11: 1 - предметный столик;
2, 3 – винты регулировки дискового электрода и образца;
4 – тумблер включения дуги; 5 – тумблер переключения
тока; 6 – маховик поворота фотометрического клина;
7 – окуляр; 8 – корпус стилоскопа; 9 – дуговой генератор;
10 – барабан поворота призмы
Рисунок 5 - Оптическая схема стилоскопа: 1 – источник света;
2 – конденсоры 3 – щель; 4 – поворотная призма;
5 – объектив; 6 – диспергирующая система;
7 – поворотная призма; 8 – плоское зеркало;
9 – окуляр
41
Таблица 2 - Спектральные линии для проверки стилоскопа
Проверка разрешения
Fe 5079,24 – Fe 5079,75 А0
Fe 5191,46 – Fe 5192,35 А0
Cr 5409,79 – Fe 5410,91 А0
Fe 6136,62 – Fe 6137,70 А0
Проверка освещенности
Cu 4275,13 А0
Cu 6147,31 А0
Fe 4643,31 А0
5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучить устройство и назначение основных элементов
прибора.
5.1 Проградуировать шкалу барабана стилоскопа в длинах
волн: на предметный столик против нижнего электрода положить образец из чистого железа; зажечь дугу и по атласу спектральных линий железа найти в спектре, который наблюдается в
окуляре стилоскопа, линии, обозначенные в табл. 3. Устанавливая в поле зрения окуляра, против стрелки каждую линию, записать соответствующее ей значение на шкале барабана.
Таблица 3 - Значение длин волн для градуировки стилоскопа
Область
спектра
Фиолетовая
Синяя
Зеленая
Длина волн,
нм
404,581
438,355
485,974
Область спектра
желто-зеленая
желтая
красная
Длина волн,
нм
550,147
576,301
613,662
Полученные данные измерений занести в табл. 4 и
построить дисперсионную кривую стилоскопа в координатах
λнм - lдел. барабан.
λ, нм
Деления шкалы, мм
42
Таблица 4 - Результаты измерений для построения
дисперсионной кривой
Длина
404,581 438,355 485,974
волны, нм
Деление
шкалы
барабана
стилоскопа
550,147
576,301 613,662
5.2 Определить наличие легирующих примесей в стали
методом спектроскопических признаков.
Положить на столик стилоскопа образец из стали, зачищенный наждачной бумагой.
По атласу спектроскопических признаков выбрать для
определяемого элемента аналитическую группу со средней чувствительностью. Например, для хрома удобнее начинать с группы Cr4. Длина волны аналитической линии в этой группе равна
540,95 нм. По полученной дисперсионной кривой стилоскопа
найти положение барабана, соответствующее данной длине волны, и установить в окуляре картину спектра группы Cr4, отожествив ее с картиной этой же группы, изображенной в атласе.
Данное положение барабана для всех линий примесей занести в
таблицу 5.
Таблица 5 - Данные по стилоскопу для определения наличия
примесей
Положение барабана
Длина волны линии
по дисперсионной
примеси, нм
по стилоскопу
кривой
λ Cr = 540,95
λ Mn =
λ Mo =
Среди спектральных линий в аналитической группе атласа спектроскопических признаков, найти равноинтенсивную
43
(гомологичную) пару в данной группе и записать соответствующую этому равенству концентрацию из таблицы условий в атласе. Для каждого из анализируемого элемента записать значение концентрации, соответствующее гомологической (равноинтенсивной) паре.
6 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать: цель работы, основные положения
качественного спектрального анализа, общий вид и оптическую
схему стилоскопа СЛ – 11, таблицы 2 – 5, результаты качественного анализа, дисперсионную кривую, выводы.
7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
7.1 Какие условия гомологичности при выборе аналитической пары?
7.2 Что является основой для классификации методов спектрального анализа?
7.3 Что такое спектр?
7.4 Какой источник возбуждения используется в стилоскопе?
7.5 Назовите рабочий диапазон стилоскопа.
7.6 Назовите основные элементы оптической схемы стилоскопа.
7.7 Чем определяется конструкция спектрального аппарата?
7.8 Назовите основные этапы спектрального анализа.
7.9 Что такое угловая дисперсия?
7.10 Что такое эталон?
7.11 Каким требованиям должен удовлетворять эталон?
7.12 Что определяет разрушающую способность спектрометров?
7.13 Чем отличается эмиссионный спектральный анализ от
абсорбционного?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
44
1. Кустанович И.И. Спектральный анализ. – М.: Высшая
школа, 1972. - 351 с.
2. Нагибина М.И., Прокофьев В.К. Спектральные приборы и
техника спектроскопии. – Л.: Машиностроение, 1967. – 323 с.
3. Структура и физические свойства твердого тела. Лабораторный
практикум:
Учеб.пособие
/Под
ред.
проф.
Л.С.Палатника -Киев: Вища школа. Главное изд-во, 1983. – 264
с.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4
«ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ
45
И СТРОЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ РЕПЛИК»
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Освоить технику изготовления реплик для изучения
структуры материалов и состояния поверхности.
1.2 Ознакомиться с конструкцией и технической характеристикой вакуумного поста ВУП – 5.
2 ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
2.1 Вакуумный пост ВУП – 5М.
2.2 Металлографический, растровый микроскоп.
2.3
Набор образцов стали с различным структурным состоянием.
2.4 Эталоны шероховатости поверхности.
2.5 Образцы деталей после эксплуатации.
3 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Исследование структуры материалов и состояния поверхности осуществляется преимущественно на образцах, изготовленных непосредственно из анализируемого материала. Однако такие препараты можно не всегда изготовить. Например, когда
нельзя разрушать изделия для приготовления образцов: при
оценке изменения структуры материала в процессе эксплуатации и определения его остаточной работоспособности; контроля
степени изнашивания и характера взаимодействия материалов
контактирующих сопряженных поверхностей; при определении
характера разрушения материала при лабораторных и эксплуатационных испытаниях и др. В этих случаях используют
метод реплик.
Репликой называют слепок (отпечаток) с поверхности образца. С помощью реплик решают задачи, аналогичные для оптической и электронной микроскопии, но с лучшим разрешением и
большей глубиной резкости. Реплики изготавливаются из материала, отличного от материала исследуемого объекта. Поэтому о
химической и кристаллической идентичности объекта и препа-
46
рата не может быть и речи. По реплике можно получить данные
преимущественно о рельефе поверхности исследуемого образца,
за исключением реплик с экстрагированием (извлечением) частиц с исследуемой поверхности образца.
В связи с этим для исследования структуры материала на исследуемом объекте методом реплик его поверхность должна
быть подготовлена таким образом, чтобы по рельефу поверхности (а, следовательно, по рельефу реплик) можно было судить о
структуре объекта. Для этого используются разнообразные методы травления шлифов. Выводы о геометрии поверхности, а по
ней – соответствующие выводы о структуре объекта, делаются
на основе анализа контраста изображения, возникающего вследствие локального изменения толщины реплики.
Материал реплики должен быть нейтральным к исследуемому объекту и достаточно пластичным, чтобы без повреждений
отделяться от поверхности объекта.
На сегодня разработаны многочисленные методы получения
реплик (табл. 1), которые позволяют осуществлять исследование
поверхности твердого тела на оптическом или электронном
микроскопах.
3.1 Напыленные реплики
Напыленные реплики занимают значительное место в общей
методике реплик, что объясняется рядом причин. Прежде всего,
напыленные реплики отличаются самым высоким разрешением.
Разрешение определяется размерами атомов или молекул, а
также характером процесса кристаллизации. Для аморфных
(SiO, С) и смешанных угольно-металлических слоев предел разрешения оказывается ниже 20 А. Напыленные реплики играют
большую роль в методике двухступенчатых реплик, где вторичные реплики почти без исключения получают напылением в высоком вакууме. При этом используется как химическая
нейтральность напыленных слоев по отношению к пластическим материалам первичных реплик, так и хорошая воспроизводимость толщины напыленных слоев.
47
Таблица 1 – Методы получения реплик
I Простая
реплика
II Двухступенчатая
или матричная
реплика
III Репликаоболочка
Метод
а) лаковая реплика
б) напыленная
реплика
в) окисная реплика
а) полимеризационная
реплика
б) тисненая реплика
в) толстая лаковая
реплика
г) толстый напыленный
слой
а) напыленная реплика
б) осажденные слои
а)
б)
в)
а)
б)
в)
г)
а)
б)
Материал
коллодий
углерод, смешанные
слои металла и углерода
окисленный материал
объекта
пластмасса
термопластические
синтетические пленки,
литые пластмассы;
мягкие алюминиевые
фольги
вязкие растворы пластмасс
(полистирол, поливиниловый
спирт)
серебро
углерод, моноокись кремния
продукты разложения
органического вещества в
тлеющем газовом разряде
Наряду с указанными преимуществами методика напыленных реплик имеет и недостаток: если напыление осуществляется
непосредственно на объект, то часто весьма затруднительно отделить реплику от подложки без разрушения объекта. В большинстве случаев для того, чтобы реплика всплыла, необходимо
химически растворить поверхность исследуемого объекта.
В качестве материала для напыления применяют уголь, который в значительной мере вытеснил такие ранее широко применявшиеся материалы, как моноокись кремния и некоторые металлы. Преимущества угольных реплик состоят в том, что они:
а) обладают хорошей прозрачностью;
б)не столь хрупки, как пленки из SiO;
в) обладают высокой разрешающей способностью;
г) химически устойчивы.
Наиболее простой способ получения угольных реплик, разработанный Брэдли, заключается в следующем. Два угольных
стержня, концы которых имеют сферическую форму, прижимаются друг к другу. При остаточном давлении ~10-4 мм рт. ст. к
стержням прикладывается напряжение около 12 В. При этом через стержни проходит ток около 100 А. Вследствие высокого
локального сопротивления в месте соприкосновения угольные
стержни нагреваются до температуры, достаточной для испарения угля. Испаренные частицы угля осаждаются на холодных
поверхностях окружающей среды в виде плотных угольных
пленок.
Для получения лаковой реплики нужно выполнить следующее.
Приготовить шлиф и протравить его. При этом использовать
травители, дающие четкий рельеф поверхности. Для сталей
можно взять 4% раствор азотной кислоты в спирте. Время травления 5с -1 мин. Качество травления контролировать просмотром на оптическом микроскопе.
На промытую спиртом поверхность шлифа нанести каплю
лака (1,5%-ный раствор нитроклетчатки в амилацетате) и дать
ей растечься по всей поверхности. Излишек лака удалить с по-
49
мощью фильтровальной бумаги, наклонив образец. Дать лаку
высохнуть.
Поверх высохшей лаковой пленки нанести каплю 10% раствора желатина в воде и высушить под лампой. Высохнув, желатин оторвет лаковую реплику от поверхности шлифа.
Растворить желатин, опустив реплику желатином вниз на поверхность нагретой до 60-70 °С дистиллированной воды. После
3-4-кратной промывки лаковая пленочка полностью отмоется от
желатина.
Выловить лаковую реплику на предметную сеточку. Полученная описанным способом лаковая реплика дает при просвечивании в электронном микроскопе слабый контраст, поэтому
ее оттеняют: на поверхность реплики конденсируют слой тяжелого металла, чаще всего хрома.
Проводят оттенение в вакуумной установке (рис. 1). Можно
использовать вакуумный универсальный пост (ВУП) промышленного производства. Молекулярный пучок испаряемого металла направляется под углом к поверхности реплики, поэтому
осаждается металл только на незатененных участках ее рельефа.
Поскольку металл рассеивает электроны значительно сильнее,
чем лак, контрастность реплики после оттенения резко усиливается. Одновременно повышается и разрешение деталей изображения. Зная угол оттенения φ (рис.2) и измерив на снимке ширину b «тени», можно рассчитать высоту h рельефа по формуле
h =b tg φ. На данном рисунке видно также, как выглядят некоторые детали рельефа на оттененной реплике.
Для оттенения реплик нужно выполнить следующие операции:
- поместить в испаритель вакуумной установки крупинку
хрома массой около 3 мг;
- реплики, находящиеся на предметных сеточках, закрепить
на специальном столике и поместить столик в вакуумную установку на расстоянии 7-8 см от испарителя под углом 30° к оси
испарителя;
- создать вакуум в установке и испарить навеску хрома, пропустив через вольфрамовую спираль испарителя ток около 20 А.
50
Рисунок 1 - Схема оттенения реплик в вакуумной установке:
1 – колпак; 2 – столик для закрепления реплик;
3 – испаритель оттеняющего металла;
4 – патрубок к диффузионному насосу
Рисунок 2 - Схема косого оттенения реплик
Оттененные реплики готовы для просмотра в электронном
микроскопе.
Углеродные реплики также изготавливают в вакуумной
установке, конденсируя на поверхность шлифа тонкий (прозрачный для электронов) слой углерода. В этом случае в вакуумной установке (см. рис. 1) вместо испарителя металла устанавливают испаритель углерода, состоящий из двух стержней
спектрально чистого угля (рис. 3 а). Один из угольных электродов затачивают на острый конус, другой срезают косо, образуя
площадку лицевой стороной к образцу.
51
Рисунок 3 - Схема испарения углерода (а) и углерода
совместно с платиновой проволокой (б)
Для изготовления углеродной реплики нужно выполнить
следующие операции:
- подготовить шлиф и протравить его для создания рельефа;
- поместить шлиф в камеру вакуумной установки на высоте
8-10 см над угольными электродами. Располагать шлиф можно
нормально или под углом к потоку испаряемого углерода;
- создать вакуум в камере установки;
- подать напряжение на электроды и ввести их в контакт
друг с другом. В месте соприкосновения электроды в результате
прохождения тока (50 - 60 А) сильно разогреваются и уголь испаряется. На поверхности шлифа образуется пленка углерода.
Толщина пленки задается временем пропускания тока (5 - 10 с);
- извлечь шлиф из вакуумной камеры и отделить угольную
реплику.
Отделение реплики можно осуществить механически (с помощью желатина), а также химическим или электролитическим
травлением шлифа. При химическом травлении угольную пленку на шлифе насекают иглой на квадратики 3x3 мм2. Затем
шлиф помещают в чашку с травителем так, чтобы травитель
лишь слегка покрывал поверхность образца. Угольная пленка
при этом подтравливается и всплывает.
Достоинство углеродных реплик в том, что они прочнее лаковых и лучше копируют рельеф шлифа. Если такой шлиф расположить в вакуумной установке под углом к электродам, то
будет происходить «самооттенение», усиливающее контраст.
Однако в общем случае углеродные реплики также оттеняют,
как и лаковые.
52
Разработаны и часто используются такие способы изготовления углеродных реплик, когда совместно с углеродом испаряется платина, например по схеме рис. 3 б. При косом расположении шлифа такая методика позволяет в едином цикле получать углеродные реплики, оттененные тяжелым металлом.
Процедура изготовления реплик с извлечением (иногда их
называют экстракционными) имеет свои особенности. Такая реплика состоит из собственно реплики, являющейся отпечатком с
поверхности образца, и частиц самого образца, оторванных от
его поверхности. Извлекаются обычно мелкодисперсные выделения вторичных фаз, например карбидов в сталях. Достоинство
реплик с извлечением в том, что на них можно проводить фазовый анализ выделений, снимая электронограммы в обычном режиме и в режиме микродифракции.
Существует много способов приготовления реплики с извлечением. В данной работе предлагается изготовить ее по двухступенчатой методике. Для этого нужно выполнить следующие
операции:
- подготовить шлиф и протравить его (использовать травитель, который травит матрицу и не воздействует на частицы той
фазы, которую нужно экстрагировать);
- на поверхность горючей рентгеновской пленки, очищенной
от эмульсии, нанести каплю ацетона; дождаться размягчения
пленки;
- прижать размягченную пленку к поверхности шлифа и дать
ей высохнуть. Высохнув, пленка оторвется от шлифа и оторвет
частицы второй фазы. Это реплика «первой ступени»;
- поместить реплику в вакуумную камеру и нанести на нее
углеродную пленку;
- рентгеновскую пленку растворить в ацетоне, а угольную с
закрепленными в ней частицами выловить на предметную сетку.
Это будет «двухступенчатая реплика с извлеченными частицами».
Если проводят фазовый анализ, то реплику с извлечением не
оттеняют металлом, чтобы не усложнять дифракционную картину.
53
4 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ И ОСНОВНЫЕ
УЗЛЫ ВУП-5М
Вакуумный универсальный пост (ВУП-5М) предназначен
для подготовки объектов, исследуемых с помощью электронного и оптического микроскопов, а также для получения пленок из
различных материалов методом магнетронного распыления.
Прежде чем приступить к работе на ВУП-5М, необходимо
изучить инструкцию по эксплуатации и требования по соблюдению правил технической безопасности.
Прибор выполнен одной стойкой (рис. 4), в которой размещена вакуумная система (1), создающая остаточное давление
в рабочем объеме до 1,3∙10-4 Па и позволяющая работать в ручном и автоматических режимах; основание колпака с рабочим
столом (2), на котором закрепляются различные приспособления; приставка для магнетронного распыления материалов (3);
колпак (4), который формирует вакуумный рабочий объем; блок
питания (5) с максимальным напряжением на выходе высоковольтного выпрямителя до 7 кВт; пульт управления (6) различными режимами прибора.
Непосредственно в рабочем объеме прибора располагается
устройство для испарения углей (рис. 5) или электронный испаритель.
Угли устанавливаются на кронштейнах, которые шарнирно закреплены между собой изолирующим агатовым наконечником. Для защиты внутреннего объема от запыления предназначен экран.
Электронный испаритель применяется для испарения сыпучих веществ в малом количестве или большом количестве, он
устанавливается на заземленной стойке основания рабочего
объема.
Устройство для поворота и наклона объектов (рис. 6)
крепится на корпусной стойке испарителей в рабочем объеме и
дает возможность устанавливать столик объектов под любым
углом по отношению к
объектов
54
испарительному веществу. Столик
6
Рисунок 4 – Общий вид прибора ВУП-5М: 1 – вакуумная
система; 2 – рабочий столик; 3 – приставка
магнетронного распыления; 4 – колпак рабочего
объема; 5 – блок питания; 6 – пульт управления
55
Рисунок 5 – Устройство для испарения углей: 1 – кронштейн;
2 – кронштейн; 3 – втулка (груз); 4 – провод;
5 – винт закрепления угля; 6 – экран; 7 – винт
закрепления устройства на стойке
установлен непосредственно на оси микроэлектродвигателя, который обеспечивает скорость вращения подложек не менее
0,5 с-1. Для определения угла наклона имеется специальный
лимб и фиксирование заданного положения.
Столик объектов может нагреваться до температуры
11000С или охлаждаться до температуры минус 1600С.
Прежде чем приступить к работе на ВУП-5М, необходимо
ознакомиться с инструкцией по эксплуатации и требованиями
соблюдения правил техники безопасности.
После окончания работы на приборе перед его отключением обязательно откачать рабочий объем.
56
Рисунок 6 - Устройство для поворота и наклона объектов:
1 – микроэлектродвигатель; 2 – корпус; 3 – провод;
4 – столик; 5 – лимб; 6 - держатель
57
5 ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
МЕТОДА РЕПЛИК
Поскольку метод реплик позволяет исследовать рельеф поверхности объекта, то можно анализировать внутреннее строение, а также
изменения, происходящие во времени в исследуемой системе. Например, на рис. 7 представлено изображение двухступенчатой реплики
стали 45. На микрофотографии хорошо видна перлитная пластинчатая
система, т.к. выступающие области, соответствующие ферриту, дают
резкие тени. Исследование поверхности изломов (рис. 8) с помощью
реплик позволяет получить существенные данные о характере разрушения материала – транскристаллитное или интеркристаллитное в соответствии с размером и характером распределения стекловидных
участков.
Анализ электронно-микроскопических снимков обработки поверхности шлифовальным кругом, полученных с помощью реплик
(рис. 9), позволил определить некоторые особенности процесса. На
снимках показаны зоны начала (рис. 9 а) и конца (рис. 9 б) соприкосновения шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью. Если в
передней зоне отчетливо проявляются расположенные в различных
местах риски от отдельных абразивных зерен, то в задней зоне видна
сравнительно четкая граница между шлифованной и нешлифованной
областями. Эта граница характеризуется наличием на шлифованной
поверхности выпуклости, возвышающейся над шлифованной поверхностью. Интерпретация снимков позволила установить, что в процессе
шлифования имеет место не только удаление материала, но и его деформация, сопровождаемая разрушением абразивных зерен. Представление о происходящих процессах позволило разработать схему обработки материала (рис.10) шлифовальным кругом.
58
перлит
феррит
Рисунок 7 - Реплика с поверхности углеродистой стали С 45
а
б
в
Рисунок 8 - Характер разрушения конструкционной стали:
а – хрупкий транскристаллитный; б – хрупкий
интеркристаллитный; в – вязкий
59
60
Рисунок - 9 Микрофотографии зон, соответствующих схеме шлифования
Рисунок 10 - Схема деформации материала при его обработке
шлифовальным кругом
В последние годы возникла необходимость исследовать строение
волокон, которые используются для производства композиционных
материалов, с целью оптимизации технологий получения прочностных
свойств. Особенности строения волокон в том, что их размеры находятся в диапазоне размеров, трудно доступных для электронномикроскопической методики препарирования. Поэтому было разработано специальное устройство для получения реплик с волокнистых и
61
порошкообразных
материалов. Проведенные экспериментальные
исследования полученных реплик позволили установить не только детали тонкой структуры поверхности волокон (рис. 11), но и выяснить
внутреннее строение, последовательно снимая поверхностные слои.
6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
6.1 Изучить основные узлы вакуумного поста ВУП-5М.
6.2 Изготовить и оттенить реплику шлифа стали.
6.3 Изготовить и оттенить реплику с поверхности образца, подвергнутого механической обработке резанием.
6.4 Просмотреть полученные реплики в микроскопе.
6.5 Привести эскиз или снимок наблюдаемого изображения.
6.6 Составить отчет и сделать краткие выводы о результатах работы. Отчет должен содержать краткие сведения о методике препарирования объектов исследования и снимки результатов просмотра полученных реплик.
7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
7.1 Какую информацию об образце можно получить методом реплик?
7.2 Как изготовляют двухступенчатые реплики?
7.3 Какие требования предъявляют к материалу реплик и оттеняющего вещества?
7.4 Как по реплике определить высоту деталей рельефа образца?
7.5 Какую информацию об образце дают реплики с извлечением?
7.6 Какие основные узлы ВУП-5М используют для получения реплик?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шиммель Г. Методика электронной микроскопии. –М.: Мир,
1972. – 300 с.
2. Структура и физические свойства твердого тела. Лабораторный
практикум: Учебное пособие /Под ред. Л.С. Палатника. –Киев: Вища
школа, 1983. -264 с.
3. Гордеева Т.А., Желина И.П. Анализ изломов при оценке
надежности материалов. –М.: Машиностроение, 1978. – 200 с.
62
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
«ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСЛОКАЦИОННЫХ СТРУКТУР
В КРИСТАЛЛАХ МЕТОДОМ ТРАВЛЕНИЯ»
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Изучить основные виды и особенности линейных дефектов
кристаллического строения.
1.2 Освоить технику выявления дислокационных дефектов в кристаллах методом травления.
1.3
Исследовать дислокационную структуру монокристаллов
NaCl и Bi.
2 ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ
И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
2.1 Микроскопы МИМ-7, МИМ-8.
2.2 Кристаллы для исследования.
2.3 Инструмент и столик для препарирования.
2.4 Химические реактивы – ледяная уксусная кислота СН3СООН.
2.5 Скальпель, фильтрованная бумага.
3 ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3.1 Линейные дефекты
Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершен-
63
ства называются дислокациями. Кристаллическая решетка с краевыми дислокациями показана на рис. 1.
Краевая дислокация (рис. 1 б и в) представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости
чертежа.
Рисунок 1 - Краевые дислокации: а - сдвиг, создавший краевую
дислокацию; б - пространственная схема краевой
дислокации; в, г - схемы расположения атомов у
дислокации
Наиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в
кристалле - сдвиг (рис. 1 а). Если верхнюю часть кристалла сдвинуть
относительно нижней на одно межатомное расстояние, причем зафиксировать положение, при котором сдвиг охватывает не всю плоскость скольжения, а только часть ее ABCD, то граница АВ между участком, где
скольжение уже произошло, и не нарушенным участком в плоскости скольжения
и будет дислокацией (рис. 1 а). Как видно из рис. 1, линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига.
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают ┴ (рис. 1 в), а если в
нижней - то отрицательной и обозначают ┬ (рис.1 г). Различие между
положительной и отрицательной дислокацией чисто условное. Переворачи-
64
вая кристалл, мы превращаем отрица- тельную дислокацию в положительную. Знак дислокации важен при анализе их взаимодействия.
Кроме краевых, различают еще винтовые дислокации. Винтовые дислокации в отличие от краевых располагаются параллельно направлению
сдвига (линия AD на рис. 2). При наличии винтовой дислокации кристалл
можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. На рис. 2, 6 показано расположение атомов на винтовой поверхности вдоль винтовой дислокации.
Рисунок 2 - Винтовая дислокация: а - сдвиг, создавший винтовую
дислокацию; б - расположение атомов
Дислокации окружены полями упругих напряжений, вызывающих искажение
кристаллической решетки. В краевой дислокации выше края экстраплоскости
межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края - больше.
Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важнейших
характеристик дислокации любого типа. Чтобы оценить степень искажения решетки, вызванной линейной дислокацией, следует сравнить свершенный кристалл с кристаллом, содержащим дислокацию. Критерием этого искажения
служит вектор Бюргерса.
Для определения вектора Бюргерса краевой дислокации (рис. 3)
проведем вокруг дислокации контур ABCDE. Контур проводят так,
чтобы от точки А против часовой стрелки равномерно отложить, например, по шесть межатомных расстояний снизу вверх: АВ, ВС, CD и DE.
Контур замкнется на участке DA, который будет состоять только из
пяти отрезков. В кристалле, в котором отсутствовали дислокации, этот
участок так же, как и предыдущие, состоял из шести отрезков. Разность
протяжённости контуров АЕ называют вектором Бюргерса и обозна-
65
чают b. Разность контуров имеет величину порядка
расстояний (10-8 см).
межатомных
Рисунок 3 - Схема определения вектора Бюргерса для краевой
дислокации: а - схема плоскости реального кристалла; б - решетка совершенного кристалла
Определение вектора Бюргерса для кристалла, содержащего
винтовую дислокацию, производят аналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линий, а у винтовой —
параллелен ей. Если вектор Бюргерса охватывает несколько
дислокаций, то величина его соответствует геометрической сумме
векторов отдельных дислокаций. Вектор Бюргерса позволяет найти
силы, требуемые для продвижения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокаций и т. д.
Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов
(при срастании зерен и блоков) из группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений.
Силовые (упругие) поля дислокаций взаимодействуют между
собой. Если дислокации, расположенные в одной плоскости
скольжения, обладают одинаковым знаком, то они отталкиваются одна от другой (рис. 4 а); если дислокации разного знака,
то они взаимно притягиваются (рис. 4 6).
Сближение дислокаций разного знака приводят к их взаимному уничтожению (аннигиляции).
Дислокации не могут обрываться внутри кристаллита. Они могут
прерываться на других дислокациях и на границах раздела (границы
зерен, поверхность кристалла и т.д.).
67
Рисунок 4 - Схема взаимодействия дислокаций, лежащих
в одной плоскости скольжения
В связи с этим внутри кристалла дислокации образуют замкнутые петли или взаимосвязанные сетки.
Важной характеристикой дислокаций является плотность. Под
плотностью дислокации понимают суммарную длину дислокации 1 см, приходящуюся на единицу объема V кристалла, см3.
Таким образом, размерность плотности дислокаций, см-2:
l .

V
Плотность дислокации экспериментально определяют путем
подсчета числа выходов дислокаций, пересекающих единицу площади металлографического шлифа. При травлении металлографического шлифа на его поверхности можно выявить ямки или точки,
соответствующие выходу дислокаций.
Плотность дислокаций определяют также, непосредственно
изучая структуру тонких пленок металла «на просвет» в электронном микроскопе. На рис. 5 показаны следы травления дислокаций, расположенных по границам блоков железа. Подсчитывая
число таких точек, определяют плотность дислокаций.
Плотность дислокаций на сопротивление металла пластическим
деформациям влияет немонотонно. Если бы в металле не было дислокации, то такой материал при нагружении, не деформируясь, обнаружил
бы показатели прочности, равные теоретическим. В настоящее время
созданы тонкие (d меньше чем 5 мкм) нитевидные монокристаллы (усы), которые практически не имеют дислокаций. Оказа-
68
лось, что такие материалы имеют очень высокую прочность: для
железа, например, 1350 кГ/мм2; для MgO 2500 кГ/мм2, что близко к теоретической.
Увеличение плотности дислокаций в металле до значения
ρR, рис. 5, приводит к понижению значения прочности. Дальнейшее
увеличение плотности дислокаций приводит к новому росту прочностных свойств. Поэтому из рис. 5 вытекает два направления
повышения прочности металлов. Первый путь наиболее эффективный - создание бездислокационных материалов. На данной
стадии развития техники этот метод только начинает применяться.
Однако имеющиеся данные позволяют предсказать этому направлению большое будущее. Уже в настоящее время разработаны
композиционные материалы, представляющие собой вязкие материалы, упрочненные нитевидными кристаллами (усами).
Рисунок 5 - Прочность кристалла в зависимости от искажений
решетки
Весьма широко используется второй путь: упрочнение металла за счет искусственного повышения плотности дислокации
(например, пластической деформацией) или за счет затруднения перемещения дислокации при нагружении металла.
69
3.2 Выявление дислокаций в кристаллах методом
травления
Метод химического травления успешно применяют для выявления выходов дислокаций на плоскости спайности кристаллов. Для этого подбирают травящие растворы, которые медленно и однородно стравливают бездислокационные участки кристалла и создают ямки травления на выходах дислокаций. Участки
кристалла, содержащие выходы дислокаций, растравливаются
ускоренно потому, что дислокации представляют собой линейные области сильно искаженной решетки. Работа отрыва атома
от кристалла в ядре дислокации ниже, чем на бездефектном
участке решетки. В связи с этим скорость растворения (или
окисления) кристалла здесь оказывается больше, что и приводит
к образованию ямки травления в месте выхода дислокации на
поверхность.
Ямки травления на выходах дислокаций, как правило, огранены (рис. 6). Огранка отражает симметрию протравливаемой
грани кристалла.
Рисунок 6 - Картины травления грани (001) на противоположных
сторонах (а и б) одного раскола кристалла LiF по плоскости спайности (для простоты сравнения отпечаток б
изображен зеркально отраженным)
Ямки травления могут возникать не только на дислокациях, но и на других неоднородностях кристалла, например на
70
инородных включениях. Поэтому, подбирая травящий раствор,
проводят несколько методических опытов, подтверждающих,
что в процессе травления выявляются именно дислокация, а не
другие неоднородности кристалла.
Основные особенности дислокаций следующие:
а) дислокация - это дефект, имеющий определенную линейную протяженность в кристалле;
б) это подвижный дефект, меняющий свою позицию при
нагружении кристалла;
в) это дефект, который можно ввести в кристалл деформированием;
г) дислокации - это дефекты, создающие плоские скопления
в плоскостях скольжения и группирующиеся в стенки, создающие субграницы.
Чтобы убедиться, что травящий раствор выявляет именно
дислокации, выполняют серию проверочных экспериментов в
соответствии с изложенными пунктами:
а) изучают картины травления одного и того же участка
кристалла при многократном травлении. Если ямки травления
образуются на дислокациях, то большинство ямок при повторном травлении сохраняют свои позиции, поскольку дислокации
как линейные дефекты тянутся в глубь кристалла на достаточно большие расстояния (порядка 0,1 мм и более).
Протравливают две совпадающие поверхности раскола кристалла.
Картины травления на этих двух половинках должны совпадать в основных своих деталях. Это является следствием того, что дислокации - линейные дефекты. Если они пересекают поверхность раскола, то их следы остаются как в одной, так и в другой части расколотого кристалла (рис. 6);
б) кристалл протравливают многократно, а в перерывах между процедурами травления слегка деформируют. В результате этих
процессов дислокации смещаются и после повторного травления
появляются новые ямки, отражающие новые позиции дислокаций. Старые ямки разрастаются только в ширину, поскольку дислокация, дававшая повышенную скорость травления, из этого места
ушла. Схема перемещения и изменения формы ямки травления при
71
трехкратном травлении и двойном нагружении приведена на рис. 7.
В процессе деформирования может происходить не только движение прямолинейных отрезков дислокаций, но и расширение
дислокационных петель (рис. 8);
в) кристалл протравливают в исходном состоянии, а затем на нем
проводят царапину. Если теперь повторно протравить кристалл, то
возле царапины должно появиться большое количество новых ямок,
так как деформация вводит в кристалл новые дислокации;
г) в протравленных кристаллах должны наблюдаться ряды ямок
травления (см. рис. 6), соответствующие дислокационным стенкам, создающим субграницы. В деформированных кристаллах
наблюдаются ряды ямок травления, располагающиеся вдоль следов
плоскостей скольжения.
Рисунок 7 - Схема перемещения и изменения формы ямки травления
при последовательном травлении и деформировании
кристалла (плоскодонные ямки I и II соответствуют
промежуточным положениям дислокаций, остроконечная
ямка III - конечному положению дислокаций)
Метод травления успешно применяют, выявляя выходы дислокаций на плоскости спайности ионных кристаллов, например на
плоскости (001) кристаллов NaCl, KBr, LiF. Легко выявляются
дислокации на плоскостях спайности металлических кристаллов, например, на базисной плоскости (0001) цинка, на плоско-
72
стях (111) висмута и сурьмы. Выявление дислокаций в металлах, не имеющих плоскостей спайности (Сu, Al, Ag и т.п.), представляет собой более сложную задачу. В этих кристаллах удается выявить дислокации, если изготовлены сечения, совпадающие с плоскостями малых индексов, например (111) и (001) меди.
Рисунок 8 - Схема расположения расширяющейся дислокационной
петли в плоскости скольжения кристалла LiF (а) и
картина травления (б)
4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучить общие теоретические положения о дислокациях и
особенность метода травления.
Работа выполняется бригадами студентов по 4-6 чел. в течение 4 часов.
Монокристаллы NaCl и Bi травят в соответствующих растворах кислот и изучают дислокационную структуру в оптическом
микроскопе МИМ-7. Затем кристаллы деформируют, сжимая до
ε = 1-2%, и наблюдают изменение плотности дислокаций и их движение при деформировании.
4.1 Выполнить кристаллографическое построение, показывающее расположение плоскостей и направлений в кристалле NaCl.
Рассчитать абсолютную величину вектора Бюргерса. Начертить
73
а
2
[110] так, чтобы концы одной выходили на плоскость (001), а
другой - на плоскость (100). Аналогичным по содержанию является рис. 8. Указать, какие дислокации (винтовые, краевые)
имеют выходы на плоскость (001) и (100) при заданном векторе
Бюргерса.
Кристаллическая решетка NaCl - кубическая; а = 0,565 нм;
плоскости спайности - типа (001); плоскость скольжения - типа
(110), направление скольжения одно - (110).
4.2 Протравить кристаллы NaCl, чтобы выявить дислокации.
Травитель – ледяная уксусная кислота СНзСООН, насыщенная
ионами цинка. Для травления опустить кристалл н а 1 0 - 1 5 с в травитель, а затем удалить остатки кислоты фильтровальной бумагой.
Качество травления будет зависеть от того, насколько быстро и
тщательно высушить кристалл.
4.3 На свежий скол каменной соли (NaCI) нанести несколько
черточек ориентиров. Протравить кристалл. Подобрать при рассматривании в микроскоп приметный участок с малым числом
ямок травления. Зарисовать его. Повторно
протравить.
Найти исходный участок и установить изменение картины травления.
4.4 Расколоть кристалл каменной соли на две равные по
толщине части. Протравить совпадающие поверхности раскола.
Найти при рассматривании в бинокулярный микроскоп симметричные участки и сопоставить картины травления на них. Зарисовать
их.
4.5 Подсчитать плотность ямок в субгранице. Дислокации
принять краевыми и использовать готовую микрофотографию
рис. 6. Записать расчет, сделать эскиз.
4.6 Подсчитать на заданном преподавателем участке плотность ямок травления (используя готовую микрофотографию
рис. 9).
4.7 Расколоть кристалл каменной соли и протравить его. Нанести несколько уколов иглой. Протравить вторично. Зарисовать розетки свежих ямок травления, определить системы скольжения.
плоскость (110). Нарисовать две полупетли с вектором Бюргерса
74
4.8 Протравить плоскости спайности (111) кристалла Bi.
Травитель - 5-10% раствор азотной кислоты в ледяной уксусной
кислоте. Время травления – 10-30 с. Промыть кристалл в воде и
высушить фильтровальной бумагой. Должна получиться картина
травления, аналогичная показанной на рис. 10. Зарисовать ее.
Подсчитать на готовой микрофотографии плотность ямок травления.
Рисунок 9 - Картина травления кристалла NaCl (увеличение - 450)
Рисунок 10 -Картина травления кристалла Bi (увеличение - 250)
5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1 Что такое контур и вектор Бюргерса.
75
5.2 Дать определение дислокации, пользуясь представлением о
контуре Бюргерса.
5.3 Что такое краевая и винтовая дислокации, полная и частичная, призматическая дислокационная петля.
5.4 Что доказывается опытами по увеличению времени травления кристаллов при выявлении дислокаций, опытами по травлению двух половинок кристалла.
5.5 Какова структура дислокационных границ.
5.6 Как определяется плотность дислокаций и каковы типичные
значения плотности для отожженных и деформированных кристаллов.
5.7 Как можно определить скорость движения дислокаций,
используя метод травления?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Уманский Я.С., Скакев Ю.А. Физика металлов. –М.:
Атомиздат, 1978. – 352 с.
2. Амелинкс С.А. Методы прямого наблюдения дислокаций. –М.: Мир, 1968. -440 с.
3. Фридель Ж. Дислокации. –М.: Мир, 1967. -643 с.
76
Учебное издание
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПО КУРСУ «ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ»
для студентов специальности 8.090101
«Прикладное материаловедение»
всех форм обучения
Составитель Виктор Александрович Пчелинцев
Редактор
Ответственный за выпуск Валентина Ивановна Сигова
План 2006 р., поз.
. Формат 60х84/16.
Усл. печ. л.
.
Подп. в печать
. Заказ №
.
Уч.-изд.л.
.
Тираж 40 экз.
Себестоимость изд.
. Бесплатно.
------------------------------------------------------------------------------------------Изд-во СумГУ. Р.с. № 34 от 11.04.2000 г.
40007, Сумы, ул. Римского-Корсакова, 2
------------------------------------------------------------------------------------------Типография СумГУ. 40007, Сумы, ул.Римского-Корсакова, 2