Структура металлов

О структуре (строении) металлов можно получить представление прежде всего по виду излома, наблюдаемого невооруженным глазом; структура, наблюдаемая невооруженным глазом или с увеличением не больше чем в 10 раз, называется макроструктурой.

Более подробно можно рассмотреть структуру металла в микроскоп. Начало применения микроскопа при изучении строения металлов было положено в 1831 г. инженером одного из уральских заводов П. П. Аносовым. Так как металлы непрозрачны, то под микроскопом их можно рассматривать только в отраженном свете. Для получения ясного изображения рассматриваемой под микроскопом поверхности необходимо, чтобы все точки ее находились на равном расстоянии от объектива, поэтому поверхности рассматриваемых под микроскопом металлов подвергают шлифованию. Однако рассматривая такой шлиф под микроскопом, трудно заметить подробности его структуры. Подвергая шлиф воздействию разъедающих жидкостей, действующих различно на цельную поверхность зерна и на поверхности соприкосновения зерен (границы зерен), мы получим в результате такой обработки (травления) под микроскопом отчетливую картину слегка рельефной поверхности. Если травлению подвергнуть шлиф сплава, то картина делается еще более сложной, так как обычно на различные структурные составляющие сплава травитель действует не только в разной степени, но и придает им различную окраску. Строение металла, наблюдаемое под микроскопом, называется микроструктурой.

Наблюдая микроструктуру различных металлов, можно убедиться, что все они имеют зернистое строение. Величина и форма зерен зависят от природы металла, условий кристаллизации слитка и его последующей обработки (пластической и термической).

При рассмотрении травленой поверхности шлифа под микроскопом обнаруживается характерный для каждого металла рисунок, представляющий собой сечение границ зерен металла рассматриваемой поверхностью. На фиг. 37 представлена фотография травленой поверхности литой меди, на которой ясно видна сетка тонких линий, соответствующих сечению границ зерен плоскостью шлифа. Произвольность очертаний сетки указывает на произвольность

очертании тел, сечение которых представляет сетка; эти тела называются кристаллитами (или кристаллическими зернами) -- зернами, образованными при затвердевании металла растущими навстречу друг другу кристаллами.

Процесс образования кристаллитов представлен схематически на фиг. 38; фиг. 38, а соответствует началу затвердевания металла, когда в расплавленном металле начинают возникать зародыши кристаллизации -- атомные группы правильной геометрической формы; фиг. 38, б, в, г, д показывает последовательное увеличение кристаллов, растущих навстречу друг другу (наряду с этим ростом в незатвердевшем объеме возникают новые зародыши). На фиг. 38, е даны кристаллиты или кристаллические зерна неправильной внешней формы, образовавшиеся из правильных первичных группировок атомов. Эти кристаллические зерна и наблюдаются под микроскопом. В современных оптических металлоникроскопах увеличение достигает приблизительно 2000 раз. Микроскоп позволяет видеть отдельные зерна металла даже тогда, когда их нельзя различить в изломе. Однако наблюдение структуры металла под микроскопом не дает полного доказательства кристаллического строения металлов. Наблюдаемые под микроскопом кристаллические зерна редко имеют плоскогранную форму, характерную для кристаллов. Кристаллическое строение металлов было доказано лишь с началом применения в исследовании структуры металла рентгеновских лучей.

Кристаллическое строение вещества характеризуется тем, что атомы вещества занимают определенные положения в пространстве в узлах так называемой пространственной решетки (фиг. 39). Эта пространственная решетка у разных веществ может иметь различный вид. Для характеристики типа пространственной решетки полезно ввести понятие об элементарной ячейке, т. е. элементарной части пространственной решетки, простым повторением которой и образована пространственная решетка. Различные кристаллические системы отличаются формой элементарной ячейки. Элементарная ячейка в общем случае представляет собой косоугольный параллелепипед (фиг. 40, а) с ребрами а, b и с и углами α, β и ɤ между этими ребрами. Различные соотношения этих величин дают несколько основных кристаллических систем.

Наиболее часто встречается в металлах кубическая система (а = b = с; α = β = ɤ = 90°; элементарная ячейка -- на фиг. 40, б). Чаще всего наблюдаются два вида кубической решетки -- объемноцентрированная и гранецентрированная. Эти решетки отличаются от простой кубической тем, что,

терную картину в виде закономерно расположенных пятен; расположение этих пятен и позволяет выявить расположение атомов исследуемого металла в пространстве.

Для вычисления расстояний между атомными плоскостями пользуются уравнением Вульфа ¹ -- Брэгга:

где d -- искомое расстояние между атомными плоскостями;

0 -- угол скольжения луча по отношению к отражающей атомной плоскости, определяемый положением темного пятна на негативе (рентгенограмме);

λ -- длина волны рентгеновского луча; n -- целое число.

Это уравнение показывает, что пятна на рентгенограмме возникают лишь от определенных групп атомных плоскостей, а именно тех, которые расположены по отношению к направлению рентгеновских лучей так, что лучи, отраженные от каждой из плоскостей данной группы, будут иметь разность хода (d sin 0), равную целому числу п полуволн Только при этом условии

интенсивность лучей, отраженных от каждой из плоскостей данной группы, будет суммироваться и давать пятно (или интерференционный максимум) на фотографической пленке -- рентгенограмме.

Существует несколько методов рентгеновского анализа структуры кристаллов,

В металловедческих исследованиях наиболее распространен следующий метод. На образец (тонкий столбик, иногда плоский шлиф) направляют пучок рентгеновских лучей с определенной длиной волны; при весьма большом числе кристалликов и различной их ориентировке в пространстве среди них найдутся такие, которые смогут отразить пучок лучей от разных атомных плоскостей. Отраженные от каждой группы одинаковых плоскостей различных кристалликов лучи будут давать пятна с определенным углом с первоначальным направлением луча и образуют конусы, изображенные на фиг. 41.

При большом числе различно расположенных кристалликов рентгеновские лучи, прошедшие через металл, на фотопленке, пересекающей конусы перпендикулярно их оси, образуют сплошные концентрически расположенные окружности. На фиг. 42 приведена такая рентгенограмма.

Взаимное расположение и радиусы колец на рентгенограмме будут различны для кристаллов, имеющих различную структуру. Полученные таким путем снимки анализируют и рассчитывают по приведенному выше уравнению.

Анализ структуры металлов при помощи рентгеновских лучей окончательно

подтверждает их кристаллическую природу.

Правильное представление о строении металлов является необходимым условием для понимания их свойств и служит базой для рационализации процессов их обработки.

Между двумя описанными выше методами изучения строения металлов--микроскопическим и рентгеновским -- существует некоторый разрыв в том смысле, что первый из них позволяет изучать детали структуры несравненно более крупные (порядка 10^-4 см и выше), чем второй, применяемый в основном для анализа деталей структуры порядка межатомных расстояний (10^-7--10^-8 см). В известной мере этот разрыв заполняется применением в металловедении электронного микроскопа¹, позволяющего рассмотреть детали структуры, имеющие размеры порядка 10 ^-6 см. Соответственно увеличение этого микроскопа достигает нескольких десятков тысяч. На фиг. 43 приведена микрофотография чистого алюминия при увеличении в 11 000 раз. На этой фотографии выявлены группы блоков, составляющих кристаллические зерна рассматриваемого металла.

В России создан ряд конструкций электронных микроскопов (акад. А. А. Лебедев и др.); пятилетним планом восстановления и развития народного

хозяйства России предусмотрено освоение производства электронных микроскопов и широкое внедрение их в практику научных исследований.