Методология исследований и анализов в материаловедении

 

Цель работы: ознакомление с методами исследования состояния и свойств металлических материалов, применяющихся при проведении лабораторных работ по предметам материаловедческого цикла, а также в исследованиях по разработке новых материалов и технологий, проведении экспертизных исследований, брака, поломок и неудовлетворительных свойств материалов изделий и полуфабрикатов.

Оборудование и материалы. Оборудование для механических испытаний: испытательная машина для растяжения Р-10, маятниковый копер для испытаний на ударную вязкость МК-30, твердомеры Роквелла и Бринелля. Оборудование для металлографических исследований: стереомикроскоп МБС-9, металлографические микроскоп МИМ-8, микротвердомер ПМТ-3, цифровой микроскоп «Микровизор металлографический», станок для приготовления микрошлифов «Нерис», вытяжной шкаф для травления микро- и макрошлифов, установка для электролитической полировки и травления. Оборудование для термической обработки: лабораторные термические печи, закалочные ванны, технологическая оснастка, установка для определения прокаливаемости методом торцевой закалки. Образцы: для механических испытаний, темплеты для анализа макроструктуры, образцы для микроструктурного анализа. Оборудование для вырезки и изготовления образцов: токарно-винторезный станок, фрезерный станок, плоскошлифовальный станок, точильно-шлифовальный станок, станок для отрезки образцов.

Задания: 1. Ознакомиться с методами исследования структуры и определения свойств материалов. 2. Ознакомиться с оборудованием для исследования материалов на кафедре «Машиностроение и прикладная механика» ВИТИ НИЯУ МИФИ, 3. Ознакомиться с современным оборудованием ЦЗЛ завода «Атоммаш» для исследования материалов и лабораторного контроля. 4. Провести поиск в «Интернете» данных по оборудованию и современным методам контроля и исследования материалов. 5. Подготовить отчет по работе.

 

Общие сведения

В природе атомы в чистом виде не встречаются. Как правило, присутствуют вещества в разных агрегатных состояниях: химические соединения, сплавы, жидкости или газы, в самых различных сочетаниях, к тому же загрязненные примесями. Существует огромное количество различных веществ. Выделить из них какие-то определенные типы атомов или соединений очень сложно. Вещества, которым человек нашел практическое применение, доступны, могут быть учтены и использованы, называются сырьем. Способ преобразования сырья в полезный продукт называется технологией обработки сырья. Этот продукт, получаемый из сырья с использованием разработанной для этого технологии, называется материалом. Для получения идентичных материалов из разного сырья технологию приходится менять или модифицировать. Изменение технологии обработки одного и того же сырья меняет свойства получаемого материала. Все эти факторы необходимо учитывать для получения материалов с требуемыми свойствами.

Для получения из материала готового изделия применяют другие технологии, называемые технологиями обработки материалов. Для получения изделий используют полуфабрикаты или заготовки из требуемых материалов. При их обработке возникают свои сложности. Зачастую, одинаковые технологии нельзя или трудно применять для разных материалов, обладающих различными свойствами. В зависимости от функционального назначения и условий работы изделий применяют различные материалы и разные технологические операции. Оказывается, что разница свойств определяется изменениями в химическом составе и структуре данного материала – их внутреннем строении. Знание соответствующих закономерностей позволяет осуществить выбор материалов и применить нужные для получения требуемых свойств технологии. Изучению и применению этих закономерностей посвящена специальная наука, называемая материаловедением. Можно сформулировать:

Материаловедение – это наука, которая показывает, что свойства материалов определяются их внутренним строением, а изменение свойств материалов изделий и конструкций вследствие изменений технологических и эксплуатационных параметров обусловлено изменением их внутреннего строения.

Внутреннее строение материалов определяется их химическим составом, макро-, микро- и мезоструктурой, а также атомно-кристаллическим строением.

- Химический состав – это количество химических элементов в данном материале, определенное с помощью строго определенных процедур и методик в соответствии с утвержденными стандартами.

- Макроструктура – это внешний вид поверхностей полуфабрикатов, деталей или элементов конструкций, поверхностей разрушения (изломов) и макрошлифов, изучаемых визуально или при небольших увеличениях в стереомикроскопе с целью выявления особенностей строения, наличия дефектов, химической неоднородности.

- Микроструктура – внутреннее строение материалов полуфабрикатов, деталей и элементов конструкций, изучаемое на специально приготовленных микрошлифах в оптических и растровых электронных микроскопах при увеличениях от 20 до 2000 раз. При этом анализируют особенности распределения структурных элементов, фазовое состояние, особенности строения дефектов. Растровые электронные микроскопы для изучения микроструктуры, а также изломов получили широкое распространение только в последние годы.

- Мезоструктура – это те особенности строения материалов, которые необходимо изучать при увеличениях от 5000 до 100000 раз в электронных микроскопах. Изучаются более тонкие детали строения микрошлифов или изломов, особенности деформации и строения фаз, осуществляется локальный химический анализ в микрообъемах.

- Атомно-кристаллическое строение (в последнее время часто применяют термин – наноструктура) характеризует характер пространственного распределения атомов в микрообъемах, сопоставимых с размерами атомов (10^-8 см). До настоящего времени методы прямого наблюдения атомов не разработаны. Для этих целей используют косвенные методики физических и физико-химических методов исследования: рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ, Оже-спектроскопия, эффект Мессбауэра, ионная спектроскопия, метод электросопротивления и др. Изучаются искажения кристаллических решеток материалов, дефекты кристаллического строения, характер взаимодействия с примесными атомами и т.д.

Изучение макро- и микроструктурных параметров материалов не является самоцелью. Как следует из определения понятия «материаловедение», основное назначение этих исследований – установление связи структурных превращений с изменениями свойств материалов изделий при изменении технологических и эксплуатационных параметров. Без таких исследований установить причины изменений свойств, зачастую важнейших, невозможно. Только структурные исследования позволяют целенаправленно изменять и улучшать технологические и эксплуатационные свойства изделий.

Различают три основные группы свойств материалов: технологические, эксплуатационные, стоимость материалов.

К технологическим относятся свойства материалов, определяющие возможность осуществления различных видов технологических операций, а также трудности, возникающие при их реализации. К технологическим свойствам относятся: литейные свойства, штампуемость, свариваемость, закаливаемость, обрабатываемость резанием и т.д. Эти свойства оцениваются при появлении дефектов, изменении механических характеристик, теплофизических свойств и других параметров.

Эксплуатационные свойства характеризуют возможность использования материалов в качестве конструкционных или для специального применения в заданных условиях. К ним относятся: м еханические свойства, определяемые в различных условиях действия механических нагрузок – упругость, твердость, прочность, пластичность, износостойкость, хрупкость, жаропрочность и др., физические свойства – модуль упругости, плотность, электропроводность, теплоемкость, магнетизм, радиационная стойкость и др., химические свойства – коррозионная стойкость, жаростойкость, характер взаимодействия с жидкими легкоплавкими металлами и др.

Стоимость материалов – характеризует себестоимость сырья и его обработки, возможность и целесообразность применения различных технологий получения материалов, их нормирование и пр.

Существуют и другие принципы классификации свойств. Например, механическое поведение материалов характеризуют способностью сопротивляться развитию трещин, сложностью напряженно-деформированного состояния, особенностями режимов нагружения, типами образцов, температурой испытания, агрессивностью среды и другими параметрами. Для характеристики физических или магнитных свойств используют свои параметры и т.д.

Материаловедение изучает закономерности формирования структуры материалов при:

‑ затвердевании или плавлении (выплавка сталей и сплавов, литье, сварка);

‑ пластической деформации (механические испытания, обработка давлением);

‑ термической, термомеханической и химико-термической обработке;

- эксплуатации (воздействие низких и высоких температур, химически-активных сред, облучения и др.).

Материаловедение показывает взаимосвязь между технологическими параметрами изготовления и обработки материалов, комплексом их физико-механических свойств, определяемые их внутренним строением; обосновывает обеспечение прочности, надежности и долговечности деталей при рациональном выборе материалов с учетом условий эксплуатации.