Методы количественной металлографии

Металлографические измерения обычно проводятся для получения данных о микроструктуре: распределение зерен по их размерам, относительное содержание различных микроструктурных составляющих, размеры и распределение каждой фазы, закон распределения двугранных углов по их величинам и др.

Основной принцип, на котором базируется определение относительного содержания фаз в многофазных сплавах, аналогичен описанным выше; он заключается в том, что объемная доля данной фазы считается равной относительной площади, занимаемой этой фазой в произвольном плоском сечении образца, а также доле ее на произвольной линии, проходящей через образец сплава. Объемная доля фазы иногда определяется как доля точек, попадающих в пределы этой фазы, в общем количестве случайно выбранных на шлифе точек. Многим было трудно признать этот принцип и согласиться с равенством величин относительного содержания фазы, определенных как доли объема, площади, линии и точек. Однако строгое математическое доказательство этого утверждения при очень большом объеме выборки было дано еще Делессом в 1848 г. и Розивалем в 1903 г.

Вторым важным аспектом количественной металлографии (после установления объемной доли фаз) является нахождение распределения размеров. Существуют три основных способа измерения величины сферических частиц второй фазы. Эти методы характеризуются измерениями либо площади, занимаемой частицами в плоском сечении, либо диаметра сечений сферических частиц на шлифе, либо длины отрезков (хорд) секущей линии, попадающих на сечения сферических частиц. Есть два важных аспекта такого типа измерений. Во-первых, часто представляет интерес определение соотношения между средним размером частиц в реальном образце и средним размером, полученным на плоском сечении. Решение этой задачи дает возможность связывать свойства материала с реальным пространственным распределением частиц по размерам. Во-вторых, существуют более тонкие исследования, целью которых является получение распределения частиц по размерам и данных по их плотности в пространстве. Подобного типа анализ часто необходим при исследовании зарождения и роста частиц в ходе, например, полиморфных превращений. Общее соотношение между величиной частиц, полученной путем измерений на двумерных сечениях, и истинным их размером было дано Фуллменом; более детально этот вопрос изучил Шайль.

В случае сферических частиц одинакового размера радиус сфер может быть легко найден по результатам определения средней площади сечения (круга) А_ср или средней длины отрезка i_ср по формулам: А_ср = 2pr²/3, i_ср = 4r/3, где r - радиус сферических частиц. Однако в действительности систем с частицами только одного размера и только сферической формы не существует. В том случае, когда дисперсная a-фаза состоит из сфер, имеющих разные диаметры, истинный средний размер сфер и соответствующее число частиц могут быть определены из наблюдений, выполненных на плоском сечении, с помощью более сложных соотношений, с которыми можно познакомиться по специальной литературе.

Величина зерна выявляется чаще всего после травления микрошлифов. Для определения размера зерна сравнивают микроструктуру при увеличении в 100 раз со стандартными шкалами. Основной недостаток методики стандартных шкал – оценка условными баллами и обусловленный этим ступенчатый, скачкообразный характер шкал. Для получения более точных и надежных результатов те же параметры могут быть оценены не визуально, а непосредственно измерены или подсчитаны под микроскопом или на микрофотографии.

С этой целью используют методы стереометрической металлографии. В частности, для определения фазового и структурного объемного состава сплава используется линейный метод Розиваля. Этот метод основывается на принципе Кавельери-Ноера, согласно которому измерение объемов тел можно заменить не
только измерением площадей, но и длин отрезков. Сущность линейного метода заключается в том, что видимая в микроскоп структура, состоящая из любого количества фаз или структурных составляющих, пересекается прямой линией. Контуры сечений отдельных фаз или структурных составляющих рассекут эти
линии на отдельные отрезки. Если раздельно просуммировать длины отрезков, попавших на каждую из фаз или структурных составляющих сплава, и разделить суммы на общую длину секущих линий, то полученные частные, согласно принципу Кавальери-Акера, будут равны долям объема сплава, которые занимает каждая из этих фаз или структурных составляющих.

Количественная металлография имеет целью характеризовать количественно трехмерную структуру на основе измере­ний, производимых на изображениях эле­ментов структуры. При этом должны быть получены данные о числе, количестве, протяженности, форме и расположении структурных составляющих, а также о дру­гих параметрах, с помощью которых могут быть описаны структурные превращения и установлена связь структуры и свойств ма­териалов.

Методы количественной металлографии необходимы для определения характеристики многих важных особенностей структуры: величины неметаллических включений или отдельных фаз, присутствующих в сплаве, количества включений разных фаз сплава, величины зерна.