Объекты структуры

На разных уровнях структурной организации материалов исследуют следующие составляющие:

- на макроуровне (визуально или при небольшом увеличении) наблюдают дендриты (рис. 12), кристаллиты, волокна, зерна металла с размером от нескольких десятков микрометров до нескольких сантиметров;

- на микроуровне (световая микроскопия) наблюдают зерна металла, субзерна, частицы промежуточных фаз, размеры которых существенно меньше объектов макроуровня;

- на микроуровне (просвечивающая электронная микроскопия) наблюдают дислокации, дефекты упаковки материалов, размеры которых составляют от нескольких нанометров до десятков нанометров;

- зоны (туннельная электронная микроскопия) – скопления атомов размером в десятки нанометров, кластеры (скопления атомов размером менее одного нанометра) и отдельные атомы.

Рис. 12 Дендриты в известняке

Микроструктура. Даже невооруженным глазом можно заметить в металлических слитках или листах наличие небольших структурных блоков, заполняющих пространство. Они называются зернами или кристаллитами, если материал кристаллический (металлы, минералы или керамики). Однако эти зерна очень малы, визуально зернистую структуру обнаружить невозможно. Воздействуя на поверхность специальным образом (полировкой, химическим травлением), можно сделать структуру видимой в оптическом микроскопе (микроснимки). Металлографическое исследование с помощью оптического микроскопа составляет важный раздел описания материала и называется металлографией. Микроструктура в оптическом микроскопе представляет собой зернистую структуру микроскопически и химически различных фаз.

Оптический микроскоп дает грубое описание микроструктуры материала. При высоком разрешении в электронном микроскопе видно, что казавшиеся гомогенными области обладают микроструктурой (дефектами): высокодисперсные включения примесных фаз, выявляются дополнительные элементы микроструктуры, например, границы доменов магнитных материалов. Химический состав может колебаться в небольших пределах. Современные материалы характеризуются размерами зерен от субмикронных (1 мкм = 10^{-6 м) до нанометров. Зерна с такими размерами доступны изучению в электронный микроскоп с большим разрешением. Современная металлография использует электронный микроскоп как для визуального, так и для химического электронно-зондового микроанализа.}

Изучение микроструктуры приобретает особую важность при объяснении количественных характеристик макроскопических свойств. Основная характеристика микроструктуры – размеры (длина структурных блоков и диаметр зерен). Зерна, отличающиеся по диаметру, можно представить распределением по размерам. Для точного определения размеров зерен используют современные стереологические методы. Наиболее просты исследования с помощью оптического микроскопа (подсчет межзеренных границ). Графически статистическую частоту обнаружения частиц заданного размера представляют в виде гистограммы.

В сложных композиционных промышленных материалах требуется информация о фазовом составе. Следует различать случаи, когда содержание второй фазы сопоставимо с содержанием основной фазы (матрицы), или содержание примесных фаз невелико, составляет доли процента. Малое количество примесей влияет на свойства основной фазы (размер и форма частиц), а при значительном количестве второй фазы свойства материалов определяются свойствами обеих фаз (механические исследования). Различают дуплексную, мартенситную и другие типы микроструктуры.

Если второй фазы немного и ее частицы не могут быть обнаружены в оптический микроскоп, они обнаруживаются при высоком разрешении в электронном микроскопе. Физические и химические свойства второй фазы рассматриваются как причина возмущений матрицы. Эти исследования важны для объяснения механических свойств.

Микроанализ широко применяют для контроля качества материала на всех технологических этапах в процессе производства. Для микроанализа используют микроскоп, вырезают образцы нужного размера (до 20мм). Полированная поверхность образца называется шлифом.

Макроструктура. Изучение макроструктуры называют макроанализом. Макроанализ, при котором используют целую деталь, заготовку или вырезанный образец, позволяет одновременно наблюдать большую поверхность материала, называемую макрошлифом.

Приготовление макрошлифа включает последовательные стадии: формирование плоской поверхности → шлифование → травление. С помощью травления специальными химическими реагентами (кислотами, щелочами и др.) выявляют неоднородность структуры материала.

Особым видом макроанализа является изучение излома детали, заготовки или образца методом фрактографии. Этот метод позволяет оценить поведение материала при разрушении, выявляет дополнительные детали макроструктуры. Различают три вида излома: кристаллический – имеет блестящую зернистую поверхность, происходит при хрупком разрушении образца за счет отрыва зерен; волокнистый – имеет матовую поверхность, характерен для вязкого разрушения образца путем среза зерен (кристаллический и волокнистый изломы формируются в процессе разрушения материала при однократном статическом или динамическом нагружении); усталостный – формируется при неоднократных нагружениях.

Все виды макроанализа служат для предварительной оценки качества материала и при этом появляется возможность выбрать участки на образце для более подробного микроскопического анализа.