При разрезании, полировке и травлении технических материалов часто обнаруживаются структурные особенности, характерные для данного материала. Некоторые из них видны либо невооруженным глазом, либо при помощи маломощного оптического прибора. Напротив, наиболее мелкие детали видны лишь в мощном оптическом или электронном микроскопе.

Многие свойства твердых тел непосредственно связаны с деталями микроструктуры. Это относится к так называемым структурно-чувствительным свойствам материала. И достаточно часто можно выявить прямую связь микроструктуры и свойств материала.

Связь структуры и свойств.

На практике одни свойства материалов являются структурно-чувствительными, а другие - структурно-нечувствительными. Примером нечувствительной к структуре материала характеристики является модуль упругости, который слабо зависит от размера или состава зерен. Существует представление, что модуль упругости стали не зависит от ее состава. В принципе, это верно, и изменение модуля упругости при изменении температуры превышает влияние химического состава, размера зерен или степени холодной вытяжки. Другими подобными примерами являются коэффициент теплового расширения и удельный вес (плотность) материала.

В отличие от перечисленных выше характеристик, предел текучести, определяемый как максимальное напряжение при начале пластического течения материала, весьма чувствителен к изменению микроструктурных параметров. Гак, предел текучести зависит от размера зерен, плотности дислокаций и объемной доли частиц второй фазы. Теплопроводность и электропроводность также являются структурно-чувствительными характеристиками. Они зависят от условий высокотемпературной обработки и концентрации примесных атомов. Возможно, наиболее ярким примером структурно-чувствительной характеристики является вязкость разрушения, которая определяет способность материала противостоять распространению трещины. Малые изменения химического состава и выделение в отдельную фазу примесей на границе зерен могут приводить к катастрофическому падению пластичности материала и снижению вязкости разрушения в десятки раз.

Масштабные уровни структуры.

Понятие структуры описывает широкий спектр деталей. Их размер варьируется очень сильно: одни детали видны невооруженным глазом, а другие имеют атомный размер, В настоящее время понятие структуры детализируют, деля его на четыре масштабных уровня, называемые макроструктурой, мезоструктурой, микроструктурой и наноструктурой.

К макроуровню относят особенности, видные невооруженным глазом. Их размер сравним с размером изделия (от одного миллиметра до метров). Они могут обнаруживаться обычными методами неразрушающего контроля, например, рентгеном, окрашивающей проникающей жидкостью или ультразвуковыми методами. Примерами макроструктурных деталей являются крупные поры, инородные включения и трещины, появляющиеся при усадке материала.

Понятие мезоструктуры введено дня описания особенностей, размер которых находится на пределе возможностей невооруженного глаза (0,2 мм - 1 мм). Введение этого масштабного уровня особенно ценно для композиционных материалов, характерный масштаб структуры которых определяется размером волокон, наполнителя, пор и т.д. Например, мезоструктурный уровень определяет образование адгезионной связи при склеивании или сваривании деталей.

Понятие микроструктуры охватывает детали, размер которых лежит в пределах от одного до ста микрон. Именно этот уровень вызывает наибольший интерес ученых и инженеров. К этому структурному уровню относятся микрозерна и частицы, расстояние между частицами, микротрещины и микропоры.

Термин наноструктура относится к деталям субмикронного размера. Им описываются ширина межзеренных границ, зерна на начальной стадии кристаллизации, области существования локального порядка в аморфных (стеклообразных) телах, а также очень мелкие частицы, структура которых в основном определяется поверхностной, а не внутренней областью.

Таблица 1 описывает различные масштабные уровни структуры и степени увеличения, требуемые для их изучения.

Таблица 1. Различные масштабные уровни, методы изучения структуры на этих масштабных уровнях и требуемые степени увеличения.

Термины, используемые для описания микроструктуры

1. Размер зерна

Большинство технических материалов являются поликристаллическими. Они состоят из отдельных зерен-микрокристаллов, ориентация которых отличается от ориентации соседей. Микрозерна имеют различный размер и форму. Можно определить размер зерна как среднее расстояние D_C между двумя случайно ориентированными параллельными плоскостями, касающимися поверхности зерна. Можно также сосчитать число зерен N_V, в единице объема образца, а затем определить средний размер зерен как D_V = N_V ^-1/3 Это определение не зависит от степени однородности и анизотропии материала.

Однако обычно размер зерен рассчитывают путем сечения образца некоторой плоскостью, после чего поверхность полируют, считают количество зерен, определяют их число на единицу площади сечения N_A и вычисляют средний размер зерна как D_A = N_A^-1/2 . Наконец, можно провести ряд линий на «случайной» полированной поверхности и вычислить количество пересечений линий с границами зерен. Если линии на поверхности и сечение проведены действительно случайно, то количество пересечений на единицу длины линии N_L позволяет определить размер зерен D_L при помощи формулы D_L=L/N_L. Этот метод используется наиболее часто.

2. Дислокации и плотность дислокаций

Дислокации определяют целый ряд свойств технических материалов. Они представляют собой линейный дефект кристаллической решетки, вблизи которого искажено поле упругих напряжений материала. Дислокации могут взаимодействовать со свободными поверхностями, внутренними границами раздела (типа границ зерен) и друг с другом, стремясь уменьшить полную энергию упругой деформации решетки. Линейная дислокация характеризуется вектором смещения, называемым вектором Бюргерса и определяющим поле упругих деформаций материала. От угла между вектором Бюргерса и линией дислокации зависит характер поля смещений атомов из их положения равновесия (т.е. являются ли они сдвиговыми, растягивающими или сжимающими).

Объёмная доля фаз

Технические материалы часто содержат несколько фаз, размер, форма и распределение частиц которых часто имеет определяющее влияние на свойства материала. Как и в случае зерен, имеется несколько неэквивалентных способов определения размера и формы частиц. Эти способы аналогичны методам определения размера зерен, описанным выше. Однако имеется параметр микроструктуры, не зависящий от размера частиц второй фазы. Это объемная доля фазы. Так как этот параметр не зависит от масштабного уровня структуры, он может быть определен дифракционными методами или путем сечения образца - на случайно проведенном сечении объемная доля фазы может быть оценена из доли её площади.

Литература:

Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.