Физические методы исследования

Физические методы исследования

Физические методы исследования были впервые применены Н. С. Курнаковым при разработке диаграмм состояния сплавов результатом этих работ было установление связи между составом, структурой и физическими свойствами сплавов. Таким образом, была найдена возможность определять внутренние превращения в металлах и сплавах по изменению их физических свойств.

Наиболее распространены следующие методы физического ана­лиза:

  • термический;
  • дилатометрический;
  • электрического сопротивле­ния;
  • магнитный.

В последнее время все чаще применяют метод внут­реннего трения. При помощи этих методов также определяют вели­чину свойств, что важно для характеристики сталей и сплавов с особыми физическими свойствами. Некоторые из физических мето­дов являются одновременно средством контроля качества металлов и сплавов.

 

Термический анализ

Термический анализ основан на выделении или поглощении теп­ла при внутренних превращениях, происходящих в металлах и спла­вах. Так, при помощи термического анализа можно определить температуры фазовых превращений (критические точки), например, температуры кристаллизации, аллотропических превращений и др. При испытании в процессе нагрева и охлаждения металла регистри­руются температура и время. В результате термического анализа получают кривые нагрев — охлаждение для данного металла или сплава; горизонтальные площадки или перегибы на кривых нагрев — охлаждение, наблюдаемые при определенных температурах, соот­ветствуют критическим точкам превращений.

Для проведения термического анализа необходима печь, обычно электрическая, для нагрева исследуемого металла и приборы для из­мерения высоких температур, при которых протекают превращения. Наиболее распространен метод измерения высоких температур, основанный на явлении термоэлектричества. Приборами для изме­рения температур при этом методе служат термопара и милливольт­метр (гальванометр).

Термопара представляет собой две проволоки из разных метал­лов или сплавов, которые одним концом спаяны или сварены, а другим присоединены к милливольтметру. Спаянные концы назы­вают горячим спаем, а концы, присоединенные к гальванометру, — холодным спаем термопары.

Если спаянные концы такой цепи по­местить в нагретую до высокой температуры печь, то в цепи возник­нет термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.), регистрируемая мил­ливольтметром. Величина т. э. д. с. зависит от разности температур горячего и холодного спаев и природы металлов и сплавов термопары.

Для изготовления термопар наиболее широко применяют следую­щие материалы:

  • платина-платинородий;
  • хромель — алюмель;
  • желе­зо — копель;
  • хромель — копель.

Термопары из этих материалов предназначены для определения различных температур при дли­тельном нагреве в пределах до 1300°. Для каждой термопары указы­вают максимальную рабочую температуру. Величина т. э. д. с. позволяет определить разность температур горячего и холодного спаев, если известна температурная зависимость т. э. д. с. для металлов термопары и температура холодного спая (обычно состав­ляющая 0 или 20°). При пользовании термопарой необходимо иметь градуировочную кривую (характеристику термопары) для сопостав­ления измеряемой температуры с показаниями милливольтметра или нанести шкалу температур для термопары данного типа на гальванометре.

Метод термического анализа применяют для улавливания зна­чительных количеств тепла, выделяющегося, например, при кри­сталлизации (или плавлении) металлов. При выделении малых количеств тепла, например, при внутренних превращениях, про­текающих в металлах в твердом состоянии, пользуются более чувствительным дифференциальным термическим методом.

Фазовые превращения в металлах и сплавах могут быть опреде­лены также по изменениям других тепловых свойств: теплоемкости, теплосодержания и теплопроводности. Величину т. э. д. с. и других тепловых характеристик определяют при выборе металлов и сплавов для изделий, от которых требуется наличие этих свойств.

 

Дилатометрический анализ

Дилатометрический анализ применяют в основном для опреде­ления критических температур фазовых и структурных превраще­ний, происходящих в металлах и сплавах в твердом состоянии. Этот метод основан на изменении длины образца, вызванном объемными изменениями в металлах и сплавах при их нагреве и охлаждении. При испытании регистрируется длина образца и температура. В ре­зультате дилатометрического анализа получают кривую удлинение образца — температура; резкие перегибы на кривой соответствуют температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения. Дилатометрический анализ производят на специаль­ных приборах, называемых дилатометрами. Этот метод наиболее целесообразно применять для определения критических температур в металлах и сплавах, превращения в которых сопровождаются значительными объемными изменениями, например, в стали.

На дилатометре определяют также величину коэффициента ли­нейного расширения металлов а в заданном интервале температур. Величина коэффициента линейного расширения является отправной характеристикой при выборе металлов и сплавов для деталей машин и приборов высокой точности.

 

Метод электрического сопротивления

Метод электрического сопротивления может быть применен для определения величины удельного электрического сопротивления ρ и температурного коэффициента электрического сопротивления α, знание которых необходимо для характеристики металлов и спла­вов, применяемых в электротехнике, а также для изучения фазовых и структурных превращений, протекающих в металлах и сплавах в твердом состоянии. Например, при исследовании процесса отпу­ска стали получают кривую электрическое сопротивление — темпе­ратура отпуска. Изменение электрического сопротивления, харак­теризуемое этой кривой, указывает на превращения, протекающие в стали при отпуске.

Электрическое сопротивление металлов и сплавов измеряют при помощи двойного моста Томсона или потенциометрическим методом на проволочных образцах.

 

Магнитные методы исследования

Магнитные методы исследования применяют как для определе­ния величины магнитных свойств металлов и сплавов — коэрци­тивной силы Hc, остаточной индукции Br и магнитной проницаемо­сти μ (используемых, например, в электромашиностроении), так и для изучения превращений протекающих в металлах и сплавах в твердом состоянии. Еще недавно посредством магнитных исследо­ваний в основном изучались превращения в ферромагнитных метал­лах и сплавах; теперь их применяют для изучения и парамагнитных металлов и сплавов. Магнитные испытания позволяют исследовать изменения величины магнитной восприимчивости χ магнитного насыщения 4πJH, коэрцитивной силы и другие магнитные свойства. Для исследования магнитных свойств служат специальные установ­ки; наиболее широко применяются баллистическая установка и анизометр Н. С. Акулова.

Метод внутреннего трения

Внутреннее трение — свойство твердого тела при циклическом нагружении обращать часть упругой энергии механических коле­баний в тепловую. Внутреннее трение проявляется в затухании сво­бодных колебаний твердого тела, а также в наличии петли упругого гистерезиса. Имеются материалы с высоким внутренним трением (высокой способностью к рассеиванию колебаний или, иначе, высо­кой демпфирующей способностью) и низким внутренним трением.

На внутреннее трение влияет амплитуда напряжений, частота и температура. Внутреннее трение, наблюдаемое при повышенных напряжениях, называют микропластическим, а при очень малых — диффузионным (релаксационным). Диффузионное внутреннее тре­ние зависит от частоты колебаний и температуры.

Микропластическое внутреннее трение определяют для харак­теристики металлов и сплавов с высокой или низкой способностью к рассеиванию колебаний. Изучая частотную или температурную зависимость другого вида внутреннего трения — диффузионного, можно выявить его источники, основным из которых является перестройка атомов в поле напряжений. Это обстоятельство дает возможность использовать метод диффузионного внутреннего тре­ния для исследования превращений, не сопровождающихся остаточ­ным изменением структуры, например, для изучения распада пере­сыщенных твердых растворов, протекающего при низких темпера­турах, упорядочения и других процессов.

Величина внутреннего трения определяется величиной угла φ (угол сдвига фаз между напряжением и деформацией), логариф­мического декремента затухания или путем построения диаграммы напряжение — деформация.

Для определения внутреннего трения применяют проволочные образцы и различные установки; наиболее распространенной явля­ется установка типа крутильного маятника.

Методика проведения структурных и физико-механических исследований подробно описана в соответствующих разделах сайта.

Технологические и эксплуатационные испытания

Кроме приведенных методов исследования структуры и физико- механических свойств, применяют также технологические и эксплу­атационные испытания.

Технологические испытания (пробы) позволяют определить воз­можность проведения различных технологических операций. К этим испытаниям относятся: испытания на загиб в холодном состоянии, осадку, перегиб, выдавливание, свариваемость, прокаливаемость и др. Например, испытанием на перегиб определяют способность металла выдерживать без появления трещин повторные перегибы, в частности, при испытании качества полосового и листового ма­териала толщиной до 5 мм, проволоки и прутков.

В качестве методов исследования поведения металлов и сплавов в эксплуатации проводят испытания их на сопротивление коррозии, износостойкость, красностойкость, склонность к деформационному старению и др. Проведение этих испытаний обусловливается соответ­ствующими ГОСТами и техническими условиями. Например, испы­тание на склонность низколегированных сталей к деформационному старению состоит в определении величины ударной вязкости образ­цов после деформирования растяжением (равным 15%) и искусствен­ного старения при 250° С в течение 1 ч.