БСЭ1/Микроструктура

Материал из Викитеки — свободной библиотеки

МИКРОСТРУКТУРА, строение веществ и материалов, видимое в микроскоп при достижимых с его помощью увеличениях. Чаще всего это название относят к строению кристаллич. веществ и, в частности, металлов и металлич. сплавов, в к-рых строение подчиняется определенным и простым законам (см. Сплавы). М. металлов и сплавов обнаруживается при рассмотрении с помощью микроскопа полированной поверхности их в отраженном свете. До травления полированной поверхности металла можно наблюдать лишь встречающиеся в металле неметаллические включения, т. к. все они, не принимая полировки, кажутся в отраженном свете более темными, чем окружающий их металл. На рис. 1, представляющем строение сварочного железа, видны грубые включения шлака, всегда встречающиеся в пудлинговом железе. Количество неметаллических включений, их величина, внешняя форма и характер расположения — все это служит для характеристики металла и при изучении М. рассматривается в первую очередь. После травления полированной поверхности металла соответствующими реактивами (кислотными, щелочными или соляными растворами) во всяком металле обнаруживается зернистое строение, как это видно, напр., на рис. 2, показывающем структуру сплава Ag—Al. Причина зернистого строения всех металлов заключается в том, что кристаллизация их начинается из отдельных центров, вокруг к-рых и формируются кристаллы с определенной ориентацией кристаллич. элементов. Вследствие неодинаковой ориентации этих элементов в отдельных кристаллах и неодинакового отношения полированных поверхностей последних к реактивам ясно обнаруживаются границы отдельных поверхностей в виде четких линий раздела между ними. Обнаруживаемые в металлах зерна имеют или правильные кристаллич. очертания (рис. 2) или округлые контуры, скрадывающие кристаллическую форму зерен. Более существенным признаком, чем форма зерен, является их величина. Величиной зерна определяются многие свойства металла — механические, физические и химические. Обычно крупнозернистому металлу отвечают пониженные механические свойства, а металл мелкозернистого строения обладает высокими механическими качествами. Причина пониженных механических свойств крупнозернистого металла заключается в том, что здесь в каждом зерне хорошо развиты плоскости спайности, по которым легко происходит деформация, а затем и разрушение металла. Получение крупнозернистого или мелкозернистого металла определяется не только природой последнего, но и условиями кристаллизации. Если кристаллизация происходит из большого числа центров, то получается мелкозернистый металл; при кристаллизации же из малого числа центров металл получается крупнозернистым. В свою очередь число центров определяется скоростью охлаждения: при малой скорости и, следовательно, при отсутствии переохлаждения в металле получается меньше центров. Таким образом, регулируя скорость охлаждения, можно получить один и тот же металл с различной степенью крупнозернистости и с различными свойствами. Если зерна металла после их окончательного формирования подвергаются механич. воздействиям, напр., прокатке, штамповке и ковке, то они вытягиваются в каком-либо одном направлении; в результате получаются зерна, вытянутые в направлении механич. обработки (рис. 3). Отношение продольного диаметра зерна к поперечному служит мерой произведенной механич. обработки металла и является характерным структурным признаком его. При очень сильной вытянутости зерен металл приобретает волокнистое строение, характеризующееся повышенными разрывными свойствами в продольном направлении и пониженными — в поперечном, что дает полную аналогию с материалами, имеющими волокнистое или слоистое строение (дерево, асбест, слюда и т. п.).

Перечисленные признаки М. металлов — загрязненность неметаллическими включениями, зернистость и вытянутость зерен — являются общими для всех без исключения металлов и всегда наблюдаются при микроскопич. изучении их. Но свойства металла определяются, гл. обр., природой составляющих его зерен, к-рые могут быть однофазными или двухфазными и состоять из чистых металлов, твердых растворов и химич. соединений. Поэтому при изучении М. необходимо знать природу металлич. зерен и их состав. Состав зерен определяется по диаграммам плавкости, без к-рых невозможно ясное понимание М. сплавов (см. Сплавы); природа же зерен определяется по внешнему их виду при рассмотрении в микроскоп. Можно различать следующие структурные элементы в металлах и сплавах: 1) чистые металлы; 2) твердые растворы; 3) химические соединения; 4) эвтектики; 5) перитектики; 6) твердые растворы с дисперсными выделениями внутри них; 7) эвтектоиды.

1) Зерна чистых металлов могут иметь как правильную, так и округлую форму. Правильная форма у этих зерен сохраняется лишь в том случае, когда кристаллы чистого металла выделяются из жидкости первыми задолго до затвердевания остающейся жидкости. При этом первичные кристаллы, не стесненные в своем росте окружающей жидкостью, развиваются правильно и в свойственной им кристаллич. форме. Примером М., содержащей первичные кристаллы чистого металла, может служить приведенная на рис. 4 и отвечающая сплаву Pb—Sb с избытком Sb. Здесь светлые правильные формы выделения — это первичные кристаллы Sb, выделявшиеся из жидкости. Последняя застыла самостоятельно в виде смеси мелких кристаллов Sb и Pb при более низкой температуре и образовала сплошную темную массу вокруг первичных кристаллов. 2) Нередко в сплавах двух металлов задолго до окончательного их затвердевания выделяются кристаллы интерметаллического соединения этих металлов. Выделяясь из жидкого сплава, они также хорошо кристаллизуются и затем кажутся резко обособленными на фоне основной массы, состоящей из тонкой смеси этих же кристаллов и кристаллов какого-либо из входящих в сплав металлов. М. сплава с первичными кристаллами интерметаллич. соединения представлена на рис. 6, где темные вытянутые кристаллы — это соединение Cu₂Sb кристаллов, а более светлый фон — смесь кристаллов Cu₂Sb и Sb. Если сплав состоит из одних только кристаллов интерметаллич. соединения, то получается обычное зернистое строение, свойственное чистым металлам и твердым растворам. Вследствие хрупкости интерметаллич. соединений поверхность их часто бывает покрыта линиями сдвигов и микротрещинами. 3) Между первичными кристаллами находится металлич. масса, состоящая из смеси мелких кристаллов. Эта механич. смесь, кристаллизующаяся при определенной температуре и имеющая определенный химпч. состав, носит название эвтектической смеси, или эвтектики. Эвтектика — самый легкоплавкий сплав; она получается при строго определенном составе сплава. М. эвтектики была уже приведена на рис. 4, 5 и 6 в виде тонкокристаллической смеси. На рис. 7 представлена типичная эвтектика в сплаве Bi—Sn, в к-рой ясно различимы темные зернышки оловянного твердого раствора и светлые — висмутового. 4) Нередко случается, что первичные кристаллы чистого металла, твердого раствора или интерметаллич. соединения, достигшие значительных размеров, вступают во взаимодействие с оставшейся жидкостью, в результате чего образуются кристаллы нового интерметаллич. соединения. Иногда первичные кристаллы растворяются до конца, но часто они сохраняются в полурастворенном состоянии, и М. представляет смесь двух сортов крупных кристаллов — полурастворившихся первичных и вновь образовавшихся. Такая смесь двух сортов крупных кристаллов называется перитектикой. Она представлена на рис. 8 для сплава Fe—Zn; здесь темные кристаллы с разъеденными контурами — первичные кристаллы химич. соединения FeZn, а основная, более светлая масса — кристаллы вновь образовавшегося химического соединения FeZn. 5) Очень часто твердый раствор с понижением температуры оказывается пересыщенным в отношении растворенного металла, поэтому последний начинает выделяться из раствора. Так как этот процесс происходит в твердом состоянии и так как количество выделяющегося металла мало, то он выделяется в дисперсной форме, в виде мельчайших кристалликов внутри твердого раствора. Такая структура представлена для сплава Ni—Zn на рис. 9; здесь из твердого раствора Ni в Zn при охлаждении выделились светлые кристаллы соединения NiZn и образовали характерную М. 6) Подобно тому, как жидкий сплав при определенном составе может распадаться на свои составные части и образовать эвтектику, так и твердый раствор может распадаться на свои составные части и образовать структуру, аналогичную эвтектике, — эвтектоид. Получающаяся смесь имеет очень тонкое строение, представленное для примера на рис. 10, где приводится М. сплава Cu—Zn, состоящая из одного эвтектоида. Здесь при сравнительно небольшом увеличении видны пластинчатые кристаллы двух твердых растворов () с различным содержанием Zn.

Указанными типами исчерпываются структуры, наблюдаемые в сплавах. Как видно из предыдущего перечня, только первые три однофазных структурных элемента являются основными; остальные же двухфазные структурные элементы являются комбинациями первых трех. Так, например, эвтектики могут представлять собой смеси: двух чистых металлов, двух твердых растворов, двух химич. соединений — чистого металла с твердым раствором., чистого металла с химич. соединением и твердого раствора с химич. соединением. Перечисленные М. не всегда являются типичными; часто один тип незаметно переходит в другой, нередко структурные элементы несколько искажаются во время охлаждения и теряют свои типичные черты. Но если известен состав сплавов, известна их диаграмма плавкости, то становится понятной и их М., и получается возможность отнести последнюю к тому или другому из перечисленных типов. М. сплавов имеет большое значение для качественной характеристики их свойств, способа охлаждения,БСЭ1. Микроструктура.jpg термич. и механич. обработки их, а также для контроля производства изделий из этих сплавов. Поэтому изучение М. лежит в основе современного металловедения и дает руководящие сведения для правильной обработки и использования металлов и сплавов.

Лит.: Бабошин А. Л., Металлография и термическая обработка железа, стали и чугуна, ч. 1—2, группы, 2 изд., Л. — М. — Свердловск, 1934—35; Бартельс Н. А., Металлография и термическая обработка металлов, 4 изд., Л, — М., 1935; Кащенко Г. А., Курс общей металлографии, [т.] I — III, Л. — М., 1934—37; Герене П., Металлография, пер. с нем., Харьков — Киев, 1935; Sauveur A., The metallography and heat treatment of iron and steel, 4 ed., Cambridge (Masa.), 1935; Hanemann H. und Schrader A., Atlas metallographicus, B., 1927—37.