Металлография

Металлография – наука о структуре металлов и сплавов; раздел металловедения. Металлография исследует закономерности образования структуры металла, изучает его макроструктуру и микроструктуру, атомно-кристаллическое строение, влияние структуры на механические, электрические, магнитные и другие свойства.

Макроструктуру металлов и сплавов в металлографии наблюдают невооружённым глазом либо при небольшом увеличении (в 30-40 раз). Макроструктура характеризуется формой и расположением крупных кристаллитов (зёрен), наличием и расположением различных дефектов металлов, распределением примесей и неметаллических включений. (Дополнительно: ликвация).

Исследования микроструктуры в металлографии производят с помощью светового или электронного микроскопов, с помощью дифрактометра. (Подробнее см. статью Микроструктура)

Металлография позволяет устанавливать взаимосвязь между структурой и свойствами металлических материалов. Устанавливая закономерности образования структуры, металлография прогнозирует свойства новых сплавов.

Помимо закономерностей образования структуры, металлография изучает условия и причины возникновения при кристаллизации, пластической деформации и рекристаллизации текстуры металлов, которая обусловливает анизотропию свойств поликристаллического материала.

Изучение структуры металла в металлографии проводят на специально подготовленных плоских и гладких поверхностях - шлифах. Приготовление шлифа заключается в шлифовке и последующей полировке металла.

Следующим этапом металлографического процесса является выявление структуры. Чаще всего это химическое травление. При этом поверхность шлифа подвергают воздействию специального реактива, в результате чего выявляются особенности химического и фазового состава и кристаллического строения (макроструктура и микроструктура) - границы зерен, различные фазы, неметаллические включения, поверхностные слои, поры, трещины и др. Для выявления структуры в металлографии также используют электролитическое травление и метод магнитной металлографии. Кроме того металлография практикует следующие способы выявления микроструктуры: тепловое травление, травление в расплавленных солях, катодное распыление, выявление микроструктуры по изменению объема.

Металлография включает в себя и физические методы контроля и исследования металлов, такие как рентгеноструктурный анализ, определение теплоёмкости и электросопротивления, неразрушающий контроль металлов и др.

Качественная металлография

В металлографической практике форма сечений микрочастиц (или самих микрочастиц) оценивается главным образом чисто качественными понятиями. Например, форма микрочастиц цементита в перлите определяется как зернистая, четкообразная или пластинчатая. Имеет место качественная металлография. Часто применяется полуколичественная оценка условными баллами при помощи шкал структур, представляющих произвольный набор тех же определений качественной металлографии, расположенных в определённой последовательности.

Количественная металлография

Количественная металлография - это металлография, занимающаяся изучением количественных характеристик микроструктуры.

Реальное положение вещей таково, что количественная металлография стала возможна относительно недавно, в конечном итоге - благодаря автоматическим анализаторам изображений (ААИ) и находится ещё только в начале своего развития. Основные операции количественной металлографии – подсчет, измерение и классификация элементов, находящихся в поле зрения. Под элементами пространственного микроскопического строения понимаются различные микрочастицы (зёрна, кристаллиты, включения, выделения и др.), а также точечные, линейные, ареальные (плоскостные) образования (точки, линии и поверхности стыка микрочастиц). Результатом операций количественной металлографии могут быть, в частности, количественные параметры зерна или объемные доли различных фаз в структуре сплава.

Стереометрическая металлография

Стереометрическая металлография - это комплекс методов количественной оценки пространственного микроскопического строения металлов и сплавов. Более развёрнутое определение: стереометрическая металлография - это система методов анализа, позволяющая получить полное представление о действительном пространственном строении сплава по плоскостной структуре - фазовом составе сплава, дисперсности, характеризуемой величиной удельной поверхности, количестве микрочастиц в объёме, их гранулометрическом составе, геометрической форме и т.д.

В качестве обобщения можно отметить, что металлография вообще является стереологическим методом качественного и количественного исследования структуры металлов и сплавов. Качественные (описательные) методы исследования структуры позволяют описать с помощью баллов или условных обозначений тип, форму, размер и взаимное расположение обнаруженных фаз и структурных составляющих методом сравнения с ранее разработанными эталонами микроструктур. Задача количественной металлографии состоит в изучении характеристик пространственного строения структуры путем измерения численных параметров микроскопического изображения.

Из истории развития металлографии

В России первые металлографические исследования железа и его сплавов были проведены Аносовым П.П. (1799-1851 гг.). Работая на Златоустовском металлургическом заводе (1830-1835 гг.), П.П. Аносов применил микроскоп для изучения структуры стали и ее изменений после ковки и термообработки и установил существование связи между строением и свойствами стали. Именно эти годы можно считать началом зарождения металлографии в России. В 60-х годах XIX века Видманштеттен и Сорби применили микроскоп для исследования строения железа метеоритов.

Основы научного металловедения, в рамках которого существует металлография, были заложены русским металлургом Д.К. Черновым, который открыл зависимость свойств стали от температуры нагрева и охлаждения, выявил взаимосвязь структуры и свойств стали. В 1878 году Чернов Д.К. изложил свои представления о механизме кристаллизации стали. (Более подробно см. в статье Металловедение)

Металлография на сегодня имеет в своём распоряжении богатый арсенал средств и методов изучения структуры и средств металлов. Например, световые и электронные микроскопы, позволяющие совершать металлографические исследования при комнатной температуре. Для изучения изменений структуры металлов в процессе нагрева до высоких температур применяют специальные высокотемпературные микроскопы. Такую металлографию называют высокотемпературной металлографией.