Оценка размера зерна и возможные трудности

Оценка размера зерна металлов, как и любое другое изучение микроструктуры, является важной задачей, поскольку размер зерна — один из параметров микроструктуры металла, а микроструктура, как известно, определяет свойства. Тем не менее, оценка размера зерна сопровождается некоторыми сложностями, имея представление о которых, мы сможем исключить возможные ошибки при интерпретировании результатов. Вот об этих небольших сложностях я и расскажу далее.

1. Зерна трехмерны, и размеры их в трехмерном пространстве не постоянны.
То есть любой кусок металла, который мы с вами держим в руках или видим в качестве колеса трамвая или еще какой-нибудь детали, строго говоря не является однородным твердым телом, а похож на кукурузный козинак, состоящий из множества мелких (сотые и тысячные доли миллиметра) зерен. Таким образом, когда мы готовим шлиф для проведения металлографического исследования, мы пересекаем пространственное множество зерен подобно тому как режем козинак: секущая плоскость пересечет зерна в различных местах: у какого-то зерна плоскость отрежет самый край, какое-то пересечет посередине и т.д. Таким образом, на поперечном сечении, т.е. в плоскости шлифа, мы будем наблюдать целый ряд размеров.

 

Зеренная структура стали и ...козинак

Многие ученые занимались проблемой формы зерен, в результате чего были предложены пространственные модели с весьма сложными для выговаривания названиями, например, в работе Салтыкова [1] упоминались следующие модели: кубический октаэдр и тетракаиэдрон Р.Вильямса:

Кубический октаэдр (а) и тетракаиэдрон (б) Р.Вильямса

Конечно же, это всего лишь модели, и в природе мы не найдем зерна идеальной геометрической формы, но, в конце концов, человек всегда для того чтобы понять природу, изучал ее на моделях (например, глобус — модель Земли). Как говорил один мой очень хороший преподаватель: “Все модели неправильные, но многие из них полезны”.

Рассмотрим теперь возможные варианты зеренных структур:

  • Равноосная структура. См. рисунок выше (тот, что слева от козинака). Здесь мы будем наблюдать диапазон размеров, но один из размеров будет преобладающим.
  • В структуре могут присутствовать аномально крупные зерна по сравнению с остальными.  Возвращаясь к аналогии с едой, можно представить себе следующее: это будет пирог со смешанной начинкой — из клубники и черники. Понятно, что размеры тут будут разные. При построении гистограммы мы получим бимодальное распределение (о построении гистограмм расскажу в следующих заметках).

  • Зерна могут быть вытянутыми. В результате обработки давлением, например, прокатки зерна вытягиваться в направлении деформации,  становятся больше похожими на веретено, и, следовательно, при пересечении их плоскостями в разных направлениях мы будем получать различные картины. Поэтому при подготовке к исследованию таких структур нужно четко определиться с ориентацией образца, и соответственно, с плоскостью шлифа.

2. Зерна в металлах могут иметь различную природу.
Например, у железа и сталей ферритного класса мы можем наблюдать ферритные зерна, а вот у большинства нержавеющих сталей и у сплавов на основе никеля — аустенитные зерна. Необходимо отдавать себе отчет в том, что несмотря на то, что зерна могут быть одинаковой формы, и иметь те же геометрические характеристики, и процесс измерения их остается тем же,  природа их может быть различна: в случае ферритных зерен это объемоцентрированная кубическая (ОЦК) решетка, а в случае аустенитных — это гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка. С этим проблем возникнуть не должно, если, конечно, Вам на исследование не дают просто готовый шлиф и говорят “проведите нам исследованные вот этого металла”, не говоря больше ничего (такое тоже, оказывается, бывает).

 

3. В зернах могут присутствовать двойники.
Двойники — это симметричные переориентировки областей кристалла (см. стр. 30 учебника Гуляева А.П. [2]).  Двойники могут образовываться в результате деформации или термической обработки.

В стандартах по оценке размеров зерен даже предусмотрены отдельные шкалы для оценки зеренных структур с двойниками.

Схематичное изображение двойника (вид сбоку) [2]. Когда мы будем смотреть на него сверху, то увидим полосу внутри зерна, что и представлено на рисунке ниже.

Образцы зеренной структуры: слева — без двойников, справа — с двойниками. Оба образца соответствуют одному размеру зерна [3]

Если мы хотим просто произвести оценку размера зерна, то двойники не принимаем во внимание, но когда перед нами стоит задача установить связь между структурой и  свойствами, например, установить зависимость механических свойств от размера зерна, то границы двойников необходимо учитывать, поскольку они подобно обычным границам зерен влияют на свойства (если сильно вдаваться в науку — на движение дислокаций). Таким образом, нужно четко определиться с целями исследования.

 

4. Зеренной структуры как таковой и вовсе может не быть
К примеру, у современных трубных сталей бейнитного класса нет зеренной структуры: их структура — бейнит. В данном случае может быть оценен только размер предшествующего бейнитному превращению размер аустенитного зерна, который может быть выявлен особым травлением (с помощью водного раствора пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активных веществ, к примеру, стирального порошка).

 

5.  Не существует единого метода для оценки размера зерна.
Поэтому необходимо выбирать метод в зависимости от поставленных задач. Существует несколько методов [4]:

  • метод подсчета зерен (планиметрический метод)
  • метод секущих
  • метод, основанный на построении гистограмм распределения размеров зерен
  • метод сравнения с эталонными шкалами
  • фрактографический метод

О каждом из них я расскажу позже, поэтому, чтобы не пропустить этот момент советую подписаться на обновления блога.

 

Ссылки:

[1]  Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 271 стр. (стр. 6)

[2] Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е издание. М: Металлургия, 1986. 544 с.

[3] ГОСТ 5639-82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна

[4] Van Der Voort G. F. Metallography: Principles and Practice, ASM International, 1999.  (P. 437)

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рубрика: Металлография. Метки: . Добавьте постоянную ссылку на эту страницу в закладки.

3 отзывов на Оценка размера зерна и возможные трудности

  1. Олег пишет:

    Отличная статья! К сожалению представлено мало материала. Впрочем краткость — сестра таланта)

  2. Максим Терентьев пишет:

    Спасибо, Олег! Напишите, о чем хотите узнать более подробно, и я обязательно посвящу этому одну из следующих статей.

  3. Лариса пишет:

    спасибо очень много полезного почерпнула из ваших статей

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *