Методы структурных исследований. Рентгеноструктурный анализ

В данном разделе рассмотрен метод рентгеноструктурного анализа, применяемого для полной аттестации кристаллической структуры, ана-лиза дефектов и фазового состава материалов. Рассмотрены основные экспериментальные методы и особенности применения для исследова-ния материалов. Рентгеноструктурный анализ (РСА) основан на явлении дифракции рентгеновских лучей, открытом Максом фон Лауэ в 1912 г. Методами РСА по дифракционным картинам, возникающим при рассеянии рент-геновских лучей кристаллическими веществами, можно изучать распо-ложение атомов в этих веществах, процессы, связанные с перестройкой атомов в кристаллах. Можно исследовать диаграммы состояний систем, определять внутренние напряжения, размеры кристаллитов, виды и ко-личество дефектов структуры. Задачи, решаемые методом:

1. Определение периода идентичности при вращении монокристал-ла.

2. Определение числа атомов в элементарной ячейке.

3. Определение типа твердого раствора

4. Определение коэффициента термического расширения

и в разных фазах композиционного материала.

5. Фазовый анализ и изучение диаграмм состояний При сплавлении различных компонентов возможно формирование различных фаз, наличие которых легко определить с помощью рентге-ноструктурного анализа. Если при получении рентгенограммы на ней присутствует только одна система линий, то мы имеем твердый раствор с неограниченной растворимостью. В случае эвтектического типа на рентгенограмме появляются две системы линий в двухфазной области и изменение интенсивности, а в однофазной области имеем только изменение параметров. В случае диаграммы с промежуточной фазой на рентгенограмме она имеет свою собственную систему линий.

6. Исследование границ растворимости Существует два метода: 1. Метод исчезающей фазы. В этом методе измеряют интенсив-ность рентгеновских линий при различных концентрациях в сплаве для разных температур; далее проводят экстраполяцию на нулевое значение интенсивности. 2. Метод определения изменения периодов решетки. Это метод бо-лее точный. В данном случае измеряют параметр решетки (межплоско-стное расстояние), который меняется при легировании. Далее проводят интерполяцию, а точка пересечения линий определяет границу раство-римости.

7. Методы исследования границ растворимости и установление наличия фаз в исследуемом образ-це, их идентификация (качественный анализ) и определение относи-тельного содержания (количественный анализ). Качественно фазовый анализ основан на том, что от каждого хими-ческого соединения (сплава) на рентгенограмме возникает своя система линий. Набор измеренных относительных интенсивностей линий и межплоскостных расстояний {Ihkl, dhkl} называют «рентгеновской харак-теристикой вещества». Три самые сильные линии – «реперные». Методы количественного фазового анализа основаны на том, что соотношение интенсивностей линий каждой фазы не зависит от других веществ, присутствующих в образце, но пропорциональна содержанию этой фазы.

Все разработанные до настоящего времени методы основаны либо на устранении, либо на учете причин, вызывающих отклонение от пря-мой пропорциональности между интенсивностью и объемной долей фа-зы в смеси.

Методы количественного анализа Метод гомологических пар Используется для двухфазных систем, в которых коэффициенты поглошения фазы и смеси примерно одинаковы (также для трехфазной смеси, если количество третьей фазы менее 5 %). Этот случай реализу-ется, например, в аустенитно-мартенситных сталях.

Рентгенографическое определение внутренних напряжений в материалах

Металлический образец, если к нему приложить напряжение, пре-восходящее предел упругости, пластически деформируется. При этом изменяются и другие физические и физико-химические свойства метал-ла. С увеличением степени пластической деформации повышается внутренняя энергия металла, искажается его кристаллическая структу-ра, меняются свойства: металл упрочняется, понижается сопротивление коррозии, увеличивается скорость диффузии и фазовых превращений, понижается плотность, появляется анизотропия свойств, связанная с предпочтительной ориентацией кристаллитов (текстурой). Различают следующие типы внутренних напряжений, отличающих-ся объемами, в которых они уравновешиваются.

1. Макронапряжения (зональные напряжения, напряжения I рода). Эти напряжения уравновешиваются в объеме всего образца или изде-лия. Они имеют ориентацию, связанную с формой изделия. При нали-чии макронапряжений удаление какой-либо части детали пpиводит к нарушению равновесия между остальными ее частями, что вызывает деформирование (коробление и растрескивание) изделия. Разрушение пpоисходит большей частью под действием растягивающих напряже-ний. Сжимающие напряжения (их можно создавать специальными тех-нологическими процессами) снижают чувствительность материала к концентраторам напряжений и повышают усталостную прочность мате-риала.

2. Микронапряжения (микроискажения, напряжения II рода). Эти напряжения уравновешиваются в пределах отдельных кристаллов или блоков и могут быть как неориентированными, так и ориентированны-ми (в направлении усилия, произведшего пластическую деформацию).

3. Статические искажения решетки. Уравновешиваются в пределах небольших групп атомов. В деформированных металлах статические искажения уравновешиваются в группах атомов, лежащих у границ зе-рен, плоскостей скольжения и т. д. Такие искажения могут быть связаны с дислокациями. Смещения атомов из идеальных положений (узлов ре-шетки) могут также возникать в кристаллах твердого раствора из-за различия размеров атомов и химического взаимодействия между одно-именными и разноименными атомами, образующими твердый раствор. При наличии микронапряжений и статических искажений удаление час-ти тела не приводит к их перераспределению. Напряжения разных типов приводят к различным изменениям рент-генограмм и дифрактограмм, чтo позволяет изучать внутренние напря-жения рентгенографическими методами.

Макронапряжения вызывают сдвиг интерференционных линий, особенно заметный под большими брэгговскими углами. Микронапряжения приводят к уширению линий. Наибольшее изменение ширины интерференционных линий наблюдают при больших брэгговских углах. Ориентированные микронапряжения могут также вызывать смещение линий. При наличии статических ис-кажений, связанных со смещениями атомов из идеальных положений, уменьшается интенсивность интерференционных линий и возрастает диффузный фон. Эффект уменьшения интенсивности особенно заметен для линий с большими индексами. Дефекты в кристаллах, связанные с микронапряжениями и статиче-скими искажениями, делятся на два класса: ограниченные и бесконечно большие в одном или в двух направлениях. Дефекты относятся к перво-му классу, если создаваемые ими смещения убывают с расстоянием, как 1/r2 (или быстрее), и ко второму классу, если смещения убывают, как 1/r2/З (или медленнее). Прямолинейные дислокации, проходящие через весь кристалл, яв-ляются бесконечно протяженными дефектами и вызывают уширение линий. К этому эффекту приводят также хаотически распределенные по кристаллу дефекты упаковки или системы дислокаций, образующие границы блоков в бесконечном кристалле. При рассеянии рентгеновских лучей поликристаллическими образ-цами может также наблюдаться эффект уширения линий, связанный с флуктуациями числа дефектов в различных кристаллитах. Определение макронапряжений Макронапряжения возникают при неоднородном нагреве или охла-ждении (например, при сварке, огневой резке), в процессе холодной прокатки или правки готовых изделий, в результате структурных пре-вращений, при химической и механической обработке поверхности (то-чении, шлифовке, полировке), а также при нанесении электролитиче-ских покрытий. Контроль макронапряжений имеет важное значение в практике, так как позволяет значительно повышать надежность изделий в эксплуатации. Рентгенографический метод определения макронапряжений осно-ван на точном измерении периодов решетки. Исследование проводится без разрушения изделий, напряжения определяются в очень тонком по-верхностном слое металла. Однако рентгенографический метод иссле-дования позволяет получить сведения о напряженном состоянии только определенным образом ориентированных кристаллитов, в то время как механические методы дают средние величины деформации для всех зе-рен металла. По этой причине результаты, полученные механическими и рентгенографическими методами, не всегда совпадают. Рентгеногра-фические методы позволяют изучать напряжения на очень небольшой площади и, следовательно, устанавливать распределение напряжений по образцу. С помощью этих методов можно исследовать металлы как в линей-но-напряженном, так и в плосконапряженном состоянии. Линейно-напряженное состояние. При теоретическом рассмотре-нии условий отражения монохроматических рентгеновских лучей от уз-ловых плоскостей в линейно-напряженном поликристаллическом агре-гате показано, что его упругая деформация должна приводить к смеще-нию линий на рентгенограммах, полученных методом порошков. Определение напряжений в рассматриваемом случае произво-дится с помощью двух рентгенограмм с напряженного и ненапряжен-ного образцов.

Как указано выше, микронапряжения возникают вследствие: 1) пластической деформации поликристаллов; 2) неоднородности поля температур (разные КТР у разных фаз); 3) распада твердых растворов (некогерентность решеток); 4) локальных структурных превращений (например, цементация). Микроискажения приводят к уширению рентгеновских линий, ко-торое может быть охарактеризовано величиной Δd/d, где Δd – макси-мальное отклонение межплоскостного расстояния от среднего значения. Ранее было показано, что Δd/d = – ctgθΔθ, т. е. эффект уширения линий растет с увеличением брэгговского угла.

Статические искажения Статические искажения кристаллической решетки, возникающие вокруг дислокаций, вокруг внедренных атомов и вокруг вакансий также приводят к уширению рентгеновских линий. Рентгенографическое определение величины кристаллитов Некоторые кристаллиты в поликристалле оказываются ориентиро-ванными под брэгговскими углами. Каждый из таких кристаллитов дает на дебаеграмме отражение в виде точки или двух точек, отвечающих дублету Kα12 под большими брэгговскими углами. При размерах кри-сталлитов L < 10–3 см эти точки сливаются в сплошные интерференци-онные линии. В случае же крупнокристаллического образца с размера-ми зерен L > 10–3 см интерференционные линии имеют точечную струк-туру. Число точек на этих линиях пропорционально вероятности нахо-ждения кристаллита в отражающем положении и числу кристаллитов в освещенном объеме, которое зависит от их размеров. Для исследования тонких образцов можно использовать метод съем-ки на просвет (образец не должен иметь текстуры). Пучок рентгеновских лучей должен иметь известное сечение S, чтобы можно было определить облучаемый объем V, который равен Sd, где d – толщина образца.

Для исследования массивных образцов применяют метод съемки на отражение (обратной съемки). Облучаемый объем образца V не может быть определен непосредст-венно, так как он зависит от максимальной глубины d, на которую про-никает излучение, способное выйти из образца после отражения от кри-сталлографических плоскостей (hkl) кристаллитов. Для преодоления этой трудности предложен метод двойных экспозиций. От образца получают две рентгенограммы с экспозициями t0 и t1. Экспозиция t1 мала, и поэтому в отражении принимают участие лишь кристаллиты, расположенные на поверхности образца и близко к ней. Экспозиция t0 более длительная, вследствие чего на рентгенограмме регистрируются отражения от кри-сталлитов, находящихся на большей глубине. Затем производят сравне-ние полученных рентгенограмм и подсчитывают разность Δn числа пятен на обеих рентгенограммах с почернением, превышающим определенную величину D0 (для одной и той же линии с индексами hkl). Вероятность отражения кристаллов равна Whkl = [р(γ+Δϕ)cosΘ]/2, (67) где Δϕ — дополнительная угловая ширина отраженного пучка, связан-ная с мозаичнностью зерен, дифракционным уширением, естественной шириной спектральной линии и другими факторами. Для определения величины кристаллов малых размеров часто исполь-зуют уширение дифракционных линий. Однако надо помнить, что най-денная таким образом величина – это размер кристалла, а не размер час-тицы, так как частица может состоять из нескольких микрокристаллов.

Дата добавления: 2014-05-20; просмотров: 963; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!