Если мы посмотрим на металлический образец в электронный микроскоп то мы увидим странную структуру, состоящую из группы шариков объединённых непонятным образом. Если же мы посмотрим на тот же образец в оптический микроскоп, то он будет выглядеть как какая-то непонятная тротуарная плитка. У любого человека, мало связанного с проблемой, возникает главный вопрос: а каким образом можно подчеркнуть какие-то полезные знания из вот этих вот данных?
Раньше я выкладывал свои ролики на ДЗЕН, но площадка изменила условия и теперь ролик по теме можно увидеть только тут
Знаний в таких фотографиях огромное количество. Более того - это коррелирует даже с устройством Вселенной. Но начнём с простого. Это снимок микроструктуры металлического образца, сделанный с помощью оптического микроскопа.
Здесь мы видим границы этих зёрен. Размер зерна размер зерна во многом определяет большинство механических свойств металла. Размер зерна влияет сугубо механически и если зерно будет очень большим, то оно, в какой-то степени, работает как рычаг. Такой образец легче сломать. Металлографическое исследование позволяет нам посмотреть на зёрна металла в микроскоп и увидеть какие зёрна получились. Факт того что все они одноцветные говорит о том что у нас это, скорее всего однофазный материал. Несмотря на то, что картинка кажется совершенно примитивной и похожай на плитку на газоне, она даёт очень много полезной информации о структуре и поведении образца.
Дальше у нас с вами алюминиевый сплав. Когда мы смотрим на такую конструкцию, то мы должны понимать, что алюминий имеет структуру отличную от стали, а мы здесь видим разные фазы. Чистый алюминий прорастает такими интересными кристалликами по образцу, а вот дополнительная фаза, которая в данном случае включает кальций, заполняет пространство.
Когда мы изучаем такую картинку, то можем сказать очень многое о строении образца. Для нас очень важно какое распределение компонентов есть. Как минимум, мы можем составить количественную характеристику одной и другой фазы, причём даже без химического анализа, который стоит дорого и который не всегда получается сделать.
Ещё мы можем увидеть нечто невероятно интересное, связанное с зоной термического влияния сварного шва. Если вы соединяете методом сварки два образца, то эти заготовки испытывают нагрев. Он заставляет всю внутреннюю структуру материала переворачиваться с ног на голову и при этом начинают происходить самые разные гадкие процессы.
Посредством оптической микроскопии, мы можем выяснить, насколько правильно и правильно ли вообще проведена термическая обработка в данном случае. Термическая обработка - здесь термин не совсем правильный, поскольку мы говорим про сварной шов. Это скорее неприятное последствие, но тем не менее, когда мы смотрим на это, мы видим два разнородных материала, соединённых друг с другом и наблюдаем глубину зоны термического влияния.
С помощью оптической микроскопии мы можем посмотреть и на то, какой образуется слой при термической обработке. Вспомним, например, закалку. Берём металлический образец, нагреваем и помещаем в холодную среду. Закалка меняет структуру образца. Вот фотография некоторой шестерёнки, у которой проведена поверхностная закалка зубьев.
Поверхностная закалка зубьев формирует мартенситный слой на поверхности. Делается это, кстати, не случайно. Когда мы обрабатываем зубчатое колесо, то нужно добиться двух эффектов. Должен получиться твёрдый поверхностный слой и вязкая сердцевина. Если это не так, то зубчатое колесо получается слишком хрупки и стихийно разлетается на осколки. Если же поверхность не прокалена и слишком мягкая, то зубья моментально стираются. Поэтому на практике закаливают поверхность и контролируют толщину закаленного слоя. Это и видно на фотографии.
Теперь с помощью электронного микроскопа мы заглянем вглубь образца. Внутри мы видим атомы металла, из которого состоит образец, а тёмная зона - это граница зерна.
Пока атомы в структуре объединяется правильным образом и формируют ту картинку, которую мы ожидаем увидеть у нас есть так называемое зёрна. Но в природе ничто не происходит идеально. Упорядоченность нарушается и образуется стык двух упорядоченных зон. Это зона, где столкнулись две структуры, но не смогли организоваться. Нам важно видеть границу зерна, поскольку степень дефективности металла металлического образца во многом определяется ей. Микроскоп позволяет видеть это и предсказывать механические свойства.
Ещё в электронный микроскоп можно наблюдать поведение примесного атома и его путешествия по кристаллической решётке. Когда есть два разных компонента или один компонент случайно попадает в другой что для реальной ситуации вполне существенно, то мы получаем непонятную кристаллическую решётку, в которую влез чужеродный атом. Он начинает там перемещаться и его поведение очень важно для правильного и предсказуемого поведения металла.
Он не просто деформирует структуру, а оказывает самые разные неприятные воздействия. В электронный микроскоп можно наблюдать его поведение, сопоставить это с предполагаемыми математическими моделями и правильно нивелировать это влияние.
Ещё бывают случаи, когда у нас есть какое-то покрытие на металле. Это может быть там что-то типа гальванического покрытия или может выглядеть как материалы, которые наносятся поверх другого материала. Примеров можно придумать огромное количество. Мы можем легко посмотреть, насколько качественно это произошло.
Мы берём электронный микроскоп, включаем его кладём туда подготовленный образец и видим слой. Здесь на фото мы видим изображение аморфной прослойки, которая образовалась между титаном и кремнием. Фотография может сказать о многом.
Ещё бывают так называемые дислокации. Это линейный дефект внутри кристалла. В какой-то момент у нас получается так, что где-то образовался лишний атом по той или иной причине. Причин таких может быть миллион. Может быть какое-то магнитное взаимодействие, может быть гравитационное взаимодействие, может сказаться магнитная буря. Что угодно. В результате внутри упорядоченной структуры где появляется лишний атом того же металла, попавший не на своё место. Связи образуются с ним, но формируется и пустая плоскость, на которой атомов не достаёт.
Это предвестник появления трещины. Посредством электронного микроскопа мы можем увидеть это и сказать "блин что-то мы накосячили с обработкой".
Внутри атома несовершенство структуры часто себя проявляет. Это нормальное явление. Всё не идеально и когда мы говорим про такие структуры, то можем посмотреть в электронный микроскоп и увидеть соединённые правильным образом атомы, а среди них наблюдать, что в какой-то момент атом пропущен.
Такая штука будет называться вакансий. Она является дефектом и этот дефект будет приводить к тому, что атомы вот в этой вот точке друг с другом не взаимодействуют достаточным образом.
Заглянуть в глубь металла – значит приоткрыть завесу тайны. Порой можно утверждать, что структура металла напоминает устройство Вселенной и уж точно демонстрирует самые разные сложные процессы. Именно поэтому возможность рассмотреть металл под микроскопом, вплоть до атомного уровня, является ключом к изучению физики материалов. Без этого знания мы остаемся слепыми, ощупывающими мир, не понимая его внутренней механики.
Представьте себе, что вы пытаетесь построить небоскреб, не зная, как работают кирпичи. Вы можете сложить их в ряд, но здание будет непрочным. Точно так же, не понимая расположения атомов, границ зерен и дефектов в металле, мы не можем предсказать его поведение, улучшить его свойства или создать новые, более совершенные материалы.
Видение структуры металла позволяет нам контролировать процессы на микроскопическом уровне, создавая материалы, которые будут легче, прочнее, устойчивее к коррозии и способными выполнять самые сложные задачи.
Не забывайте, что у канала есть премиум-раздел
⚠️ На всякий случай потихоньку переношу материалы с ДЗЕНа в Телеграм и делаю архив. Мало ли что...Читайте лучшие статьи с канала здесь и не забывайте подписаться!
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!