Реферат: Изучение долотной стали методом рентгеноструктурного анализа

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Описание рассматриваемого материала 4

2 Возникновение и свойства рентгеновского излучения 6

2.1 Возникновение и свойства рентгеновского излучения 6

2.2 Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллами 10

2.3 Модель Вульфа-Брэгга 11

2.4 Рентгеновские трубки 13

2.5 Выбор анода для исследования материала 14

2.6 Методы рентгеновской съёмки кристаллов 14

2.7 Подготовка образца для исследования на рентгеновском аппарате 19

2.8 Схема устройства типа ДРОН 20

2.9 Типы структур металлов 22

2.10 Фильтрование рентгеновских лучей 25

3 Рентгенофазовый анализ 27

Заключение 29

Список используемой литературы 30

ВВЕДЕНИЕ

Исследования структуры металлов и сплавов с помо­щью современных дифракционных методов позволяют выявить ресурсы улучшения механических и других эксплуатационных характеристик материала. Требова­ния практики, с одной стороны, и развитие рентгенов­ских и электроннооптических методов, с другой, приво­дят к тому, что методы анализа структуры оказываются не только методами исследования, но и методами конт­роля качества металлических материалов, а также тех­нологических процессов их получения и обработки.

В настоящее время на рынке металлопродукции сформировался большой спрос на буровые марки стали типа 14ХН3МА, это связано с бурным развитием металлоёмкой ресурсодобывающей промышленности. Буровые долота являются основным инструментом, с помощью которого ведется бурение скважин в нефтяной и газовой промышленности, на карьерах по добычи угля и руд черных и цветных металлов, а также в строительстве.

Буровые долота предназначены для разрушения горной породы и образования ствола скважин, и работают в крайне тяжелых условиях. От работоспособности долота зависят основные технико-экономические показатели проводки скважин. Из-за жёсткости условий эксплуатации изделий из буровых марок сталей к ним предъявляется ряд высоких требований по многим показателям качества, таким как: качество поверхности, макроструктура, неметаллические включения, комплекс механических свойств, прокаливаемость. Ужесточение требований к металлургическому качеству, точнее к контролю металлургических переделов, их технологических особенностей обусловлено тем, что была надежно установлена зависимость служебных свойств сталей от технологии и режимов плавки, раскисления, разливки, прокатки, термической обработки, изменяющих макро- и микроструктуру, количество и форму, и расположение неметаллических включений.

1 Описание рассматриваемого материала

Долотная сталь должна обеспечить твердую режущую кромку, оставаясь в остальной части долота достаточно вязкой, чтобы предотвратить возможность поломки долота в скважине.

Образцы металла готовят из долотных сталей или твердого сплава, т.е. из того материала, по отношению к которому определяют абразивность пород. При определении абразивности испытания проводят с промывкой водой.

При изыскании оптимального состава долотных сталей необходимо учитывать не только специфику изнашивания и его закономерности, но и условия работы буровых шарошечных долот и особенности их конструкции. Как уже отмечалось, клиновидные зубья фрезеруются на конусе шарошки и составляют одно целое с ее корпусом.

Таблица 1 Массовая доля элементов, % по ТУ 3-102-80

Режимы термической обработки образцов

1-я закалка 890±10^о С в масло; 2-я закалка 810±10^о С в масло. Отпуск 185±15^о С с охлаждением на воздухе

Таблица 2 Механические свойства стали по ТУ 3-102-80

На определенном этапе работы долота и при определенных режимах и условиях бурения абразивный износ может быть ведущим видом изнашивания опоры. В процессе бурения через зазоры в опоре непрерывно циркулирует промывочная жидкость, содержащая абразивные частицы. Абразивные частицы глинистого раствора и разбуриваемой породы, попадая с потоком жидкости на трущиеся поверхности опоры, вызывают абразивный износ путем микрорезания и микроцарапания и в результате прямого внедрения. Различные схемы взаимодействия абразивных частиц с поверхностями трения обуславливают различные, по существу, виды изнашивания. За время работы долота на забое твердость постепенно падает, а интенсивность износа в связи с этим повышается.

Усталостные разрушения элементов долота в реальных условиях бурения интенсифицируется под влиянием адсорбционного эффекта поверхностно – активных веществ и коррозионно–агрессивного влияния элементов, содержащихся в промывочных растворах.

Это в сочетании с абразивным износом приводит к быстрому выходу из строя элементов долот.

Зубья шарошки находятся в сложном напряженном состоянии, сминаются или подвергаются хрупкому разрушению, т.е. разрушению путем отрыва без остаточных деформаций.

В результате ударного характера приложение силы в элементах долот развиваются кратковременные напряжения, максимальное действие которых проявляются в зубе шарошки у основания, на цапфах, на поверхности беговых дорожек и в местах концентрации напряжений.

Долговечность опоры долота зависит от интенсивности изнашивания и разрушения поверхностей цапфы, шарошки и тел качения. Характер изнашивания и разрушение элементов опоры долота различный, существенно меняющийся в зависимости от режима бурения и условий работы долота на забое. Это связано с неравномерным и сложным нагружением различных участков поверхностей опоры, с конструкцией, технологией изготовления и размерами долота.

2 Описание методики и результатов рентгеноструктурного анализа

2.1 Возникновение и свойства рентгеновского излучения

Рентгеновские Лучи – электромагнитное излучение с длинами волн 10–4 – 10 А (10–5 – 1 нм).

В 1895 немецкий физик Рентген, проводя опыты по прохождению тока между двумя электродами в вакууме, обнаружил, что экран, покрытый люминесцентным веществом (солью бария) светится, хотя разрядная трубка закрыта черным картонным экраном – так было открыто излучение, проникающее через непрозрачные преграды, названное Рентгеном Х-лучами. Было обнаружено, что рентгеновское излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше атомный номер (плотность) преграды, поэтому рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани человеческого тела, но задерживаются костями скелета. Были сконструированы источники мощных рентгеновских лучей, позволяющие просвечивать металлические детали и находить в них внутренние дефекты.

Немецкий физик Лауэ предположил, что рентгеновские лучи являются таким же электромагнитным излучением, как лучи видимого света, но с меньшей длиной волны и к ним применимы все законы оптики, в том числе возможна дифракция. В оптике видимого света дифракция на элементарном уровне может быть представлена как отражение света от системы штрихов – дифракционной решетки, происходящее только под определенными углами, при этом угол отражения лучей связан с углом падения, расстоянием между штрихами дифракционной решетки и длиной волны падающего излучения. Для дифракции нужно, чтобы расстояние между штрихами было примерно равно длине волны падающего света.

Лауэ предположил, что рентгеновские лучи имеют длину волны, близкую к расстоянию между отдельными атомами в кристаллах, т.е. атомы в кристалле создают дифракционную решетку для рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, направленные на поверхность кристалла, отразились на фотопластинку, как предсказывалось теорией.

Любые изменения в положении атомов влияют на дифракционную картину, и, изучая дифракцию рентгеновских лучей, можно узнать расположение атомов в кристалле и изменение этого расположения при любых физических, химических и механических воздействиях на кристалл.

Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода – катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. От обычной радиолампы (диода) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение (более 1 кВ). Когда электрон вылетает из катода, электрическое поле заставляет его лететь по направлению к аноду, при этом скорость его непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение). Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны, зависящей от приложенного напряжения. Совокупность лучей со всеми возможными длинами волн образует непрерывный спектр, и длина волны, соответствующая максимальной интенсивности, в 1,5 раза превышает минимальную длину волны. При увеличении напряжения рентгеновский спектр резко меняется за счет взаимодействия атомов с высокоэнергетичными электронами и квантами первичных рентгеновских лучей. Атом содержит внутренние электронные оболочки (энергетические уровни), количество которых зависит от атомного номера (обозначаются буквами K, L, М и т.д.) Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим перескок электронов в обратном направлении. Этот скачок сопровождается выделением кванта энергии и возникновением рентгеновского излучения. В отличие от рентгеновских лучей с непрерывным спектром, у этого излучения очень узкий интервал длин волн и высокая интенсивность (характеристическое излучением)
(рис. 1). Количество атомов, определяющих интенсивность характеристического излучения, очень велико, например, для рентгеновской трубки с медным анодом при напряжении 1 кВ токе 15 мА за 1 с характеристическое излучение дают 1014–1015 атомов. Эта величина вычисляется как отношение общей мощности рентгеновского излучения к энергии кванта рентгеновского излучения из К-оболочки (К-серия рентгеновского характеристического излучения). Общая мощность рентгеновского излучения при этом составляет всего 0,1% от потребляемой мощности, остальная часть теряется, в основном, за счет перехода в тепло. Вследствие высокой интенсивности и узкого интервала длин волн характеристическое рентгеновское излучение является основным типом излучения, используемым в научных исследованиях и при технологическом контроле. Одновременно с лучами К-серии генерируются лучи L и М-серий, имеющих значительно большие длины волн, но применение их ограничено. K-серия имеет две составляющие с близкими длинами волн a и b, при этом интенсивность b-составляющей в 5 раз меньше, чем a. В свою очередь a-составляющая характеризуется двумя очень близкими длинами волн, интенсивность одной из которых в 2 раза больше, чем другой. Чтобы получить излучение с одной длиной волны (монохроматическое излучение), разработаны специальные методы, использующие зависимость поглощения и дифракции рентгеновских лучей от длины волны. Увеличение атомного номера элемента связано с изменением характеристик электронных оболочек, при этом, чем больше атомный номер материала анода рентгеновской трубки, тем меньше длина волны К-серии. Наиболее широко применяются трубки с анодами из элементов с атомными номерами от 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) и длинами волн от 2,29 до 0,712 А (0,229 – 0,712 нм).

Рисунок 1 Зависимость интенсивности рентгеновского излучения от длины волны для различных материалов анодов рентгеновских трубок

Кроме рентгеновской трубки, источниками рентгеновского излучения могут быть радиоактивные изотопы, одни могут непосредственно испускать рентгеновское излучение, другие испускают электроны и α-частицы, генерирующие рентгеновское излучение при бомбардировке металлических мишеней. Интенсивность рентгеновского излучения радиоактивных источников обычно значительно меньше, чем рентгеновской трубки (за исключением радиоактивного кобальта, используемого в дефектоскопии и дающего излучение очень малой длины волны – g-излучение), они малогабаритны и не требуют электроэнергии. Синхротронное рентгеновское излучение получают в ускорителях электронов, длина волны этого излучения значительно превышает получаемую в рентгеновских трубках (мягкое рентгеновское излучение), интенсивность его на несколько порядков выше интенсивности излучения рентгеновских трубок. Есть и природные источники рентгеновского излучения. Радиоактивные примеси обнаружены во многих минералах, зарегистрировано рентгеновское излучение космических объектов, в том числе и звезд.

С открытием дифракции рентгеновских лучей в распоряжении исследователей оказался метод, позволяющий без микроскопа изучить расположение отдельных атомов и изменения этого расположения при внешних воздействиях.

Основное применение рентгеновских лучей в фундаментальной науке – структурный анализ, т.е. установление пространственного расположения отдельных атомов в кристалле. Для этого выращивают монокристаллы и проводят рентгеноанализ, изучая как расположения, так и интенсивности рефлексов. Сейчас определены структуры не только металлов, но и сложных органических веществ, в которых элементарные ячейки содержат тысячи атомов. В минералогии методом ретгеноанализа определены структуры тысяч минералов и созданы экспресс - методы анализа минерального сырья. У металлов сравнительно простая кристаллическая структура и рентгеновский метод позволяет исследовать ее изменения при различных технологических обработках и создавать физические основы новых технологий. По расположению линий на рентгенограммах определяют фазовый состав сплавов, по их ширине – число, величину и форму кристаллов, по распределению интенсивности в дифракционном конусе – ориентировку кристаллов (текстуру).

2.2 Взаимодействие рентгеновских лучей с кристаллами

При рентгенографическом исследовании материалов с кристаллической структурой анализируют интерференционные картины, возникающие в результате рассеяния рентгеновских лучей электронами, принадлежащими атомам кристаллической решетки. Атомы считаются неподвижными, их тепловые колебания не учитываются и все электроны одного и того же атом считаются сосредоточенными в одной точке – узле кристаллической решетки. Для вывода основных уравнений дифракции рентгеновских лучей в кристалле рассматривается интерференция лучей, рассеянных атомами, расположенными вдоль прямой в кристаллической решетке. На эти атомы под углом, косинус которого равен αθ, падает плоская волна монохроматического рентгеновского излучения. Законы интерференции лучей, рассеянных атомами, аналогичны существующим для дифракционной решетки, рассеивающей световое излучение в видимом диапазоне длин волн. Чтобы на большом расстоянии от атомного ряда амплитуды всех колебаний складывались, необходимо и достаточно, чтобы разность хода лучей, идущих от каждой пары соседних атомов, содержала целое число длин волн. При расстоянии между атомами, а это условие имеет вид:

α(α – α θ) = hλ

где α – косинус угла между атомным рядом и отклоненным лучом, h – целое число. Во всех направлениях, не удовлетворяющих этому уравнению, лучи не распространяются. Таким образом, рассеянные лучи образуют систему коаксиальных конусов, общей осью которых является атомный ряд. Следы конусов на плоскости, параллельной атомному ряду, – гиперболы, а на плоскости, перпендикулярной ряду, – круги.

При падении лучей под постоянным углом полихроматическое (белое) излучение разлагается в спектр лучей, отклоненных под фиксированными углами. Таким образом, атомный ряд является спектрографом для рентгеновского излучения.

Обобщение на двумерную (плоскую) атомную решетку, а затем на трехмерную объемную (пространственную) кристаллическую решетку дает еще два аналогичных уравнения, в которые входят углы падения и отражения рентгеновского излучения и расстояния между атомами по трем направлениям. Эти уравнения называются уравнениями Лауэ и лежат в основе рентгеноструктурного анализа.

2.3 Модель Вульфа-Брэгга

Простое и наглядное объяснение явления дифракции рентгеновских лучей при их прохождении через кристалл дали независимо друг от друга профессор Московского университета Ю.В. Вульф и английские физики отец и сын Брэгги. Ниже приводится вывод формулы, носящей название формулы Byльфа—Брэгга.

При выводе этой формулы рассеяние рентгеновских лучей ато­мами кристалла рассматривается как своего рода «отражение» от атомных плоскостей. Такие плоскости можно условно провести через центры атомов кристалла (атомы считают неподвижными, т. е. не участвующими в тепловых колебаниях).

Пусть на кристалл надает параллельный пучок монохромати­ческих (определенной длины волны λ) рентгеновских лучей под некоторым углом скольжения υ по отношению к атомной плоскости кристалла. Лучи параллельного пучка отражаются от атомных плоскостей под одним и тем же углом υ. Разность хода лучей и, отраженных от одной и той же плоскости равна нулю, так как D = AG - FE = 0, т. с. эти лучи находятся в одной фазе. Проникая в толщу кристалла, лучи встречают параллельные атомные плоскости под углом υ. Отраженные под этим же углом υ параллельные лучи интерферируют, т. е. усиливают или ослабляют друг друга в зависимости от разности хода D между ними

Исходя из векторного уравнения, путем простого геометрического рассмотрения D ОАС можно получить скалярное уравнение:

откуда получают

2dsinθ=nλ .

Анализ уравнения Вульфа - Брэгга

Из формулы Вульфа - Брэггов следует, что каждое семейство плоскостей кристалла может дать несколько отражений (интерференционных максимумов) под углами θ1, θ2, θ3, определяемыми условиями:

sin θ1 = l /2 dhkl; sin θ2 = 2l /2dhkl; sinθ3 = 3l /2dhkl

Каждому значению n отвечает отражение n-го порядка. Иногда удобно представить себе отражение n-го порядка от семейства плоскостей с индексами (hkl) и межплоскостным расстоянием dhkl как отражение первого порядка от плоскостей, параллельных плоскостям (hkl) и имеющих межплоскостное расстояние dhkl/n. Индексами этих плоскостей являются (nh nk nl). Плоскости с межплоскостными расстояниями d/n и соответствующими индексами (nh nk nl) не всегда являются реальными кристаллографическими плоскостями, они могут вводиться условно для исключения неизвестного параметра n с целью упрощения формулы Вульфа - Брэггов. Теперь она будет иметь вид

2(d/n) sin θ = λ

По рентгенограмме (т. е. зафиксированной дифракционной картине) можно определить углы θ для всех интерференционных максимумов. Зная длину волны падающего излучения, по формуле можно определить значения d для всех систем отражающих плоскостей. Определив специальными методами индексы (в общем случае индексы nh, nk, nl, называемые индексами интерференции и обозначаемые, соответственно, H, K, L) и подставляя d/n и H, K, L в квадратичную формулу для кристаллов определенной сингонии, можно определить линейные параметры a, b и c кристаллической решетки.

Общее число интерференционных максимумов от исследуемого вещества определяется числом семейств плоскостей (которых теоретически бесконечно много), удовлетворяющих условию Вульфа - Брэгга. Относительная интенсивность этих максимумов различна. Она тем выше, чем больше ретикулярная плотность плоскостей данного семейства (т. е. чем больше рассеивающих центров находится на единице площади отражающей плоскости), чем выше средняя рассеивающая способность атомов, заполняющих эти плоскости, и чем больше фактор повторяемости данной системы плоскостей. Фактор повторяемости определяется как количество семейств с данной ретикулярной плотностью и данным межплоскостным расстоянием (“d”), но различным образом ориентированных в кристаллографической решетке. Причем индексы Миллера таких плоскостей будут различными. Например, для кристаллов с кубической элементарной ячейкой системы плоскостей с индексами (100), (100), (010), (010), (001), (001), имеют одинаковые межплоскостные расстояния (“d”) и ретикулярные плотности.

Следовательно, при хаотическом расположении кристалликов в образце плоскости с d=“d” будет попадать в отражающее положение в 6 раз чаще, чем плоскость с индексами, например (100). Отсюда и интенсивность рассеянного (отраженного) луча будет в 6 раз выше.

2.4 Рентгеновские трубки

По принципу получения свободных электронов рентгеновские трубки делятся на трубки с горячим катодом (свободные электро­ны получают в результате термоэлектронной эмиссии) и с холод­ным катодом (свободные электроны возникают в результате авто­электронной эмиссии). Трубки обоих типов могут быть отпаянными (с постоянным вакуумом) и разборными (с переменным вакуумом). Наиболее широко используют отпаянные трубки.

Рентгеновские трубки состоят из стеклянной колбы и обычно двух электродов — катода и анода.

Рисунок 3 Схема рентгеновской трубки БСВ-2

1- катод; 2 - фокусирующий колпачок; 3- окна для выпуска рентгеновских лучей; 4 - защитный цилиндр; 5 - анод

Катод трубки состоит из нити накала и фокусирующего колпачка. Форма нити и колпачка зависит от того, какую форму фокусного пятна желательно иметь на аноде трубки - либо круглый, либо линейный фокус.

2.5 Выбор анода для исследования материала

Анод рентгеновской трубки должен удовлетворять требованиям, которые нельзя одновременно совместить с одним из материалов. Материал анода должен иметь большой атомный номер, высо­кую температуру плавления, хорошую теплопроводность, низкую упругость паров и малую химическую активность. Поэтому анод делают комбинированным: в медное тело анода впаивают зеркало из вольфрама (в случае трубок для рентгеноструктурного анали­за зеркало может быть и из других материалов). В теле анода име­ется полость, куда поступает охлаждающая жидкость. В современ­ных трубках анод делают защитного типа. На аноде ук­реплен специальный медный чехол, улавливающий отраженные электроны. Для выхода рентгеновских лучей в этом чехле имеется окошко, в которое вставляется бериллиевая пластинка.

2.6 Методы рентгеновской съёмки кристаллов

Существуют различные экспериментальные методы получения и регистрации дифракционной картины. В любом случае имеется источник рентгеновского излучения, система для выделения узкого пучка рентгеновских лучей, устройство для закрепления и ориентирования образца в пучке и приёмник рассеянного образцом излучения. Приёмником служит фотоплёнка, либо ионизационные или сцинтилляционные счётчики рентгеновских квантов. Метод регистрации с помощью счётчиков (дифрактометрический) обеспечивает значительно более высокую точность определения интенсивности регистрируемого излучения.

Основными рентгеновской съёмки кристаллов являются: метод Лауэ, метод порошка (метод дебаеграмм), метод вращения и его разновидность – метод качания и различные методы рентгенгониометра.

В методе Лауэ на монокристаллический образец падает пучок немонохроматических («белых») лучей (рис.4 а). Дифрагируют лишь те лучи, длины волн которых удовлетворяют условию Вульфа – Брэгга. Дифракционные пятна на лауграмме (рис.4 б) располагаются по эллипсам, гиперболам и прямым, обязательно проходящим через пятно от первичного пучка.

Рисунок 4а – Схема метода рентгеновской съёмки по Лауэ:

1- пучок рентгеновских лучей, падающих на монокристаллический образец; 2 – коллиматор; 3 – образец; 4 – дифрагированные лучи; 5 – плоская фотоплёнка;

4 б – типичная лауэграмма.

Важное свойство лауэграммы состоит в том, что при соответствующей ориентировке кристалла симметрия расположения этих кривых отражает симметрию кристалла. По характеру пятен на лауэграммах можно выявить внутренние напряжения и некоторые другие дефекты кристаллической структуры. Индицирование же отдельных пятен лауэграммы весьма затруднительно. Поэтому метод Лауэ применяют исключительно для нахождения нужной ориентировки кристалла и определения его элементов симметрии. Этим методом проверяют качество моно кристаллов при выборе образца для более полного структурного исследования.

В методе порошка (рис. 5.а), так же как и во всех остальных описываемых ниже методах рентгеновской съёмки, используется монохроматическое излучение. Переменным параметром является угол q падения, так как в поликристаллическом порошковом образце всегда присутствуют кристаллики любой ориентации по отношению к направлению первичного пучка.

Рисунок 5.а – схема рентгеновской съёмки по методу порошка

1 – первичный пучок; 2 – порошковый или поликристаллический образец; 3 – фотоплёнка, свёрнутая по окружности; 4 – дифракционные конусы; 5 – «дуги» на фотоплёнке, возникающие при пересечении её поверхности с дифракционными конусами;

5. б – типичная порошковая рентгенограмма (дебаеграмма).

Лучи от всех кристалликов, у которых плоскости с данным межплоскостным расстоянием d_hk1 находятся в «отражающем положении», то есть удовлетворяют условию Вульфа – Брэгга, образуют вокруг первичного луча конус с углом растра 4q. Каждому d_hk1 соответствует свой дифракционный конус. Пересечение каждого конуса дифрагированных рентгеновских лучей с полоской фотоплёнки, свёрнутой в виде цилиндра, ось которого проходит через образец, приводит к появлению на ней следов, имеющих вид дужек, расположенных симметрично относительно первичного пучка (рис.5.б). Зная расстояния между симметричными «дугами», можно вычислить соответствующие им межплоскостные расстояния d в кристалле.

Метод порошка наиболее прост и удобен с точки зрения техники эксперимента, однако единственная поставляемая им информация – выбор межплоскостных расстояний – позволяет расшифровывать самые простые структуры.

В методе вращения (рис. 6.а) переменным параметром является угол q. Съёмка производится на цилиндрическую фотоплёнку. В течение всего времени экспозиции кристалл равномерно вращается вокруг своей оси, совпадающей с каким-либо важным кристаллографическим направлением и с осью образуемого планкой цилиндра. Дифракционные лучи идут по образующим конусов, которые при пересечении с плёнкой дают линии, состоящие из пятен (так называемые слоевые линии) (рис. 6.б).

Метод вращения даёт экспериментатору более богатую информацию, чем метод порошка. По расстояниям между слоевыми линиями можно рассчитать период решётки в направлении оси вращения кристалла.

Рисунок 6.а – схема рентгеновской съёмки по методу вращения: 1 – первичный пучок; 2 – образец (вращается по стрелке); 3 – фотоплёнка цилиндрической формы; 5 б – типичная рентгенограмма вращения.

В рассматриваемом методе упрощается индицирование пятен рентгенограммы. Так если кристалл вращается вокруг оси с решётки, то все пятна на линии, проходящей через след первичного луча, имеют индексы (h,k,0), на соседних с ней слоевых линиях – соответственно (h,k,1) и (h,k,1^Ї ) и так далее. Однако и метод вращения не даёт всей возможной информации, так никогда неизвестно, при каком угле поворота кристалла вокруг оси вращения образовалось то или иное дифракционное пятно. В методе качания, который является разновидностью метода вращения, образец не совершает полного вращения, а «качается» вокруг той же оси в небольшом угловом интервале. Это облегчает индицирование пятен, так как позволяет, как бы получать рентгенограмму вращения по частям и определять с точностью до величины интервала качания, под каким углом поворота кристалла к первичному пучку возникли те или иные дифракционные пятна. Наиболее богатую информацию дают методы рентгеногониометра. Рентгеновский гониометр, прибор, с помощью которого можно одновременно регистрировать направление дифрагированных на исследуемом образце рентгеновских лучей и положение образца в момент возникновения дифракции. Один из них – метод Вайссенберга, является дальнейшим развитием метода вращения. В отличие от последнего, в рентгеногониометре Вайссенберга (рис. 7) все дифракционные конусы, кроме одного, закрываются цилиндрической ширмой, а пятна оставшегося дифракционного конуса (или, что то же, слоевой линии) «разворачиваются» на всю площадь фотоплёнки путём её возвратно-поступательного осевого перемещения синхронно с вращением кристалла. Это позволяет определить, при какой ориентации кристалла возникло каждое пятно вассенбергограммы.

Рисунок 7 Принципиальная схема рентгенгониометра Вайссенберга

1 – неподвижная ширма, пропускающая только один дифракционный конус; 2 – кристалл, поворачивающийся вокруг оси Х – Х; 3 – цилиндрическая фотоплёнка, двигающаяся поступательно вдоль оси Х – Х синхронно с вращением кристалла 2; 4 – дифракционный конус, пропущенный ширмой; 5 – первичный пучок.

Существуют и другие методы съёмки, в которых применяется одновременное синхронное движение образца и фотоплёнки. Важнейшими из них являются метод фотографирования обратной решётки и прецессионный метод Бюргера. Во всех этих методах использована фотографическая регистрация дифракционной картины. В рентгеновском дифрактометре можно непосредственно измерять интенсивность дифракционных отражений с помощью пропорциональных, сцинтилляционных и других счётчиков рентгеновских квантов.

2.7 Подготовка образца для исследования на рентгеновском аппарате

В методе PCА поликристаллов используют плоский препарат. Это может быть

- порошок, нанесенный на плоскость держателя;

- таблетка, спрессованная из порошка;

- срез массивного поликристаллического агрегата, например, металла (шлиф).

В дифрактометрии поликристаллов используется плоский образец. Обычно это порошок, тем или иным способом нанесенный на плоскую поверхность, либо таблетка, спрессованная из порошка, либо срез массивного поликристалла. Оптимальный размер частиц в образце должен быть порядка 10 мкм (10-5 см- 10-3 см). Один из способов приготовления образца для исследования: стеклянную круглую пластинку, меньшую по диаметру 25 мм, слегка смазывают вазелином. На вазелин. На вазелин равномерным слоем насыпают порошок исследуемого материала. На порошок накладывает пластинку и, слегка покачивая ее и постепенно увеличивая давление, разравнивают порошок и прессуют его. Полученный препарат крепят в стеклянной кювете на пластилине и придавливают сверху стеклянной пластинкой для того, чтобы поверхность образца оказалась параллельной краю кюветы. Кювету устанавливают в держатель гониометра и, если гониометр хорошо отюстирован поверхность образца совмещается с плоскостью фокусировки. Поверхность образца должна быть строго параллельна каемке кюветы. Плоский образец может быть произвольной формы, но размером не менее 8x8 мм. должен вписываться в окружность диаметром 25 мм, толщина образца не должна превышать 10 мм. После приготовления образца путем механической обработки производят стравливание наклепанного слоя на глубину 0,15 - 0,2 мм химическим травлением.

Если образец плоский, то его прикрепляют минимальным количеством пластилина по центру кюветы. Для совмещения поверхности образца с плоскостью фокусировки рентгеновской трубки кювету с образцом привинчивают к держателю, находящемуся на гониометрическом устройстве. Вращение образца приводит к увеличению эффективного объема, участвующие в формировании дифракционной картины и уменьшению влияния текстура.

2.8 Схема устройства типа ДРОН

Среди рентгеновских дифрактометров общего назначения наиболее типичным является ДРОН-2,0, который мы рассмотрим подробнее. Дифрактометр ДРОН-2,0 (рис.8) предназначен для выполнения широкого круга рентгеноструктурных исследований монокристаллов и поликристаллов различных материалов. Применение специальных приставок делает возможным проведение исследований с охватом области углов, начиная с 12 ; в температурных интервалах от +20 до +2000⁰ С и от +20 до –180⁰ С.

Рисунок 8 Принципиальная схема дифрактометра типа ДРОН

1 - стабилизатор напряжения; 2- высоковольтный источник питания; 3- рентгеновская трубка; 4 - образец; - гониометр; 6 - счетчик; 7- блок питания счетчика; 8 - усилитель амплитуды импульсов от счетчика; 9- амплитудный дискриминатор; 10 - нормализатор импульсов; 11 - пересчетное устройство; 12 -ЭВМ; 13- ЦПУ; 14 - перфоратор; 15 - измеритель скорости счета (интенсиметр); 16 - электронный самопишущий потенциометр; 17 - блок автоматического управления (в приборах без управления от ЭВМ).

Защита оператора от рентгеновского излучения состоит из свинцового стекла и металлических подвижных секторов, расположенных перпендикулярно оси гониометра. По периметру этих секторов закреплены шторки из просвинцованной резины.

Рисунок 9 Ход лучей в гониометре с фокусировкой по Брэггу - Брентано.

Гониометрические устройства современных дифрактометров общего назначения комплектуются, различными приставками и приспособлениями, позволяющими проводить на данных установках разнообразные, исследования. Наряду с фазовым анализом эти устройства позволяют проводить исследование монокристаллов, текстур, изучение объекта при высоких и низких температурах, регистрировать отражения в малоугловой области.

В дифрактометрах применяется фокусировка от плоского образца по методу Брэгга-Брентано (рис.9), допускающая вращение образца в собственной плоскости. Источник излучения F и щель S детектора располагаются на окружности R, в центре которой находится плоский образец. При фокусировке плоскость образца касается фокусирующей окружности. Фокус трубки Детектор образца при q =0 устанавливают вдоль первичного пучка. При изменении положения детектора образец поворачивается на угол q , в два раза меньший угла поворота детектора. Связь 1:2 между валами держателя образца и детектора осуществляется с помощью зубчатой передачи. Источник излучения, лежащий на фокусирующей окружности, - проекция фокуса трубки. Расходимость первичного пучка в горизонтальной плоскости ограничивается установкой сменных щелей различной ширины S 1, S 2, S 3 , в вертикальной плоскости – щелями Соллера, устанавливаемыми между S 1 и S 2 и S 3 и детектором. Все детали, определяющие геометрию съемки, а также держатель образца и детектор устанавливают на гониометрическом устройстве. Держатель образца и детектор приводят в движение синхронным электродвигателем для регистрации рентгенограммы при помощи самописца. Скорость вращения образца и счетчика устанавливают с помощью редуктора. Для синхронизации лентопротяжного устройства с вращением образца и счетчика по схеме q -2q через заданные угловые интервалы из гониометра на самописец подаются сигналы (штрихи-отметки). Держатель образца вставляют в специальную приставку, за счет которой во время записи рентгенограммы образец может вращаться относительно нормали к отражающей плоскости.

Интенсивность рентгеновских лучей, попадающих в детектор, измеряется скоростью счета импульсов n =N t , где N - число импульсов, зарегистрированных за время t . Погрешность измерения тем меньше, чем выше интенсивность отражений или больше время измерения. Мерой искажения профиля пиков служит произведение RCz: RC - постоянная времени регистрирующего прибора, z - скорость съемки. Получение точных значений углов 2q и максимально возможной светосилы достигается тщательной юстировкой прибора.

2.9 Типы структур металлов

Структура - это характеристика металла, зависящая от методов изучения его строения. Выделяют следующие типы структур:

- кристаллическая структура;

- субструктура;

- микроструктура;

- макроструктура.

Кристаллическая структура

Металлы представляют собой кристаллы с трехмерной периодичностью. Основой кристаллической структуры является трехмерная решетка, в пространстве которой располагаются атомы. В зависимости от характера расположения атомов в кристаллической решетке структуры чистых металлов разделяются на ряд типов.

Субструктура

В реальном металле кристаллическая структура множество дефектов, которые в значительной от степени определяют его свойства. Совокупность дефектов решетки и их пространственное распределение в кристалле называется субструктурой. Здесь кристаллы могут образовывать более крупные фрагменты – кристаллиты, блоки, зерна, фрагменты, полигоны.

Размер субмикрозерна: 1010см

Рисунок 10 Типы кристаллической структуры:

а - простая кубическая; б - объемно центрированная кубическая; в- гранецентрированная кубическая; г - гексагонально-плотноупакованная.

Микроструктура - это структура, определяемая с помощью металлографических микроскопов. Этот анализ позволяет определить наличие, количество и форму структурных составляющих сплава.

Размер субзерна: 1010см.

Макроструктура - это структура, которая определяется невооруженным глазом или при небольших увеличениях. С помощью макроанализа можно определить трещины, неметаллические включения, примеси и др.

Размер зерна: 1010см.

Физическое состояние характеризуется числом и концентрацией фаз, распределением фаз по поверхностному слою, объемом сплава и др.

Исследование физического состояния осуществляется экспериментальными методами физики твердого тела: дифракционными и микроскопическими.

Химический состав характеризуется элементным составом сплава и фаз, концентрацией элементов в объеме фаз, в объеме сплава и др.

Исследования химического состава поверхностного слоя позволяют оценить адсорбцию из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ, диффузионные процессы, процессы окисления и другие, происходящие при обработке металлов.

Механическое состояние металла определяется параметрами: сопротивления деформированию: предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, твердость и др.; пластичности: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость и другие, устанавливаемые специальными испытаниями образцов.

Например, в процессе пластической деформации, которая всегда сопровождает механическую обработку, все характеристики механического состояния поверхностного слоя изменяются: показатели сопротивления деформированию увеличиваются, а показатели пластичности уменьшаются. Это явление называют деформационным упрочнением.

В инженерной практике деформационное упрочнение поверхностного слоя определяют измерением твердости Н или микротвердости. Для этого твердость определяют на поверхности металла и внутри металла (при помощи послойного травления). В результате устанавливают толщину упрочненного слоя hH и степень деформационного упрочнения :

,

где: Н_обр и Н_иск - соответственно твердость (микротвердость) металла после и до обработки.

Атомные плоскости могут также приводить к увеличению направленности в движении частицы, если на своем пути, определяемом непрерывным потенциалом, частица испытывает много столкновений с атомами. Простейшая кристаллическая ячейка – кубическая. Для кубической решетки существуют три основных типа плоскостей (рис. 10). В кристаллографии их обозначают (100), (110) и (111).

Рисунок 11 Основные типы плоскостей

В кубической решетке существуют три основных типа плоскостей, которые в кристаллографии обозначают как (100), (110) и (111).

Если угол между импульсом частицы и кристаллической плоскостью мал, то частица взаимодействует сразу со многими атомами кристаллической решетки и потенциал поля отдельных атомов может быть заменен усредненным непрерывным потенциалом U(y), зависящим только от расстояния от кристаллических плоскостей.

2.10 Фильтрование рентгеновских лучей. α и β-компоненты излучения. Разделение компонент на дифрактограмме

Для съёмки дифрактограммы нужно правильно выбрать материал анода. При этом необходимо обеспечить следующие условия: Фазовый анализ требует использования монохроматического излучения. К - серия рентгеновского спектра состоит из двух линий: дублета Кα1α2 и Кβ. Излучение, соответствующее Кα1α2, примерно в пять раз сильнее излучения с длиной волны Кβ. Рентгеновские лучи с этой длиной волны мешают анализу, поэтому их отфильтровывают. Для этой цели достаточно поставить фильтр - тонкую фольгу из вещества, содержащего элемент или состоящего целиком из элемента, порядковый номер которого на единицу, а для тяжелых анодов на две, меньше порядкового номера атомов вещества анода. Излучение с длиной волны Кα1α2 легко пройдет через этот фильтр. Лучи же с длиной волны Кβ выйдут из фильтра ослабленными во много раз. Это связано с тем, что при таком соотношений порядковых номеров вещества анода и фильтра скачок коэффициента поглощения μ лучей в веществе фильтра лежит как раз между рефлексами, соответствующими длинам волн Кα1α2 и Кβ излучения анода. Например, для излучения медного анода фильтром может служить никелевая фольга толщиной 0.007 мм. Несмотря на наличие фильтра Кβ рентгеновское излучение трубки не является строго монохроматичным. Наряду с Кα - излучением всегда присутствует излучение со сплошным спектром, дающее на дифрактограмме фон. Интенсивность фона наиболее велика в малых углах 2θ я уменьшается с углом 2θ до его значения, равного 90⁰ . В больших углах фон от сплошного рентгеновского спектр может возрасти. Поскольку дифрактограму записывают в широком интервале углов, перо самописца и стрелка регистрирующего прибора могут уйти та пределы диаграммной ленты и шкалы. Чтобы этого не произошло, предварительно вручную выводят счетчик на минимум фона при 28, равном 90⁰ (не не дифракционный пик), устанавливают линию фона несколько выше нижнего края ленты и возвращает счётчик в исходное положение.

Хорошую дифрактограмму (без фона и Кβ-рефлексов) можно получить, если использовать кристалл-монохроматор, который устанавливается либо между фокусом рентгеновской трубки и образцом (на первичном пучке), либо между образцом и счётчиком (на вторичном пучке). В качестве кристаллов-монохроматоров используются тонкие пластинки, вырезанные из кристаллов кварца или графита так, что их поверхность параллельна кристаллографическим плоскостям кристалла с межплоскостным расстоянием dm.

3 Рентгенофазовый анализ

Рентгеновские исследования проводились на рентгеновском аппарате ДРОН-2.0 в FeKα- излучении при ускоряющем напряжении Uα= 20кв, силе тока Iα=20мА, скорость вращения счетчика - 20/мин.

Расшифровка дифрактограммы

На дифрактограммах представлены интерференционные пики, которые являются отражением рентгеновских лучей от определённых атомных плоскостей кристалла. Так как излучение было не отфильтровано, то на дифрактограмме фиксировались линии α - и β- излучения рентгеновской трубки.

Согласно уравнения Вульфа-Брегга 2dsinθ=nλ определялись межплоскостные расстояния d/n.

d/n=λ/2sinθ,

где d/n - межплоскостное расстояние между атомными плоскостями, λ - длина волы рентгеновского излучения, θ— угол отражения рентгеновских лучей в градусах.

На дифрактограмме фиксируются углы отражения 2θ (в градусах). Через каждый двойной угол отражения 2θ прибор фиксирует вертикальную метку. Таким образом, можно для каждого интерференционного пика определить угол отражения 2θ с точностью до 0,10.

Так как рентгеновская трубка испускает 2 вида излучения:(α - и β-), необходимо найти эту пару линий, зафиксировать их и далее проводить расшифровку вещества только используя Kα- излучение.

Kα — излучение приблизительно в 5 раз сильнее Кβ - излучения. Конкретизировать α - и β- линий можно, пользуясь, уравнением Вульфа-Брегга

для α - и β-излучения:

2d sin θ α = n λ α

2d sin θ β = n λ β

откуда, sin θ α/ sin θ β= λ α/ λ β≈ 1,1.

Таким образом, межплоскостное расстояние очень интенсивной линии умножаем на коэффициент 1,1 и, если полученное значение совпадает с межплоскостным расстоянием более слабой интерференционной линией (с учетом, что Iα = 5I β), тогда мы самой интенсивной линии приписываем значение как Кα- линия, а слабой К_β - линия.

Так как К_α и К_β -линии являются отражением рентгеновских лучей от одного и того же семейства атомных плоскостей кристалла, мы будем использовать К_α - линии, а К_β - интерференционные линии, как слабые линии, не принимаем во внимание.

Таблица 3 Данные расшифровки дифрактограммы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований структуры стали 14ХН3МА методом рентгеноструктурного анализа выявлены:

- интерференционные линии 110, 200, 211, характерные для объёмноцентрированной кубической решеткой, но так как сталь содержит 0,14% углерода – это мартенситная сталь, имеющая ОЦТ (объёмноцентрированную тетрагональную решётку). Т.к. углерода очень мало, то тетрагональность не разрешается. Так как присутствуют пики с указанными индексами, то это α - Fe, т.е. феррит или мартенсит с малым процентным содержанием углерода. Смещение при этом интерференционных пиков при этом не разрешается.

Возможности, заложенные в физических свойствах рентгеновских лучей, несмотря на 105-летнюю историю их изучения и использования, до сих пор полностью не реализованы. Это видно, например, из интенсивного развития в последние три десятилетия рентгеновской оптики. С учетом существенно различных характеристик лучей в областях жесткого (длины волн 0,01-1 нм), мягкого (1-30 нм) и ультрамягкого (30-100 нм) излучений созданы и продолжают создаваться прецизионные методы исследования разнородных веществ, высокие технологии изготовления рентгенооптических элементов и уникальных промышленных рентгеновских приборов и устройств.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Уманский Я.С. и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия - М:, Металлургия, 1982, 632с.

2. Русаков А.А. Рентгенография металлов - М:, Атомиздат, 1977, 480 с.

3. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ, 2002

4. http://www.lib.grsu.by/library/data/resources/catalog/70066.pdf

5. http://femto.com.ua/articles/part_2/3424.html