Исследование методом цветного избирательного окисления

Одна из областей применения методов высокотемпературной металлографии — цветное избирательное окисление.

С этой целью образец подвергают высокотемпературному нагреву в вакууме, благодаря чему на его полированной поверхности выявляется структура при интересующих исследователя условиях. Характерные ее виды были рассмотрены выше. После снижения температуры образца до 600—500 °C в вакуумную камеру вводят определенные количества кислорода или воздуха (содержание кислорода в воздухе составляет около 23%). В результате взаимодействия кислорода с поверхностью образца возникает окисная пленка. Толщина этой пленки, образующейся в различных участках-поверхности образца, зависит от химической активности локальных участков зерен и их границ, т. е. более толстая пленка возникает в зонах повышенной активности и меньшей толщины — в зонах меньшей химической активности.

Окисные пленки, толщина которых не превышает 100—120 А, под оптическим микроскопом оказываются прозрачными и бесцветными. Однако по мере дальнейшего увеличения толщины пленки окислов отдельные участки зерен «окрашиваются» в различные цвета, так как в пленках происходит интерференция световых лучей, иллюстрируемая на схеме, представленной на рис. 164. Цифрами I и II обозначены два зерна, каждое из которых состоит из отдельных участков (например, двойников 2 и 4, сопрягающихся с объемами зерен 1 и 3). Различие в кристаллографической ориентации этих зон вызывает образование окисной пленки разной толщины (на поверхности двойников толщина пленки может быть больше или меньше, чем в соседних участках, что определяется ориентацией плоскости данного участка ,на поверхности зерен). Эта пленка изображена в виде отмеченного пунктиром слоя. На границе зерен показан более толстый слой пленки, так как зоны границ, как правило, имеют повышенную химическую активность, вызываемую концентрацией в них примесей, а также неизбежным нарушением правильности решетки в зоне сопряжения зерен и наличием различных несовершенств. Сплошными линиями на рис. 164 изображены падающие световые лучи белого света, а пунктирными показаны отраженные лучи. Благодаря интерференции, вызывающей появление двух лучей: одного из наружной поверхности пленки, а второго — от ее внутренней поверхности, при отражении от наружной поверхности возникает один луч, а при отражении от внутренней поверхности пленки образуется второй луч. Разность хода этих лучей изменяет фазу световых колебаний и вызывает интерференцию света. При этом колебания с частотой, соответствующей длине волны, определяемой разностью хода лучей в пленке, усиливаются. В результате этого явления пленки, обладающие различной толщиной, вызывают отражение из подаваемого на них белого света колебаний с волнами разной длины, что приводит при рассматривании такой поверхности в оптический микроскоп к возникновению цветной картины. Цвет того или иного участка зависит от толщины окисной пленки и от показателя преломления материала пленки. /При этом различие в окраске дает возможность оценивать интенсивность развития процесса окисления отдельных зерен и их участков, обладающих различной кристаллографической ориентацией. Последние могут быть определены, например, рентгенографическим методом, а также путем химического травления.

Первые опыты по цветному избирательному окислению были выполнены под руководством акад. Н.Т. Гудцова, а затем работы в этом направлении продолжены автором. В последние годы исследования в этой области осуществлялись автором совместно с Е.И. Антиповой; некоторые результаты проведенных опытов сообщаются ниже.

Для проведения опытов была использована установка, схема устройства которой приведена на рис. 59. Для исследования были взяты образцы углеродистых сталей 20 и 45, технического железа, никеля и других материалов. Изучаемые образцы нагревали в вакууме около 1*10в-5 мм рт. ст. до 1000—1200 °C и выдерживали при заданной температуре от 10 до 30 мин. При этом выявлялось строение материала (границы зерен, двойники, особенности внутризеренного микрорельефа). Затем температуру образца снижали до 550—500 °С. и в рабочую камеру вводили воздух при помощи дозирующего устройства. Каждая «доза» вводимого воздуха, составлявшая по объему около 3 см3, вызывала селективное окисление отдельных участков на поверхности образца. Подачу воздуха в некоторых случаях повторяли несколько раз, чтобы получить достаточно четкую картину цветного «окрашивания».

В тех случаях, когда ставилась задача только выявления степени неоднородности структуры, а также определения по однородности окраски кристаллографической ориентации отдельных зерен и двойников, фотографирование осуществлялось после завершения процесса окисления и получения цветной картины. С этой целью использовали микрофотонасадку типа МФН-2, позволявшую производить съемку на плоскую трехслойную пленку для цветной фотографии, помещаемую в кассеты размером 9х12 см, или микрофотонасадку типа МФН-3 с камерой типа «Зоркий»; при ее помощи производили съемку на кинопленку для цветной фотографии шириной 35 мм (с размером кадра 24х36 мм).

Чтобы получить серии снимков с одного и того же участка образца на отдельных этапах окисления, что позволяло бы фиксировать отдельные стадии процесса развивающейся локальной коррозии, производили повторное фотографирование, регистрируя при этом количество вводимого кислорода и продолжительность опыта.

На рис. 165 приведены четыре микрофотографии, снятые с поверхности образцов стали 20 после избирательного окисления путем введения при 500 °C пяти «доз» воздуха (около 15 см3) (рис. 165,а) и трех доз воздуха (около 9 см3) за ~2 мин. (рис. 165,б). Предварительно образец выдерживали при 1100 °C в течение 20 мин. Некоторые двойники, видимые на поверхности отдельных зерен, окрашены примерно так же, как и тело всего зерна (например, отмеченные стрелками на рис. 165,а). В то же время многие другие двойники, а также целые зерна покрыты пленкой иной толщины, что свидетельствует о другой кристаллографической ориентации. В указанном стрелкой на рис. 164,б зерне выявлены четыре различно окрашенные зоны.

Цветные микрофотографии поверхности образцов чистого никеля марки Нэкстра, выдержанных в вакууме в течение 25 мин. при 1150°, а затем охлажденных до 500 °C и подвергнутых избирательному окислению, показаны на рис. 165, в и г. Для получения картины цветного окрашивания структуры было введено 24 см3 воздуха (8 доз) на 3 мин. (рис. 165,е) и 18 см3 воздуха (6 доз) на 3 мин. (рис. 165,г). На микрофотографиях можно заметить значительно более резкое различие в химической активности отдельных зерен (свидетельствующее об иной кристаллографической ориентации) в никеле, чем в стали 20 (см. рис. 165,а и б). Например, отмеченные стрелками на рис. 165,в участки остались светлыми, а другие зоны в поле наблюдения окрашены в разные цвета, характеризующие образование окисных пленок различной толщины. На поверхности образца никеля, показанной на рис. 165, г, имеются преимущественно желтые и коричневые тона, при которых толщина пленки окислов изменяется примерно в три раза. Резко различная окраска отдельных двойников свидетельствует о значительном изменении химической активности в этих микрообластях.

Субструктура внутри зерен никеля марки Нэкстра, выявленная в результате избирательного окисления, показана на рис. 166, а и б. С этой целью в рабочую камеру (объемом около 4000 см3) вводили 15 см3 воздуха при 480 °C в течение 2 мин., причем этому предшествовала выдержка образца в вакууме при 1200 °C в течение 20 мин. На участках, отмеченных стрелками, внутри зерен видно их тонкое кристаллическое строение, которое не удается обнаружить при прямом наблюдении в микроскоп, а также обычными методами химического травления.

Кинетика развития отдельных стадий коррозии при окислении образца никеля иллюстрируется рис. 167. Приведенная на рис. 167 серия микрофотографий, снятых с одного и того же участка на поверхности образца, позволяет проследить характер изменения окраски отдельных зерен. Путем рентгенографирования данного образца Ю.А. Скаков определил кристаллографическую ориентацию зерен 1 и 2:(111) и (100) соответственно. Первое из них обладало меньшей химической активностью, о чем можно судить по характеру изменения окраски данного зерна и зерна 2.