Конспект лабораторных работ по курсу «Рентгеновский микроанализ»
Лабораторная работа № 1. Анализ состава неметаллических включений в изломах 89
Лабораторная работа № 2. Анализ толщины и состава покрытия материала 92
Лабораторная работа № 3. Анализ химического состава ювелирных изделий 95
Лабораторная работа № 4. Анализ распределения элементов в челябинском метеорите 99
Лабораторная работа № 5. Исследование состава монет московского монетного двора 104
Лабораторная работа № 1. Анализ состава неметаллических включений в изломах
Цель работы: с помощью растрового электронного микроскопа с ЭДС–приставкой определить состав неметаллических включений в изломах.
Теоретический материал
Неметаллические включения в сталях (изломах сталей) – включения, наблюдаемые в структуре затвердевшего металла и представляющие собой главным образомоксидные, сульфидные и нитридные соединения с элементами, присутствующими в металле, либо с элементами, входящими в состав формы, с которой соприкасается жидкий металл.
Неметаллические включения в стали, являясь в большинстве своем весьма хрупкими и непрочными, могут понизить механические свойства стали. Крупные включения иногда служат началом образования трещин, в особенности при работе деталей в условиях знакопеременных напряжений или в случае больших термических напряжений.
Неметаллические включения в стали способствуют также неравномерному распределению структурных составляющих. Работами последних лет доказано, что и шиферное строение в изломе стали, приводящее к сильной анизотропии свойств, связано со значительным загрязнением металла неметаллическими включениями. Эти включения нарушают сплошность и действуют как концентраторы напряжений. Вредное влияние особенно сказывается при повторных нагревах и охлаждениях, когда они становятся очагами зарождения трещин.
По условиям возникновения и попадания в сталь неметаллические включения разделяются на 4 группы:
1) продукты раскисления жидкого металла (закись марганца, глинозем, окись титана, а при плохом раскислении – закись железа, окислы хрома и др.). Эти оксиды могут находиться в комплексных соединениях как между собой, так и со шлакообразующими материалами;
2) частицы огнеупорных материалов как следствие разъедания жидким металлом футеровки печи, желоба, ковша, прибыльных надставок и т. п.;
3) частицы шлака (Fe0–AlSi02 илиFeO–CaO и др.) и сульфидных соединений (FeS, MnS), захваченные жидким металлом при выпуске из печи;
4) продукты реакций, протекающих при диффузии различных газов в металле (нитриды алюминия или титана).
Влияние неметаллических включений в стали на изменение механических и иных свойств зависит от температуры плавления и способности к смачиванию зерен основного металла, а также от общего количества неметаллических включений. Если неметаллические включения в сталях не смачивают зерна основного металла или являются по своей природе тугоплавкими, то они имеют округлую форму и располагаются чаще всего внутри зерен; они ухудшают механические свойства стали незначительно. Если же неметаллические включения в стали являются легкоплавкими и вместе с тем обладают способностью к смачиванию зерен основного металла, то перед затвердеванием они распределяются по границам зерен и образуют хрупкие пленки; в этом случае происходит значительное ухудшение механические свойств стали.
Вопросы для допуска к лабораторной работе
Что такое излом?
Что такое неметаллические включения?
Какие условия возникновения НВ в сталях?
В каких областях излома могут наблюдаться неметаллические включения?
Какая роль неметаллических включений в сталях?
Сценарий лабораторной работы
Включить РЭМ
Установить образец
Определить тип и химический состав неметаллических включений в изломе, предложенном преподавателем.
Извлечь образец
Выключить РЭМ
Составить отчет по работе
Контрольные вопросы
Опишите подготовку изломов для исследования в РЭМ.
Опишите порядок определения состава НВ в изломах с помощью РЭМ.
Как влияют НВ на свойства исследуемых Вами сталей?
Опишите особенности РСМА при определении состава НВ
Какой минимальный размер НВ можно исследовать методом РСМА?
Пример результатов исследования.
Рисунок 1 – Неметаллическое включение – оксид титана в изломе стали
Лабораторная работа № 2. Анализ толщины и состава покрытия материала
Цель работы: с помощью растрового электронного микроскопа с ЭДС–приставкой определить толщину покрытия, а также различие в химическом составе покрытия и состава основного материала
Теоретический материал
Защитные покрытия металлов делятся на металлические (чистые металлы и их сплавы) и неметаллические. В зависимости от потенциала металла покрытия могут быть анодными и катодными по отношению к защитному металлу. Вследствие смещения потенциала анодные покрытия уменьшают или полностью устраняют коррозию основного металла в порах покрытия, т. е. оказывают электрохимическую защиту, в то время как катодные покрытия могут усиливать коррозию основного металла в порах, однако ими часто пользуются, т. к. они повышают физико–механические свойства металла, например износостойкость, твёрдость. Но при этом требуются значительно большие толщины покрытий, а в ряде случаев дополнительная защита.
Металлические покрытия разделяются также по способу их получения. Широко распространены, особенно в машиностроении, гальванические покрытия, химические методы осаждения металлов путём их восстановления из водных растворов солей горячий способ нанесения покрытий из расплавов цинка, олова и алюминия. Последний осуществляется главным образом в металлургии на автоматических линиях высокой производительности для горячего цинкования, лужения, алюминирования. Близко к этому методу защиты – термодиффузионное поверхностное легирование сталей хромом, алюминием, кремнием, цинком с целью повышения жаро– и коррозионной стойкости в агрессивных средах. К термодиффузионным процессам относят также азотирование. Получает применение осаждение гальванических покрытий из расплавленных солей, при этом совмещается катодное осаждение металлов с термодиффузионными процессами, что позволяет получить покрытия с высокими защитными и адгезионными свойствами.
Широко распространено плакирование – термомеханический метод нанесения тонких слоев коррозионностойкого металла. Весьма удобны для крупногабаритных изделий и сооружений металлизационного покрытия. Для нанесения тугоплавких металлов применяют плазменное напыление, а также осаждение из газовой фазы. Используется вакуумная металлизация изделий путём конденсации паров металла в вакууме на защищаемую металлическую поверхность. Таким методом могут осаждаться различной толщины слои алюминия, кадмия и других металлов.
Вопросы для допуска к лабораторной работе
1. Что Вы знаете о покрытиях?
2. Как подготовить образец для анализа покрытия?
3. Как обнаружить наличие покрытия на образце в РЭМ?
4. Как оценить толщину покрытия? Какая минимальная обнаруживаемая толщина?
5. Как определить состав покрытия с помощью МРСА?
Сценарий лабораторной работы
1. Включить РЭМ
2. Установить образец
3. Найти покрытие на поверхности образца, наблюдая образец в различных сигналах
4. Определить толщину покрытия
5. Определить состав образца и состав покрытия
6. Построить профиль изменения состава от края к центру образца
7. Извлечь образец
8. Выключить РЭМ
9. Составить отчет по работе
Контрольные вопросы
1. Опишите порядок пробоподготовки образцов для анализа покрытий
2. Опишите порядок микрозондового анализа покрытия в стали толщиной 50 мкм
3. Опишите порядок построения профилей состава при анализе покрытий
4. Какое время накопления профиля состава при анализе металлических материалов?
Пример результатов исследования.
Рисунок 1 – Ni–Al покрытие на поверхности стали толщиной 7 мм
Лабораторная работа № 3. Анализ химического состава ювелирных изделий
Цель работы: с помощью растрового электронного микроскопа с ЭДС–приставкой определить состав ювелирных изделий, предлагаемых в розничной торговле
Теоретический материал
Ювелирное изделие– изделие из драгоценных металлов и камней (кольцо, серьги,браслет, колье, брошь, настольные украшения и пр.). Основной характеристикой ювелирных изделий является наличие пробы металла.
В соответствии с действующим законодательством России к ювелирным изделиям относятся изделия, изготовленные из драгоценных металлов и их сплавов, с использованием различных видов художественной обработки, со вставками из драгоценных, полудрагоценных, поделочных, цветных камней и других материалов природного или искусственного происхождения или без них, применяемые в качестве различных украшений, предметов быта, предметов культа и/или для декоративных целей, выполнения различных ритуалов и обрядов, а также памятные, юбилейные и другие знаки и медали, кроме наград, статус которых определен в соответствии с законами Российской Федерации и указами Президента Российской Федерации, и памятных монет, прошедших эмиссию.
Проба благородных металлов – определение различными аналитическими методами пропорции, весового содержания основного благородного металла (золота, серебра, платины и др.) в пробируемом сплаве; используется для последующего клеймления, нормативно фиксирующего полученные в результате анализов данные– пропорцию благородного металла при изготовлении ювелирных изделий, монет и др.
Само клеймо и определённое при пробировании содержание основного благородного металла также именуются пробой.
По действующему в РФ законодательству все промышленно выпускаемые сплавы содержащие более 30% по весу благородного металла должны быть подвергнуты пробированию и соответствующим образом заклеймлены. К настоящему времени для всех благородных металлов установлена дискретная линейка возможных их содержаний в сплавах (проб).
Основой метрической системы проб является количество миллиграммов основного благородного металла в 1 грамме (или грамм в килограмме) пробируемого сплава. Значение пробы можно рассматривать также как количество весовых частей (долей) основного благородного металла на 1000 весовых частей (долей) пробируемого сплава.
Линейка стандартных дискретных значений долей, в основном, была установлена путём пересчёта долей каратной системы проб.
В СССР с 1927 года, на территории Российской Федерации и стран СНГ принята метрическая система проб. Для благородных металлов в России установлены следующие пробы:
золото – 375, 500, 585, 750, 958, 999
серебро– 800, 830, 875, 925, 960, 999
платина– 850, 900, 950
палладий– 500, 850
Вопросы для допуска к лабораторной работе
1. Какие элементы входят в состав ювелирных изделий?
2. Что такое проба?
3. Как подготовить изделие для анализа в РЭМ?
4. Как выбрать анализируемую область? Какая площадь оптимальна?
5. Как определить состав ювелирных изделий с помощью МРСА?
Сценарий лабораторной работы
1. Включить РЭМ
2. Отобрать изделия, очистить их от грязи
3. Установить и закрепить изделия в держателе
4. Получить изображение анализируемой области изделия
5. Определить состав ювелирных изделий в нескольких областях
6. Извлечь изделия
7. Выключить РЭМ
8. Составить отчет по работе
Контрольные вопросы
1. Опишите порядок пробоподготовки ювелирных изделий для анализа химического состава
2. Опишите порядок микрозондового анализа изделий различного размера
3. Какие отличия по содержанию между «красным», «желтым» и «белым» золотом?
Пример результатов исследования.
Рисунок 1 – Ювелирное украшение цепочка из золота 583 пробы
Рисунок 2 – Ювелирное украшение со вставками марказита
Лабораторная работа № 4. Анализ распределения элементов в челябинском метеорите
Цель работы: с помощью растрового электронного микроскопа с ЭДС–приставкой оценить средний состав и распределение элементов по сечению челябинского метеорита.
Теоретический материал
Метеорит–тело космического происхождения, упавшее на поверхность крупного небесного объекта.
Большинство найденных метеоритов имеют вес от нескольких граммов до нескольких килограммов. Крупнейший из найденных метеоритов–Гоба (вес которого, по подсчетам, составлял около 60 тонн). Полагают, что в сутки на Землю падает 5–6 тонн метеоритов, или 2 тысячи тонн в год.
Классификация метеоритов по составу: каменные, хондриты, углистые хондриты, обыкновенные хондриты, энстатитовые хондриты, ахондриты, железо–каменные, палласиты, мезосидериты, железные.
Наиболее часто встречаются каменные метеориты (92,8% падений). Они состоят в основном из силикатов: оливинов (Fe, Mg)2[SiO4] (от фаялита Fe2[SiO4] до форстерита Mg2[SiO4]) и пироксенов (Fe, Mg)2Si2O6 (от ферросилита Fe2Si2O6 до энстатита Mg2Si2O6).
Подавляющее большинство каменных метеоритов (92,3 % каменных, 85,7 % общего числа падений)– хондриты. Хондритами они называются, поскольку содержат хондры– сферические или эллиптические образования преимущественно силикатного состава. Большинство хондр имеет размер не более 1мм в диаметре, но некоторые могут достигать и нескольких миллиметров. Хондры находятся в обломочной или мелкокристаллической матрице, причём нередко матрица отличается от хондр не столько по составу, сколько по кристаллическому строению. Состав хондритов практически полностью повторяет химический состав Солнца, за исключением лёгких газов, таких как водород и гелий. Поэтому считается, что хондриты образовались непосредственно из протопланетного облака, окружающего Солнце, путём конденсации вещества и аккреции пыли с промежуточным нагреванием.
Ахондриты составляют 7,3% каменных метеоритов. Это обломки протопланетных (и планетных?) тел, прошедшие плавление и дифференциацию по составу (на металлы и силикаты).
Железные метеориты состоят из железо–никелевого сплава. Они составляют 5,7% падений.
Железо–силикатные метеориты имеют промежуточный состав между каменными и железными метеоритами. Они сравнительно редки (1,5% падений).
Ахондриты, железные и железо–силикатные метеориты относят к дифференцированным метеоритам. Они предположительно состоят из вещества, прошедшего дифференцировку в составе астероидов или других планетных тел. Раньше считалось, что все дифференцированные метеориты образовались в результате разрыва одного или нескольких крупных тел, например планеты Фаэтона. Однако анализ состава разных метеоритов показал, что с большей вероятностью они образовались из обломков многих крупных астероидов.
Ранее выделяли ещё тектиты, куски кремнистого стекла ударного происхождения. Но позже оказалось, что тектиты образуются при ударе метеорита о горную породу, богатую кремнеземом.
Вопросы для допуска к лабораторной работе
Что такое метеорит?
Какие метеориты бывают по составу?
Как подготовить метеорит для анализа химического состава в РЭМ?
Как построить карту распределения элементов в многофазном материале?
Как определить посторонние примеси, найденные в процессе анализа?
Сценарий лабораторной работы
Включить РЭМ
Подготовить образец метеорита для микроанализа
Установить и закрепить образец в держателе
Получить изображение анализируемой области образца
Определить средний состав образца в нескольких областях
Построить карту распределения элементов в исследуемых областях
Извлечь образец
Выключить РЭМ
Составить отчет по работе
Контрольные вопросы
Опишите порядок микрозондового анализа материала метеорита
Какие элементы были обнаружены в метеорите в результате лабораторной работы?
Как распределены элементы в структуре метеорита?
К какому типу принадлежит исследованный метеорит?
Пример результатов исследования.
На следующей серии рисунков показаны фотографии микроструктуры челябинского метеорита: электронно-микроскопическое изображение в обратно-отраженных электронах («Электронное изображение 1», контраст COMPO) и изображения картирования в т.н. «рентгеновский контрасте» поэлементно: кислород, алюминий, кремний, сера, калий, кальций, титан, ванадий, хром, марганец и железо, соответственно.
Рисунок 1– Результаты исследования Челябинского метеорита
Лабораторная работа № 5. Исследование состава монет московского монетного двора
Цель работы: с помощью растрового электронного микроскопа с ЭДС–приставкой определить состав монет московского монетного двора различного достоинства
Теоретический материал
Монета (лат. moneta)–денежный знак, изготовленный из металла либо другого материала определённой формы, веса и достоинства. Кроме полноценных монет выпускаются разменные, коллекционные, памятные и инвестиционные монеты. Чаще всего монеты изготавливаются из металла методом чеканки и имеют форму правильного круга.
Основной монетной формой является монетный кружок, но монеты могут быть четырёхугольными, многоугольными, неправильной формы.
Почти каждая монета имеет лицевую сторону, или аверс, и оборотную сторону, или реверс. Исключение составляют односторонние монеты, в том числе брактеаты (монеты из тонкой серебряной пластинки XII–XV веков). Но их по сравнению с огромной массой двусторонних монет немного.
В определении понятий лицевой и оборотной сторон монет нет единства. В старой нумизматической литературе лицевая сторона– с изображением правителя. Сейчас принято при практической работе лицевой стороной монеты считать ту, которая своим изображением или легендой определяет её государственную принадлежность. Если об этом говорят и изображение, и легенда, то при определении сторон предпочтение отдаётся легенде.
Каждая монета имеет гурт – боковую или, как иногда говорят, образующую поверхность монетного кружка, расположенную между плоскостями лицевой и оборотной сторон. Гурт оформлялся для того, чтобы предупредить злонамеренное обрезывание ценного металла в обращении.
На русских монетах с конца XV века изображался Московский герб или герб Российской империи, а на советских денежных знаках – герб СССР.
В современной России на монетах изображается эмблема центробанка РФ, похожая на герб Временного правительства 1917 года, (художник И. Я. Билибин). Дело в том, что в 1992 и 1993 году новый герб России был только в разработке и на монетах стал изображаться один из проектных вариантов. Уже позже этот герб стал эмблемой Центробанка.
В результате деноминации российского рубля с 1 января 1998 года в России была реанимирована копейка как 1/100 его часть. Новые копейки имеют разные номиналы и вес. Но на всех, как и в 1535 году, имеется изображение всадника с копьём. Рисунок Георгия на реверсе практически идентичен изображению на новгородской иконе XV века «Чудо Георгия о змие». Под левым передним копытом коня на монетах проставлены буквы «М» или «С–П», обозначающие завод–изготовитель.
В данное время производство 1– и 5–копеечных монет обходится дороже их номинальной стоимости, поэтому многие предлагают вообще перестать чеканить монеты этого номинала. По данным Левада–Центра, 91 % опрошенных высказываются против присутствия в наличном денежном обороте копейки, против пяти копеек– 83 %. В 2010 году выпуск монет номиналом 1 и 5 копеек был прекращен.
Материал современных монет – никель, латуни и биметаллы (стали, плакированные сплавами томпак, мельхиором ).
Вопросы для допуска к лабораторной работе
1. Что такое монета?
2. Какие элементы присутствуют на сторонах монеты?
3. Какие монеты обращаются в современной России?
4. Как очистить поверхность монет от загрязнений?
5. Каков порядок исследования химического состава монет?
Сценарий лабораторной работы
1. Включить РЭМ
2. Очистить поверхность монет для микроанализа
3. Установить и закрепить монеты в держателе
4. Получить изображение анализируемой области монет
5. Определить химический состав монет в нескольких областях
6. Извлечь монеты
7. Выключить РЭМ
8. Составить отчет по работе
Контрольные вопросы
1. Монеты какого состава имеют обращение в современной России?
2. Опишите порядок проведения микроанализа монет
3. Содержанием каких элементов определяется цвет монет?
4. Какие покрытия могут быть нанесены на поверхность монет для продления срока ее использования?
Пример результатов исследования.
Рисунок 1 – Химический состав монеты номиналом 1 рубль.
