Измерение микротвердости является основным
методом определения механических характеристик поверхностного слоя. Микротвердость исследуют методом вдавливания алмазной
пирамиды на приборах ПМТ-3 и ПМТ-5. Наиболее удобно исследовать глубину
поверхностного слоя и изменение его микротвердости по
мере удаления от поверхности по микрошлифу, выполненному в виде косого среза
под углом 0°30'—2°.
Основными методами определения остаточных макронапряжений являются
механические и рентгеновские. Различают механические методы: расчетные и
экспериментальные (неразрушающие и разрушающие). Расчетные методы позволяют
теоретически рассчитать эпюру остаточных напряжений на основании данных о
механических свойствах обрабатываемого материала, форме и размерах детали и
условиях силового и термического нагружения.
Экспериментальные неразрушающие методы, основываясь на изменении размеров деталей
в результате воздействия остаточных напряжений, позволяют определить их величину;
деталь в этом случае не разрушается.
Остаточные напряжения широко исследуют, используя экспериментальные
разрушающие методы Н. Н. Давиденкова, Г. Закса и др. Напряжения определяют расчетом по деформации
образца после снятия с него напряженного слоя.
Рентгеновский метод целесообразно применять для оценки величины и
знака напряжений в деталях малых размеров и сложной формы, для которых
механические методы применять трудно, а также для исследования тонких слоев.
Этот метод основан на измерении межатомных расстояний в напряженном и ненапряженном
металле. Деформацию кристаллической решетки измеряют по дифракционным линиям,
которые характеризуются смещением их относительно аналогичных линий у ненапряженного
материала, а также шириной и интенсивностью.
Перспективным является метод определения остаточных напряжений по
изменению электромагнитных свойств поверхностного слоя, который позволяет
определять остаточные макронапряжения в тонком поверхностном слое без
разрушения. Однако для построения полной эпюры напряжений требуется послойное
стравливание металла.
Перспективен метод бесконтактного неразрушающего исследования
деформаций детали для определения остаточных напряжений методом
голографической интерферометрии. Он пригоден для исследования деталей простой и
сложной формы, позволяя обнаруживать области повышенной концентрации остаточных
напряжений.
Поляризационно-оптический метод изучения остаточных напряжений в
деталях из металлов и их сплавов в этом случае заменяют исследованием модели
прозрачных и полупрозрачных оптически активных материалов (эпоксидных смол,
стекла, плексигласа, целлулоида и др.), обеспечив в ней геометрическое,
тепловое и механическое подобие.
Микронапряжения и статические искажения кристаллической решетки 3-го
рода (напряжения 3-го рода) определяют только с помощью методов рентгеноструктурного
анализа — по уширению интерференционных линий на рентгенограммах и дифрактограммах.
Наиболее распространенным оптическим методом исследования поверхности
является оптическая микроскопия полированных металлических поверхностей. С
помощью металлографических микроскопов проводят металлографический анализ
поверхностей для определения фазового состава, количественного содержания
фаз, формы и размеров структурных составляющих. Применяя оптическую микроскопию,
определяют также плотность дислокаций с использованием травления. Для металлографического
анализа используют микроскопы МИМ-7, МИМ-8.
Электронную микроскопию применяют для изучения кристаллографии и
дефектов структуры. Изображение можно получить в проходящих лучах
(просвечивающая электронная микроскопия) и в отраженных.
Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) позволяют получить
разрешение до 10–9м (10А). Для исследования поверхности с нее
необходимо снимать тонкие, прозрачные для электронов реплики (отпечатки).
Отражательные электронные микроскопы работают по принципу сканирования
(«ощупывания») исследуемой поверхности электронным лучом, имеющим развертку по
двум взаимно перпендикулярным направлениям (растровые электронные микроскопы —
РЭМ). Изображение в РЭМе получается на экране
электронно-лучевой трубки и может быть сфотографировано. Диаметр электронного
пучка не превышает 10–8 м (100 А), что позволяет исследовать малые
участки поверхности.
Основное преимущество электронных микроскопов по сравнению с оптическими заключается в сочетании большого увеличения (до
100000× у РЭМ и 500000× у ПЭМ) с большой
глубиной резкости (порядка единиц и десятков микрометров). Это позволяет при
большом увеличении детали одновременно наблюдать поверхности, находящиеся на
разных высотах, и получить наглядное «объемное» изображение структуры
поверхности.
Для получения информации о процессах деформации, фазовых переходах,
разрушении и других используют энергетический спектр экзоэлектронов.
Эмиссия электронов, т. е. вылет электронов с поверхности металла, может быть
вызвана различными причинами. Низкотемпературную эмиссию электронов различной
природы объединяет «экзоэлектронная эмиссия». К этому
же методу относится метод анализа состояния поверхности с помощью измерения
работы выхода электронов. Работа выхода чувствительна к фазовым превращениям,
изменению напряженного состояния.
