Материальное оснащение работы.
1. Оборудование:
- Металлографический микроскоп МИМ-7;
- Бинокулярный микроскоп НБС.
2. Приспособление и инструмент:
- Шлифовальные шкурки.
3. Образцы:
- набор макро- и микрошлифов.
4. Технические средства обучения:
- Альбом «Металлографический анализ металлов и сплавов» А.П.Ништа, Ижевск, ИжГТУ, 1990, 90с.
Краткие сведения о металлографическом анализе.
В материаловедении используют разнообразные методы исследования и испытаний, необходимые для получения достаточно полной в надежной информации о свойствах металлов и полимеров и об измененииих в зависимости от химического состава, структуры и обработки. Среди многочисленных методов исследования важную роль играют структурные методы изучения
металлов и прежде всего металлографический анализ, который позволяет выявить структуру металла и сплавов. Главное преимущество его заключается втом, что между структурой металла я его свойствами в большинстве случаев существует достаточно надежная качественная зависимость. Это позволяет по данным металлографического анализа не только указать в каком направлении изменяются механические, физические и химические свойства при тех или иных изменениях в структуре, но и объяснить причины этих различий в свойствах. Более того, по данным металлографического анализа возможно указывать пути наиболее эффективного улучшения структуры, а следовательно, и свойств ипрогнозировать эксплуатационные свойства. Металлографический анализ включает изучение макроструктуры (макроанализ) и микроструктуры (микроанализ).
Макроструктура - это строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (30-40 раз).
Микроструктура - это строение металла, или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью оптических или электронных микроскопов.
Металлографический анализ нашел широкое применение в промышленности при разработке технологии литья, ковки, штамповки, сварки, при разработке новых сплавов и новых совершенных методов обработки, для получения более высоких свойств существующих сплавов, для контроля качества металлической продукции, а также для установления причин аварии в случае эксплуатационных разрушений и повреждений. Методы исследования макро- и микроструктуры освещены в литературе [1,2,3].
Макроструктурный анализ.
Макроанализ заключается в определении строения металла путем просмотра его поверхности невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30-40 раз) с использованием лупы или бинокулярных микроскопов (МБС).
Макростроение изучают непосредственно на поверхности металла (например, отливок, поковок), в изломе, а также после предварительной подготовки исследуемой поверхности, заключающейся в ее шлифовании и травлении специальными реактивами. Шлифованный и протравленный образец называют макрошлифом. Существует два оновных вида макроанализа: макроанализ излома металла и макроанализ шлифов.
Макроанализ изломов металла
Область материаловедения, изучающая изломы, называется фрактографией и рассматривается в специальной литературе [4,5,6].
Непосредственно по виду излома можно установитьхарактерразрушения металлического изделия, которое может быть хрупким, вязким, смешанным (хрупкое и вязкое) и усталостным.
Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в хрупком изломе можно видеть форму и размеры зерен металла,так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются. При этом излом может происходить как по границам зерен (межкристаллический), так и по зернам металла (транскристаллический).
Хрупкий излом иногда называют нафталинистым. В этом случае разрушение обычно носит транскристаллический характер, излом обладает избирательным блеском в связи с упорядоченным кристаллографическим строением отдельных областей поверхности кристалла.
Хрупкий излом может называться камневидным, в этом случае разрушение обычно бывает полностью или частично межкристаллическим, а металл имеет крупнозернистое строение.
Хрупкий излом называют дендритным, если разрушение литого металла проходит по границам сопряженных дендритных кристаллов.
С практической точки зрения хрупкое разрушение гораздо важнее чем вязкое. Это наиболее опасный вид разрушения, идущий катастрофически быстро и под действием сравнительно низких напряжений.
Вязкий излом имеет волокнистое строение. Формы и размеры зерен металла при вязком изломе сильно искажены, так как разрушение в этом случае сопровождается значительной пластической деформацией. Главной особенностью вязкого разрушения является медленное развитие трещины и высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины трещины. Поэтому вязкое разрушение - наименее опасный вид разрушения.
Усталостный излом, возникающий в процессе работы изделий при знакопеременных нагрузках, имеет две зоны. Одна из них соответствует развитию усталостной трещины (появившейся в результате эксплуатации изделия) и имеет характерный гладкий (иногда блестящий) вид. На поверхности этой зоны часто видны концентрические контуры фронта распространения трещины, которые сходятся в очаге разрушения. Этих очагов может быть несколько, особенно в области малоцикловой усталости и, как правило, при коррозионной усталости.
Вторая зона - зона долома, возникает в результате быстрого окончательного разрушения за один или несколько последних циклов. Она может иметь либо хрупкое, либо вязкое, либо смешанное строение в зависимости от условий испытания.
Анализ строения позволяет более полно охарактеризовать поведение металла при разрушении. По характеру поведения металла при разрушении различают изломы:
1. Кристаллический (или зернистый) (блестящий с фасетками), он наблюдается при хрупком разрушении металлов пониженной вязкости, в том числе закаленных с значительным перегревом. По хрупкому излому можно судить о величине зерна металла. В большинстве случаев крупнозернистый излом отвечает более низким механическим свойствам, чем мелкозернистый. По вязкому можно судить о том, как произошло разрушение, по зерну - транскристаллический излом или по границе зерна - межкристаллический излом. Обычно хрупкий излом - блестящий.
2. Волокнистый (или матовый). такой излом наблюдается при вязком разрушении, которому предшествует значительная пластическая деформация. Зерна в этом случае деформированы и излом не характеризует действительную величину зерна.
3. Смешанный - зернистый в одних участках и волокнистый в других. Этот излом характерен, например, для неполного прокаливания стали и стали, разрушенной в переходном температурном интервале между верхним а нижним порогами хладноломкости.
4. Флокенный излом с своеобразными белыми пятнами свидетельствует о наличии в металле внутренних трещин, связанных с присутствием в стали водорода.
Изучают изломы и выявляют их закономерности с различныхточек зрения, зависящих в основном от задач, которые ставит перед собой исследователь, приступая к анализу излома. Излом изучают, во-первых, для оценки металлургического качества металла. Такой дефект обработки, как перегрев, оценивают в конструкционных материалах по наличию камневидного, а в быстрорежущих сталях нафталинистого изломов; рыхлоты плены достаточно надежно выявляются в изломах литейных материалов и т.п. Определение температурного интервала хладноломкости или отпускной хрупкости тоже можно отнести к области изучения изломов в связи с качеством и составом материала.
Анализ изломов позволяет широко контролировать качество технологии термической и химикотермической обработки и позволяет выявить; формы и размер зерна; глубину закаленного слоя; глубину диффузионного слоя; глубину обезуглероженного слоя и т.д.
Фрактографию применяют также пря изучении механизма и кинетики разрушения. В этом случае излом, в первую очередь, связывают с условиями нагружения и параметрами процесса разрушения: характером напряженнодеформированного состояния, скоростью распространения трещины, видом и схемой приложения нагрузки и т.п.
Учитывая влияние внешних факторов нагружения на строение изломов, следует также принимать во внимание состояние и свойства материала. Особенно целесообразно исследование изломов для установления связи структуры материала с его особенностью тормозить разрушение; широко проведенное исследование, обязательно включающее анализ изломов, дает непосредственную информацию о том, какие структурные составляющие ускоряют или тормозят трещину, что является микроочагами разрушения и что практически не оказывает влияния на разрушение. Это важнейшее направление фрактографических исследований служит основной металловедческой задаче - созданию материалов с высокой прочностью и надежностью.
Для проведения исследований, направленных на установление связи микроструктуры со свойствами металла целесообразно использовать оптические и электронные микроскопы, о которых пойдетречьв разделе "Микроструктурный метод исследования".
Макроанализ макрошлифов
Место и направление вырезки образцов из изделия и их число зависят от целей макроанализа. Для контроля металла слитков, отливок, катаных и кованых заготовок образцы (пробы) вырезают в направлении, перпендикулярном продольной оси; их называют темплетами.
При изучении строения слитка, при макроанализе сварных швов образцы макрошлифов вырезают в продольном направлении (параллельно продольной оси). Требования по контролю макроструктуры кованой и катаной углеродистой, легированной и высоколегированной стали в прутках и заготовках даны в ГОСТ 10243 (СТСЭВ 2837). Поверхность нарезанного образца обрабатывают на металлорежущих станках. Обработанная поверхность тщательно зачищается шлифовальной бумагой. Эту операцию производят последовательно различными номерами шлифовальной бумаги марки М12+3с зернистостью от 125 до 20 мкм и бумаги марки М-40+У-5 микронной зернистостью от 28 до 3,5 мкм до полного удаления рисок. При переходе от одного номера зернистости к другому необходимо темплет очищать и поворачивать на 90° с целью уничтожения рисок, образующихся при предыдущем шлифовании. После шлифования поверхность промывают проточной водой, просушивают и подвергают травлению химическими реактивами для выявления макроструктуры. Состав реактивов выбирают в зависимости от состава сплавов и целей исследования [7] (рис.1а. Эскиз макроструктуры слитка).