Практическое занятие 9
«Макроструктурный метод исследования металлов (макроанализ)"
Цель работы:
§ Изучить методы исследования строения металлов.
Оборудование: фотографии макроструктур.
Теоретические основы.
Макроскопический анализ (макроанализ) – это изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или с помощью небольших увеличений (до 30х).
Макроанализ позволяет:
1) судить о качестве металла путем внешнего осмотра изделия с целью установить на его поверхности различные несплошности (трещины, литейные поры, усадочные раковины и т.д.);
2) выявить особенности строения металла в слитке после его затвердевания;
3) установить способ производства изделия на машиностроительном предприятии, т.е. выявить процесс формообразования этого изделия (обработка давлением, сварка, резание).
Макроанализ наиболее простой и доступный метод исследования, т. к. для его проведения не требуется специального оборудования. Вместе с тем, этот метод достаточно информативен, т.к. позволяет наблюдать одновременно большую поверхность заготовки (детали).
Макроанализ не позволяет определить всех особенностей строения, поэтому он часто является не окончательным, а лишь предварительным видом исследования. По данным макроанализа можно выбрать те участки изучаемой детали, которые надо подвергнуть дальнейшему, более подробному микроскопическому исследованию.
Макростроение можно изучать не только непосредственно на поверхности металла, но и в изломе заготовки (детали), а также после предварительной подготовки исследуемой поверхности, заключающейся в её шлифовании и травлении специальными реактивами. Шлифованный и протравленный образец называют макрошлифом.
Приготовление макрошлифа.
Место и способ вырезки образца. Образец для макроанализа вырезают в определенном месте и в определенной плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию – отливку, поковку, штамповку, прокат, сварную или термически обработанную деталь и что требуется выявить и изучить – первичную кристаллизацию, дефекты, нарушающие сплошность металла, неоднородность структуры. В связи с этим образцы вырезают из одного или нескольких мест слитка, заготовки или детали как в продольном, так и в поперечном направлении. Получение плоской поверхности образца. Поверхность образца для макроанализа обрабатывают на фрезерном или строгальном станке (если материал с невысокой твердостью) или на плоскошлифовальном станке (если материал твердый). Для получения более гладкой поверхности образец шлифуют вручную. При шлифовании по поверхности образца водят шлифовальной шкуркой, обернутой вокруг деревянного бруска. Шлифование начинают шкуркой с наиболее грубым абразивным зерном, затем постепенно переходят на шлифование шкуркой с более мелким зерном. При переходе с одного номера шкурки на другой направление шлифования меняют на 90 градусов. После шлифования образцы обезжиривают и подвергают травлению химическими реактивами (растворами кислот и щелочей), которые выбирают в зависимости от состава сплава и цели исследования. Травление большинством реактивов осуществляют погружением в них образцов. Реактив активно взаимодействует с участками, где имеются дефекты или неметаллические включения, протравливает их сильнее. Поверхность макрошлифа получается рельефной. Протравленный макрошлиф промывают водой, обрабатывают спиртом и высушивают для предотвращения коррозии.
Таким образом, в макроанализе можно выделить три основных приема изучения строения металлов и сплавов:
1. осмотр поверхности
2. анализ изломов
3. изучение макрошлифов.
В качестве примера проведем макроанализ излома чугунного слитка.
Рис. 1 Строение чугунного слитка в изломе (схема)
1 - зона мелких равноосных кристаллов;
2 - зона столбчатых кристаллов;
3 - зона крупных равноосных кристаллов
При рассмотрении излома можно выделить три характерные зоны его строения, схематично показанные на рис.1.
Неоднородное строение слитка объясняется неодинаковой скоростью его охлаждения по сечению в процессе затвердевания. При заливке чугуна в форму те объемы жидкой фазы, которые соприкасаются с холодными стенками литейной формы, остывают наиболее быстро.
В соответствии с законом кристаллизации Таммана в этих объемах жидкой фазы за единицу времени образуется большое число центров кристаллизации и зерно получается мелким (зона 1).
В ходе дальнейшей кристаллизации слитка отвод тепла осуществляется по направлению от центра слитка к его периферии, а значит, в этом направлении будет обеспечена наибольшая скорость роста образующихся центров кристаллизации. Таким образом, возникают зерна вытянутой формы (зона 2).
Выявление дефектов, нарушающих сплошность металла.
Для выявления в стали дефектов, нарушающих сплошность металла (трещин, пор, раковин), проводится глубокое травление отшлифованного образца водным раствором соляной кислоты (50 мл НСl, 50 мл воды).
Работу необходимо выполнять следующим образом:
1. Отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной спиртом.
2. В водяную баню, установленную в вытяжном шкафу (так как при травлении выделяются ядовитые газы), поместить фарфоровую ванну, влить в неѐ реактив и нагреть до температуры 60–70 °С.
3. Образец при помощи щипцов погрузить в горячий реактив и выдержать в нем 10–45 мин.
4. После выдержки образец при помощи щипцов вынуть из реактива.
5. Образец промыть водой, затем 10–15 %-м водным раствором азотной кислоты и просушить.
При глубоком травлении раствором кислоты высокой концентрации происходит растравливание дефектов, нарушающих сплошность металла – они становятся видимыми невооруженным глазом (рис. 2):
Рис. 2. Усадочная раковина.
Изучение изломов.
Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия, выявляются при изучении изломов. Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разрушения металлов. Изломы металлов могут существенно отличаться по цвету. Так, стали и белые чугуны, в которых весь углерод связан в цементите, имеют излом светло-серого цвета. У графитизированных сталей и чугунов, в которых углерод находится преимущественно в виде графита, излом черного цвета. На поверхности изломов можно видеть дефекты, которые способствовали разрушению. В зависимости от состава, строения металла, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изделий изломы могут иметь вязкий, хрупкий или усталостный характер. Вязкий (волокнистый) излом (рис. 3, а) имеет бугристо- сглаженный рельеф и свидетельствует о значительной пластической деформации, предшествующей разрушению. По виду вязкого излома нельзя судить о форме и размерах зерен металла. Хрупкий (кристаллический) излом (рис. 3, б) характеризуется наличием на поверхности плоских блестящих участков (фасеток). Так как разрушение протекает без заметной пластической деформации и форма зерна не искажается, то на хрупком изломе видны исходная форма и размер зерен металла.
При этом разрушение может происходить через зерна (транскристаллический излом) либо по границам зерен (интеркристаллический, или межкристаллический, излом). Разрушение по границам зерен имеет место при наличии на границах неметаллических включений (фосфиды, сульфиды, оксиды) или других выделений, ослабляющих прочность границ зерна. Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как происходит чаще всего при напряжениях ниже предела текучести материала. Его возникновению способствуют наличие поверхностных дефектов, конструкционные просчеты (резкое изменение сечения, толстостенность деталей), низкая температура и ударные нагрузки при работе, крупнозернистость металла, выделение по границам зерен хрупких фаз, межзеренная коррозия.
Рис. 3. Изломы стали: а – вязкий; б – хрупкий, х400
Усталостный излом (рис. 4) образуется в результате длительного воздействия на металл циклических напряжений и деформаций. Излом состоит из трех зон: зарождения трещины, собственно усталостного распространения трещины и долома. Механизм усталостного разрушения следующий: усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты. Первая зона плоская и гладкая. Увеличиваясь при работе детали, трещина образует зону собственного усталостного распространения с характерными концентрическими бороздками или дугами и мелкозернистым, фарфоровидным изломом. Зачастую она имеет отдельные участки гладкой притертой поверхности. Долом происходит внезапно, когда ослабленное трещиной сечение детали не способно выдержать прикладываемой механической нагрузки. Долом бывает вязким или хрупким.
Рис. 4. Усталостный излом штока компрессора
Порядок выполнения работы:
1. Ознакомиться с теоретическими основами.
2. Ответить на контрольные вопросы, оформить отчет.
4. Сдать работу преподавателю.
Требования к отчету:
Отчет должен содержать:
Ø Номер практического занятия
Ø Название практического занятия
Ø Цель работы
Ø Выполнение Задания 1
Ø Ответы на контрольные вопросы
Ø Вывод
Задание 1. Изобразите схему макроструктуры чугунного слитка.
Контрольные вопросы:
1.Что такое макроструктура металлов?
2. Что можно установить с помощью макроанализа?
3. Что такое макрошлиф?
4. Как подготовить образец для макроанализа?
5. Опишите, как выявляют дефекты, нарушающие сплошность металла?
6. Что называют изломом?
7. Какие изломы бывают? Охарактеризуйте их.
Рекомендуемая литература:
https://portal.tpu.ru/SHARED/f/FEDOSEEV123/Educationalwork/Tab/Macro.pdf