Методы металлографического анализа металлов

Цель работы: изучить методы металлографического анализа металлов и сплавов; оценить назначение и возможности каждого из методов (что можно увидеть и как оценить качество металла при изучении каждым из рассматриваемых методов).

Оснащение рабочего места

1. Три-пять комплектов изломов разных материалов.

2. Три-пять комплектов макрошлифов.

3. Металломикроскопы – 3 шт.

4. Шлифовальный станок для изготовления шлифов – 2 шт. (четыре рабочих места);

5. Материалы, необходимые для изготовления микрошлифов (шлифовальная шкурка зернистостью 80…40, 25…10, 8…М5, паста ГОИ, проточная вода, спирт, 5% раствор азотной кислоты в спирте, фетр, бархат или тонкое сукно, керосин).

6. Плакаты «Макроанализ металлов», «Принципиальные оптические схемы металломикроскопов».

Основные положения

В данной лабораторной работе изучаются следующие методы металлографического анализа:

1. Фрактография

2. Макроанализ

3. Микроанализ

Фрактография - это изучение излома детали невооруженным глазом или с небольшим увеличением (до х 20).

На изломе можно увидеть крупные дефекты структуры (газовые пузыри, шлаковые включения, крупнозернистое строение, неравномерность величины зерен); поверхностную или местную термообработку; вид и характер нагрузки на деталь, приведшие к ее разрушению; надежность материала разрушенной детали; возможную причину разрушения.

Различают следующее строение твердых материалов: кристаллическое, аморфное, смешанное (редко).

Металлы дают следующие виды изломов (см. плакат): хрупкий (зернистый, блестящий, ровный); вязкий (волокнистый, с выступами, зерна не видны); смешанный. Вязкие материалы надежны, поэтому чем больше доля вязкого разрушения в общей поверхности излома, тем надежнее материал.

Задание студенту: рассмотреть предложенные изломы образцов и деталей и охарактеризовать их в письменном отчёте.

Содержание письменного отчета: записать суть и цель фрактографии; охарактеризовать рассмотренные на образцах изломы по табл.1(см. также плакат «Макроанализ металлов»).

Таблица 1

Материал и название образца или детали	Строение материала (кристаллическое или аморфное). Вид излома (блестящий, гладкий, зернистый, волокнистый, белый, матовый, чёрный …). Характер излома (хрупкий, вязкий, смешанный). Вид нагрузки на деталь (можно определить только по детали).
Стекло	Аморфный, гладкий, блестящий, хрупкий.
Прокат круглый (сталь перегретая)	Крупнокристаллический, блестящий, хрупкий
Вал шлицевой стальной	Кристаллический, волокнистый, матовый, виден рост трещины (ступени) на 2/3 поверхности излома. Трещина блестящая, гладкая, излом (на 1/3 поверхности излома) вязкий (волокна), нагрузка переменная (ступени на трещине от перегрузки), вид нагрузки – кручение, т.к. излом под 45º, скорее всего это вал транспортной машины

Макроанализ – это изучение структуры металлов на специально подготовленных микрошлифах невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до х 20). Видимое при этом строение металлов называется макроструктурой.

Макрошлиф - образец или деталь с плоской шлифованной поверхностью, подвергнутый травлению раствором кислоты, щелочи или специальными реактивами с целью выявления макроструктуры металла.

На макрошлифах видны волокна в поковках и штамповках («течение» металла при ковке и штамповке); крупные дефекты (усадочная рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины); неравномерность и неоднородность строения, вызванные местной термообработкой, химической неоднородностью, наплавкой, сваркой.

Задание студенту: рассмотреть предложенные макрошлифы (деталь или образцы, вырезанные из деталей) и охарактеризовать их в письменном отчёте.

Содержание письменного отчета: записать суть и цель макроанализа; охарактеризовать рассмотренные макрошлифы по табл.2.

МИКРОАНАЛИЗ – это изучение структуры металлов, видимой под микроскопом, на специально подготовленных микрошлифах.

Используются металломикроскопы оптические, с увеличением 100…1000...1500 раз и электронные с увеличением 50000...100000 - 500000 раз. Более «мелкую» структуру (субструктуру) изучают с увеличением более 500000 раз. Так, в США имеется микроскоп с увеличением 5,6 и 7,1 млн. раз (видно расположение атомов), в России - 3,6 млн. раз, в Японии – 3,5 млн раз.

Таблица 2

Рисунок (схема) детали или образца. Название детали и её материала	Описание макроструктуры
Сегмент режущего аппарата косилки (нож) СТАЛЬ	Темная полоса вдоль режущего лезвия местная закалка режущей части с нагревом токами высокой частоты (закалка ТВЧ)
Колесо зубчатое СТАЛЬ	Поверхность зубьев на глубину подвергнута насыщению каким-либо элементом (что изменило химсостав, цвет, строение поверхности) или подвергнута поверхностной закалке ТВЧ

Микрошлифом называется специально подготовленный с полированной травленной плоскостью образец, вырезанный из детали или заготовки.

Технология изготовления микрошлифа

1. Получение плоской поверхности на шлифе (станок, ножовка, пила, напильник);

2. Черновое шлифование (шлифшкурка 80…10);

3. Чистовое шлифование (шлифшкурка 8…М5);

4. Полирование (шлифовальный станок, круг с фетром, бархатом или тонким сукном, паста ГОИ и керосин);

5. Промывка (вода, спирт);

6. Сушка (фильтрованная бумага);

7) Травление – погружение в реактив (5% р-р HNО₃ в спирте) на 5-10 с;

7. Промывка (вода, спирт );

8. Сушка (фильтровальная бумага, воздух).

Схема и принцип работы оптических металломикроскопов видны на плакате «Принципиальные оптические схемы металломикроскопов», где видно, что в объектив (глаз) попадает отраженный от плоскости микрошлифа луч света.

Видимое в микроскоп строение металла называется микроструктурой. По ней можно судить о величине, форме, равномерности расположения зерен различной окраски. Цвет зерен свидетельствует о химсоставе, строении и свойствах. Можно видеть мелкие дефекты строения (наличие неметаллических включений, трещин, газовых пузырей). Все вместе это позволяет оценить качество и надежность материала.

Задание студенту: ознакомиться с оборудованием, материалами и технологией изготовления микрошлифов; рассмотреть в микроскоп:

шлифованный,

полированный,

полированный и травленный кислотой шлифы и зарисовать видимую картинку.

Шлифы

Шлифованный Полированный Полированный и трав-

ленный раствором кисло-

ты

Рисунок 1 – Микроструктура шлифов

Содержание письменного отчета

Записать суть и цель микроанализа, технологию изготовления микрошлифа и описать картинку, видимую в микроскоп на рассмотренных шлифах (рядом с картинкой шлифов - вынесением позиций).

Контрольные вопросы

1. Суть и цель фрактографии, макро- и микроанализа.

2. Виды изломов, оценка надежности металла по излому.

3. Что называют макро- и микрошлифом? Расскажите технологию изготовления микрошлифа, укажите необходимые материалы.

4. В чем отличие оптических металломикроскопов от биологических ?

5. Что можно увидеть, оценить и рассказать, рассматривая поверхность излома, макро- и микрошлифа?

6. Металлография – это наука о чем (что изучает)?

Литература

1. Арзамасов В.Н. и др. Материаловедение: М.: Машиностроение, 1986.

2. Лахтин Ю.М. и др. Металловедение. М.: Машиностроение, 1990.

Лабораторная работа №3