Раздел 2. Техника и средства подготовки сталей и сплавов

к исследованиям

Вырезка образца из исследуемого металла. Детали или образцы небольших размеров и веса после подготовки поверхности можно непосредственно установить на столике микроскопа. Если же размеры или вес детали (образца) значительны или трудно получить на детали плоскую поверхность, необходимо вырезать из детали специальную пробу, часто называемую темплетом. Особое значение для результатов исследования имеет выбор места, из которого надо вырезать образец, и выбор той поверхности, по которой надо приготовить микрошлиф. Этот выбор зависит от цели исследования и формы детали. Микроструктуру литых металлов и сплавов (в фасонных отливках) проверяют в различных сечениях отливки — от самых больших до минимальных, так как такие участки обычно охлаждаются с различной скоростью, а структура многих литейных сплавов, например чугуна или бронзы, зависит от скорости охлаждения. Кроме того, в этих случаях важно определить направление, по которому следует изготовить микрошлиф. Часто плоскость, на которой производят изучение микроструктуры, выбирают перпендикулярно поверх­ности отвода тепла, с тем, чтобы можно было определить структуру в периферийных и срединных слоях металла. Для изучения микроструктуры слитка вырезают несколько образцов (темплетов) таким образом, чтобы можно было определить изменение структуры по ряду поперечных сечений.

При исследовании влияния пластической деформации место вырезки образца лучше определить по данным макроанализа, когда выявлены направление течения металла и наиболее характерные участки детали.

Если изделие подвергалось ковке или штамповке, важно изучить участки, где, например, имело место наиболее сложная гибка или большая вытяжка, а также объемы металла, на которые не распространялась деформация. Во всех этих случаях необходимо исследовать микроструктуру главным образом в нап­равлении течения металла, а иногда также и в перпендикулярном направлении. Из крупных деталей целесооб­разно вырезать несколько образцов в разных участках, что позволит характеризовать однородность строения металла, из которого изготовлено данное изделие.

Структуру сплавов, прошедших термическую обработку, проверяют как в поверхностных, так и в более глубоких слоях детали, в соответствии с чем и изготовляют образцы для микроанализа. При оценке свойств сплавов, находящихся в неравновесном состоянии, необходимо, наряду с микроанализом, использовать и другие методы исследования и, прежде всего, измерение твердости.

При исследовании причин разрушения различных деталей в процессе эксплуатации образцы для анализа вырезают вблизи места разрушения и в отдалении от него, чтобы можно было определить наличие каких-либо отклонений в строении металла. Кроме того, изучают структуру в продольном и поперечном направлениях.

Подготовка образца. При принятии решения об ориентации плоскости сечения для микроанализа полезно определить главные оси детали, чтобы плоскость сечения проходила вдоль одной из главных осей. Даже в самых простых слу­чаях желательно сделать два сечения, например, перпендикулярно и парал­лельно оси симметрии детали. В случае прокатанного металлического листа желательно изучить сечения, перпендикулярные всем трем главным направ­лениям: вдоль направления прокатки, поперечного направления и «по толщине». В крупных литых деталях микроструктура изменяется из-за раз­личной скорости охлаждения и фазового выпадения примесей. Микрострук­тура литой детали в области, затвердевшей первой, может сильно отличать­ся от области, которая затвердела последней.

Если сечение проводится перпендикулярно главной оси детали, важно определить второе главное направление (например, направление прокатки). Отметим, что при разрезании и установке образца часто путают структурно различные направления. Поэтому важно при подготовке образцов указывать направление деформации.

На рис. 2.1. изображен современный металлографический отрезной станок, (фирма REMET, Италия), имеющий устройство для закрепления детали (заготовки), которое способно точно установить деталь (заготовку) относительно отрезного круга. Место реза постоянно охлаждается жидкостью специального состава для интенсивного отвода тепла и предупреждения наклепа.

Следует принимать во внимание, что даже специальное металлоотрезное оборудование не дает возможности полностью предупредить наклеп поверхностного слоя, т.е. упрочнения его и искажения структуры. Ниже в таблице 1 представлены значения глубины искаженного слоя при различных способах резки металла.

Способ резки	Глубины искажения поверхностного слоя, мкм
Отрезка токарным станком, фрезой	80-400
Распиловка ножовочным полотном	50-350
Резка абразивным кругом	20-1500
Электроэрозионная резка	20-300
Плоское шлифование	10-250
Механическая полировка	0,5-5

Шлифование. Для подготовки к автоматизированному шлифованию образец следует запрессовать в полимерную смолу. Обычно используют термореактивные смолы, например, резольную фенолформальдегидную, которая при горячем прессовании отверждается и приобретает необходимую прочность и твердость. На рис.2.2. показан пресс горячего прессования. Образец металла помещают на дно пресс-формы, опускают дно внутрь пресса, таким образом, чтобы можно было засыпать навеску резольной смолы. Далее опускают пуансон пресс-формы, на внешней панели пресса набирают нужную программу, обеспечивающую необходимую температуру, давление и время выдержки. По окончанию процесса пресс-форма автоматически поднимается из пресса и далее вручную разбирается для извлечения готового образца.

Рис.2.1. Металлографический отрезной станок, (фирма REMET, Италия)	Рис.2.2. Автоматический пресс для горячей запрессовки образцов марки IPA40 (фирма REMET, Италия)

Следующий цикл пробоподготовки – шлифование и полировка, осуществляется на автоматическом шлифовально-полировальном станке (рис.2.3.) Станок снабжен держателем для закрепления шести образцов, имеет возможность установки шлифовальных шкурок и трех полировальных кругов, на которые заранее наклеиваются полировальные ткани. Перед началом работы на панели прибора устанавливается необходимая программа работы. Далее держатель образцов под определенным давлением прижимается к абразивному материалу, который вращается с необходимой скоростью. Шлифование осуществляют обычно с подачей воды на поверхность шкурки.

Рис.2.3. Шлифовально-полировальный станок марки LS2

(фирма REMET, Италия)

Шлифовальные шкурки используют обычно с частицами карбида кремния. Для качественного шлифования следует использовать не менее 4-5 шкурок с постепенно убывающей зернистостью. После замены каждой шкурки следует промывать держатель с образцами, протирать место установки шкурки, а также мыть руки.

Шлифованием обычно заканчивается подготовка образца для макроанализа, т.е. исследования невооруженным глазом или с помощью лупы. Чаще всего такие образцы приходится изготовлять вручную или на обычных шлифовальных станках, т.к. размер таких макрообразцов оказывается больщим, и поэтому такие образца невозможно подготовить на автоматическом оборудовании пробоподготовки.

Цель полировки состоит в создании ровной поверхности, не имеющей пор, микротрещин и других дефектов, не связанных с микроструктурой материала. Полировка имеет несколько стадий, на каждой из которых уда­ляется слой материала, поврежденный на предыдущей стадии. При полировке на ткань наносят абразивную пасту (паста ГОИ, алмазная). В настоящее время предпочтение отдается алмазным пастам, с помощью которых полируются не только твердые, но и мягкие поверхности.

Меняя полировальные круги, следует помнить, паста какой дисперсности наносилась на данный круг. Дисперсность алмазной суспензии обозначается в виде дроби, в числителе которой указывается размер наибольших частиц, а в знаменателе – размер наименьших частиц. Например, 60/40 означает, что в данной пасте содержатся алмазные частички размером 40-60 мкм.

При дальнейшей работе не следует использовать на данном круге пасту другой дисперсности. Полировальные круги в настоящее время изготавливают из синтетических нетканых материалов высокой износостойкости. По мере загрязнения их можно мыть горячей водой с моющим средством и щеткой. Полировку можно считать законченной, когда поверхность образца приобретает зеркальный блеск и даже под микроскопом не видны риски или царапины.