Макроструктурный анализ металлов и сплавов

Цель работы:

Изучить методы исследования структуры металлов и сплавов, и овладеть практическими приемами металлографическо­го анализа.

Механические свойства металлов и сплавов ( σ_в, σ_т, σ_0,2 и др.) существенно зависят от их структуры. Под структурой матери­ала понимают форму, размеры и взаимное расположение его состав­ных частей. Структура определяется химическим составом сплава, способами его получения и обработки. Обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особен­ностями, называются структурными составляющими. Располагая сведениями о структуре металлов и сплавов, можно получить представ­ление об их свойствах, для изучения внутреннего строения материалов используются разнообразные структурные методы исследования: макроструктурный, микроструктурный, рентгеноструктурный, электронографический и др. Наиболее широко при исследовании структуры металличес­ких материалов используется металлографический анализ, который включает макроструктурный и микроструктурный методы.

Макроструктурный анализ заключается в определении строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увели­чении (10-40 раз) с помощью лупы или бинокулярного микроскопа. При макроанализе можно одновременно наблюдать большую поверх­ность заготовки (детали) и получить представление об общем строе­нии материала, что позволяет судить о качестве, характере и ус­ловиях предшествующей обработки (литье, обработка давлением, сварка, резание). Макроанализ не позволяет выявить все особеннос­ти строения, поэтому часто является не окончательным, а предва­рительным видом исследования, после которого следует детальное микроскопическое исследование выбранного участка изучаемой де­тали макроструктуру можно изучать непосредственно на поверхности детали по излому и на макрошлифах - образцах, специально подго­товленных к макроисследованию. Чаще всего макроструктура изуча­ется темплетом.

Методика приготовления макрошлифа заключается в отрезке за­готовки, ее шлифовании и травлении реактивами. При ручном шлифо­вании применяют металлографическую шлифовальную бумагу разной зернистости.

Для выявления макроструктуры шлифы подвергают глубокому травлению реактивами. Состав реактивов и режим травления в каждом конкретном случае выбирается в зависимости от химического сос­тава сплава, и цели исследования.

Например, для выявления волокнистого строения металла обыч­но травления проводится в 50% водном растворе концентрированной кислоты (соляной - для углеродистой стали) при температуре 60-70° в течение 15-40 мин.

Метод глубокого травления применяется и для выявления внут­ренних и внешних дефектов, нарушающих сплошность металла (тре­щины, пористость и др.). При травлении дефектные места в метал­ле сильно разъедаются и отчетливо видны невооруженным глазом.

Макроструктурным анализом можно определить:

1) дефекты, нарушающие сплошность металла. В литом металле (слитки, отливки) - усадочную рыхлость, газовые пузыри, пустоты и трещины. В катаном или кованом металле - трещины, возникающие при обработке давлением или термической обработке. При сварке в сварных швах - раковины, газовые пузыри. Для выявления этих дефектов в слитках, отливках, катаных и кованых заготовках при­меняют темплеты, в сварных швах макрошлифы, изготовленные в продольном сечении;

2) строение литой, кованой и сварной заготовки или детали. Литой металл характеризуется дендритным строением (рис.1), которое выявляется травлением в 15% водном растворе персульфата аммония, нагретого до 80-90°С, время травления 5-10 мин (для уг­леродистой стали).

Для деформированного металла характерно волокнистое строе­ние (рис.2). В процессе обработки давлением структурные составляющие, а также неметаллические включения (сульфиды, оксиды и др.) дро­бятся и вытягиваются вдоль направления деформации, образуя про­дольную волокнистость. Физико-механические свойства существенно изменяются в зависимости от направления волокон в его структуре. Например, ударная вязкость в образцах, вырезанных вдоль прокатки, в 3 - 4 раза выше, чем в образцах, вырезанных поперек прокатки. Поэтому в деталях, работающих с повышенными удельными нагрузками, особенно динамическими (коленчатые валы, клапаны двигателей, зубчатые колеса и др.), необходимо, чтобы волокна не перерезались а повторяли контур детали или, располагались в направлении наибольших напряжений. Это обеспечивается правильным выбором тех­нологии изготовления детали.

Рис 2.1. Схема строения стального слитка

1-зона мелкокристаллического строения;

2-зона столбчатых кристаллов;

3-зона равноосных кристаллов;

4-усадочная раковина;

5-газовые пузыри;

6-усадочная раковина.

Рис. 2.2. Макроструктура деформированного, металла (волокнистое строение)

Строение сварного соединения представлено на рис. 3.

При сварке плавлением соединение деталей осуществляется за счет частичного расплавления металла свариваемых элементов и металла электрода. При охлаждении происходит кристаллизация этого объёма и образование сварного шва. Металл шва имеет литую структуру;

Рис. 3. Строение сварного соединения макрошлифа после травления

1-сварной шов (литая структура); 2-основной металл (прокат); 3-околошовная зона.

3) химическую неоднородность сплава (ликвацию).

Макроанализ дает качественную оценку химической неоднород­ности по сечению изучаемой детали, в сталях часто определяют лик­вацию углерода, серы и фосфора. Ликвация серы определяется по методу Баумана.

Для определения общей ликвации углерода, фосфора а серы од­новременно применяют травление исследуемой поверхности в 10 – 15% -oм водном растворе двойной медно-аммиачной соли соляной кислоты (Сu NH₄Cl₂).

Участки стали с различным содержанием этих элементов тра­вятся неодинаково. Области с повышенным содержанием углерода, фосфора и серы окрашиваются в более темный цвет;

4) неоднородность состава и структуры, розданной термичес­кой или химико-термической обработкой (рис.4). При этом можно достаточно точно оценить глубину слоя повышенной твердости, соз­данного термической или химико-термической обработкой.

Рис. 4. Макроструктура шестерни после поверх­ностного упрочнения

1 - упрочненный поверхностный слой

Задание к лабораторной работе:

1. Ознакомиться с сущностью методов макроструктуры метал­лов и сплавов и составить краткий конспект (выполняется при под­готовке к лабораторной работе).

2. Исследовать и зарисовать макроструктуру изломов. Опреде­лить вид и характер излома.

3. Исследовать и зарисовать макроструктуру деталей после различных способов получения.

4. Определить химическую неоднородность по сечению макро­шлифа, зарисовать и описать характер, распределения элементов.