Порядок выполнения работы
1. Укажите основные задачи металлографического анализа.
2. В чем заключается сущность линейного метода количественной металлографии?
3. В чем заключается сущность точечного метода количественной металлографии?
4. От чего зависит и как оценивается точность линейного и точечного метода количественной металлографии?
5. Как можно определить содержание углерода в отожженной углеродистой стали, пользуясь результатами вычисления объемной доли структурных составляющих?
6. В чем заключается сущность определения удельной поверхности и относительной удельной поверхности?
Практическая работа №2
Тема: Микроструктурный и макроструктурный анализ металлов
Цель работы – изучение методов и технических средств, применяемых при проведении микроанализа металлов и сплавов, приобретение навыков анализа и определения структуры металлов и сплавов с помощью микрошлифов;
изучение по изломам и макрошлифам макроструктуры металлов и сплавов.
Оборудование и материалы: микроскоп металлографический ММР- 4, цифровая фотокамера, персональный компьютер, фотопринтер цветной, микрошлиф травленный из закаленной стали, микрошлиф травленный из закаленной стали после отжига, нетравленные микрошлифы, обьект- микрометр;
изломы металлов и сплавов, лупа.
Задание 1
1 Выполнить анализ микроструктуры закаленной стали определить структурные составляющие, и соотношение.
2 Выполнить анализ микроструктуры закаленной стали после ее отжига, определить структурные составляющие, их размер и соотношение;
3 Сравнить результаты анализа микроструктуры закаленной стали и закаленной стали после отжига.
4 Выполнить количественный анализ фазового состава исследуемых образцов, определить марку стали.
Задание 2
1.Изучить строение материала путем исследования макроструктуры образца на изломе
2. Определить вид материала, характер разрушения, выявить дефекты, нарушающие сплошность металла и выходящих на поверхность излома; выявить структуру и причины брака металлов после термической и химико-термической обработки.
Сведения из теории
Микроструктура – это структура, наблюдаемая с помощью оптических микроскопов при увеличении до 2000 раз. Наименьшая величина фрагментов структуры составляет 0,2 мкм. Анализ микроструктуры выполняется на специально приготовленных образцах – микрошлифах, которые могут быть травленными и нетравлеными. Для приготовления микрошлифа вырезается образец, контрольная поверхность которого последовательно шлифуется, полируется, а затем травится, то есть смачивается специальным раствором, который выявляет структуры за счет разного их цвета.
Металлографические микроскопы работают на принципе отражения света от полированной поверхности микрошлифа. Оптическая система микроскопа состоит из объектива (системы линз), окуляра и вспомогательных оптических элементов: зеркал, призм, диафрагм. Окуляр представляет собой систему линз, размещенную в одной оправе и обращенную к глазу наблюдателя. Микрошлиф помещают на предметный столик и вращением макровинта, а затем микровинта фокусируют контрольную поверхность. Изучение микроструктуры начинают с анализа нетравленых шлифов, для выявления на них пороков: пор, раковин, неметаллических включений, которые обладают меньшей отражательной способностью по сравнению с металлом, а поэтому имеют темную окраску. Чем крупнее включения, тем больше их вредное влияние: снижаются механические характеристики, особенно пластичность и вязкость.
Размер зерна металлов и сплавов влияет на их механические и технологические свойства. Измельчение зерна приводит к повышению их твердости и прочности. Размер зерна определяют методом сравнения или по количеству зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа. В методе сравнения применяются эталонные шкалы, на которых приведены микроструктуры с различной величиной зерна, оцениваемой номером. Всего имеется 18 номеров зерна: от -3 до +14. С увеличением номера размер зерна снижается. Основная шкала содержит эталоны микроструктуры с номером зерна от 1 до 10 при увеличении 100.
Лабораторная установка показана на рисунке 2.1. Она состоит из микроскопа, цифровой фотокамеры и персонального компьютера с цветным принтером. Микроскоп предназначен для наблюдения и фотографирования микроструктуры металлов и сплавов в отраженном и в поляризованном свете. Комплект оптики микроскопа обеспечивает стандартное увеличение при визуальном наблюдении в бинокулярную насадку и при фотографировании. Минимальная кратность увеличения – 50, максимальная – 1600.
Рисунок 2.1 - Микроструктурный анализ материалов
Макроскопическим структурным анализом (макроанализом) называется метод исследования строения металлов невооруженным глазом или через лупу при увеличении до 30-40 раз. Строение металлов, изучаемое при помощи макроанализа, называется макроструктурой. Макроструктуру изучают на свежих изломах, на поверхностях изделий, а чаще всего на специально подготовленных образцах-макрошлифах или приготовленных отпечатках со шлифов.
Исследование макроструктуры на изломах – самый простой способ изучения строения металлов. Излом – поверхность, образующаяся после разрушения образца или изделия.
При изучении изломов решаются следующие задачи: определение характера разрушения (вязкое, хрупкое); выявление дефектов, нарушающих сплошность металла и выходящих на поверхность излома; выявление структуры и причин брака металлов после термической и химико-термической обработки, а также определение типа материала.
Различают кристаллические и волокнистые изломы. Кристаллический излом характеризуется размером и формой зёрен, их взаимным расположением (рисунок 2.2). Для хрупкого разрушения характерен кристаллический светлый излом, для вязкого – волокнистый излом пепельного оттенка. По излому могут быть определены элементы литой структуры, дефекты, нарушающие сплошность материала: поры, газовые пузыри, остатки усадочной раковины, флокены, трещины и т.д. При термической и химико-термической обработке по излому обнаруживается обезуглероженный слой белого цвета с крупнокристаллической структурой, а науглероженный слой имеет матовую мелкокристаллическую структуру.
|
|
|
а |
б |
в |
Рисунок 2.2 – Макрошлифы для изучения макроструктуры: а - излом с направленной кристаллизацией; б – хрупкий излом; в – вязкий излом
По излому может быть определен вид чугуна: белый чугун имеет излом белого цвета с характерным блеском; серые, высокопрочные и ковкие чугуны имеют мелкокристаллический излом серого цвета.
Макрошлифом называется специально подготовленная к макроисследованию часть детали, поковки, отливки и т.д. Если деталь небольшая, то ее разрезают на две части, если большая, то из нее вырезают фрагмент, у которого хотя бы одна поверхность плоская. Плоскость подвергается шлифовке наждачной бумагой путем последовательного перехода от грубого номера к тонкому; каждый раз макрошлиф поворачивают на 90°. Шлифовку в одном направлении ведут до тех пор, пока не исчезнут риски, появившиеся от шлифования предыдущим номером бумаги. Шлифование можно вести вручную или на специальном станке. Чистота поверхности может быть различная в зависимости от метода последующего травления.
Травление основано на взаимодействии металла с реактивом: зёрна, различные по строению и составу, их границы по-разному растворяются и окрашиваются, а трещины и пустоты расширяются.
Образец можно подвергнуть глубокому или поверхностному травлению. Глубокое травление применяется главным образом для макроанализа слитков и проката. Реактивы поверхностного травления, простые в обращении, хорошо выявляют сравнительно крупную пористость и другие дефекты, а также характер ликвации и волокнистости металла. Они широко используются при макроанализе деталей из низко- и среднеуглеродистых сталей. Наиболее часто применяют реактив, содержащий 53 г хлористого аммония NH4Cl и 85 г хлористой меди CuCl2 на 1000 мм воды (реактив Гейна).
После промывки водой макрошлиф на одну минуту погружается шлифованной поверхностью в раствор. При этом происходит обменная реакция: железо вытесняет медь из водного раствора, и она оседает на поверхности шлифа. На участках, в которых обменная реакция не имеет развития (трещины, раковины, поры, неметаллические включения, а также зоны, обогащенные фосфором, серой и углеродом), медь осаждается слабо и происходит более интенсивное их растравление. После промывания под струей проточной воды указанные области приобретают более темную окраску по сравнению с бездефектными участками и с зонами с меньшим содержанием Р, S и С.
Выявленную макроструктуру рассматривают, при необходимости используя лупу, зарисовывают или фотографируют и описывают строение.