Та швидкості росту кристалів твердої фази (ш.Р.) від ступеня переохолодження t

Поміж усіх несуцільностей найбільший вплив на структуру та властивості металів має раковина у верхній частині зливка, поверхня якої вкрита шаром оксидів, до того ж у цій частині зливка сконцентрована найбільша кількість шкідливих домішок. Цю частину зливка відрізають.

До недоліків зливка відноситься його хімічна неоднорідність – ліквація. Розрізняють два види ліквації: макроскопічну, яку можна виявити неозброєним оком, та мікроскопічну, яку виявляють за допомогою спеціальних методів аналізу (металографічного, мікрорентгено-спектрального та ін.).

До макроскопічної ліквації відносять нормальну зональну, зворотну зональну та ліквацію за густиною. Для нормальної зональної ліквації характерна неоднорідність зливка за зонами. Найбільше вона проявляється у центральній частині зливка. При зворотній зональній ліквації ділянки з підвищеною концентрацією домішок розташовані на зовнішній поверхні. Ліквація за густиною обумовлена різною питомою вагою твердих фаз та рідкої фази.

До мікроскопічної ліквації відносять дендритну та внутрішньо-кристалічну ліквації. Перші ділянки дендрита насичені тугоплавкими компонентами, а багаті на легкоплавкі домішки залишки рідини тверднуть останніми і таким чином, нашаровуються на дендрит.

Ліквації спричинюють утворення різних дефектів у литих металах та сплавах, утруднюють їх обробку та знижують властивості.

Макроаналіз деформованого металу. Макроструктура деформованого металу утворюється при пластичній деформації в гарячому чи холодному станах. Внаслідок прокатки, кування, штампування чи волочіння несуцільності, які були у металі, усуваються. Дендрити і зерна деформуються та витягуються у напрямку обробки; витягуються також неметалеві включення. Внаслідок цього формується типова для прокатаного металу смугаста (волокниста) структура. Волокниста будова металу обумовлює анізотропію його властивостей (різниця властивостей вздовж та поперек волокон). Пластичність, міцність та в'язкість зразків, вирізаних вздовж волокон, вищі, ніж зразків, вирізаних поперек. Відповідальні вироби, що працюють при значних динамічних навантаженнях (колінчасті вали, шестерні, шатуни, гаки), виробляють таким чином, щоб волокна у виробах не перерізались, а відповідали конфігурації виробу.

Макроструктура після термічної та хіміко-термічної обробки. Структури такого типу неоднорідні. Внаслідок гартування, цементації, азотування, а також інших видів хіміко-термічної обробки будова поверхні порівняно з будовою основи суттєво змінюється. По макрошліфу чи вигляду зламу можна зробити висновок про наявність змін будови поверхневого шару металу. Виявлена таким чином неоднорідність і є ознакою правильності обробки, що відбулась.

Макроструктура зварного шву. Зварний шов травлять 5 % розчином азотної кислоти в етиловому спирті протягом 2...5 секунд. Під час травлення з поверхні зразка періодично видаляють оксиди, що виникають під час процесу. Травлений таким чином зразок промивають у проточній воді, сушать, промивають спиртом та вивчають візуально або за допомогою лупи чи мікроскопа. У макроструктурі зварного шва виділяють дві зони – наплавленого та основного металів. Для будови наплавленого металу характерна наявність стовпчастих кристалів, розмір яких, на відміну від розміру кристалів литого металу, досить дрібний. Ця різниця зумовлена великою швидкістю кристалізації наплавленого металу зварного шва.

Макроскопічним аналізом можна виявити також зону термічного впливу, непровар, тріщини, шлакові домішки.

Метод шліфів. На практиці широко використовують метод аналізу макрошліфів. Макрошліф – це зразок з плоскою відшліфованою та (якщо це необхідно) протравленою поверхнею, який вирізають з досліджуваної сталі. Макрошліф роблять таким чином. На металорізальному верстаті або іншим способом вирізають зразки. Одну площину шліфують вручну або на шліфувальному верстаті. Шліфувальним папером однієї зернистості шліфують у одному напрямі. Після переходу на більш тонкий шліфувальний матеріал напрям обробки змінюють під кутом 90°. Після цього зразки промивають водою та просушують.

Для визначення дефектів шліф знежирюють та травлять. Реактив більш активно взаємодіє з тими ділянками, де є наявні дефекти та неметалеві включення. Поверхня виходить рельєфною.

Розрізняють глибоке та поверхневе травлення. За допомогою глибокого травлення визначають макроструктуру зливків, прокату, а також пори, раковини, ліквацію тощо.

Поверхневе травлення, яке проводять з використанням менш агресивних реактивів, дозволяє виявити ліквацію, досить велику пористість у зварних швах, а також інші несуцільності, що з'являються на поверхні.

Метод зламів. Метод зламів полягає у вивченні поверхні, яка виникає при руйнуванні металевих зразків. За допомогою цього методу можна виявити форму та розмір зерен, різновид зламу, характер руйнування. Розрізняють такі види зламів: в’язкий та крихкий. В'язкий злам утворюється витягнутими, загостреними при розриві зернами, що засвідчує значний ступінь пластичної деформації перед руйнуванням. Форму та розміри зерен металу за виглядом в'язкого зламу виявити неможливо.

Для крихкого зламу характерна присутність на поверхні блискучих ділянок (фасеток). Руйнування у цьому випадку проходить без помітної пластичної деформації. Форма та розмір зерен не змінюються, що дозволяє робити висновок щодо їх початкових розмірів. Крихкий злам ділять на міжкристалічний та транскристалічний. При міжкристалічному зламі руйнування проходить по межах зерен металу, що зумовлено присутністю неметалевих сполук – сульфідів, карбідів, нітридів тощо, а при транскристалічному зламі – крізь зерно по площинах ковзання кристалічної решітки. Крихкий варіант руйнування найбільш небезпечний, оскільки проходить найчастіше при напрузі, меншій за межу текучості матеріалу.

Вигляд зламу залежить також від умов випробування – температури, швидкості навантаження, характеру напруженого стану тощо.

Відомі такі основні види крихких зламів:

Нафталіновий злам – транскристалічний з великим зерном та вибірковим блиском. Такий злам характеризує високу крихкість металу і є характерним для легованих інструментальних сталей. Головна причина такого явища – перегрів при термічній обробці, що спричинює збільшення текстури (переважної орієнтації зерен у певному напрямку).

Крихкий злам називається каменевидним, якщо руйнування проходить по межах великих зерен. Причиною такого руйнування є домішки, які при перегріві металу концентруються на межі зерен або у пограничних зонах.

Для правильно обробленої сталі буде характерним парцеляноподібний злам дрібнозернистий з матовим відтінком.

Частіше злами бувають змішаними, у макроструктурі яких спостерігаються ділянки в'язкого та крихкого зламів.

При втомі металу руйнування спостерігається після довгого впливу циклічних навантажень. Злам у цьому випадку складається з трьох зон: зони зародження тріщини, зони розповсюдження тріщини при циклічних навантаженнях – зона втоми і зони долому. Перша зона рівна, для другої характерні концентричні борозди чи дуги і ділянки парцеляноподібного зламу. Зона долому може бути в'язкою чи крихкою.

Виявлення сірки в металі. Сірка в сталі перебуває у вигляді сульфідів FeS, MnS і є шкідливою домішкою, що викликає червоноламкість. Сульфід заліза утворює з залізом евтектику з температурою плавлення 988 °С. При нагріванні сталі до температур прокатки чи кування (1200...1250 С) евтектика плавиться по границях зерен і сталь при деформації руйнується.

Ліквацію сірки в сталях та чавунах можна визначити методом Баумана. До поверхні шліфа прикладають аркуш фотопаперу, попередньо змоченого у 5 % водному розчині сірчаної кислоти. Під час витримки зміщувати папір по поверхні шліфа не можна.

На поверхні шліфа в місцях з підвищеною концентрацією сірки проходитиме реакція між сульфідами та сірчаною кислотою:

FeS+H₂SO₄ = FeSO₄ +H₂S

MnS+H₂SO₄ = MnSO₄+H₂S .

Сірчаний водень у місцях свого виділення реагує з бромистим сріблом, що входить до складу фотоемульсійного шару фотопаперу:

H₂S+2AgBr = Ag₂S+2HBr.

Сірчане срібло має темний колір. Темні ділянки на фотопапері, що виникають після проведення експерименту, показують характер розподілу сульфідів у сталі.

Знятий з макрошліфа фотопапір промивають у воді, фіксують у розчині гіпосульфіту (20-30 хвилин) та просушують. Перевагою методу є те, що він дозволяє визначити розподіл сірки в сталі на відміну від хімічного аналізу, який показує тільки її вміст.