2851

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический

университет»

О.Д. Козенков А.А. Лукин В.М. Рощупкин Д.Г. Жиляков

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2011

ВВЕДЕНИЕ

Управление свойствами металлов и сплавов невозможно без знания их структуры и путей ее изменения. Обработка металлов и сплавов (механическая, термическая, химикотермическая и т.д.) приводит к изменениям их структуры и свойств. Поэтому знание структурного состояния металла (сплава), устойчивость этого состояния при действии внешних и внутренних факторов дает возможность прогнозирования его свойств в реальных условиях работы детали.

Современное развитие техники требует от материалов свойств, не характерных для металлов, что создает необходимость разработки неметаллических материалов, знакомство с которыми предусмотрено программой курса «Материаловедение и технология материалов».

Требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы подготовки специалистов по направлениям машиностроительных и инженерных специальностей в области образовательной дисциплины «Материаловедение» ОПД.Ф.03.01 предусмотрено не только получение студентами теоретических знаний в области строения материалов, их дефектности, свойств, методов упрочняющих и разупрочняющих обработок, но и приобретение навыков макроскопического и микроскопического анализа материалов, определения их механических свойств, анализа надежности и долговечности изделий из металлов и неметаллов по их свойствам, освоение практических методов изменения свойств материалов с целью повышения их конструктивной прочности и технологичности обработки.

Решение этих задач заложено в программу лабораторного практикума, а дополнительный материал, изложенный в приложениях, позволит студенту самостоятельно подготовиться к выполнению лабораторных работ и контрольных заданий, закрепив на практике полученные теоретические знания.

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

МЕТОДЫ МАКРО- И МИКРОАНАЛИЗА. ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить методику, возможности и назначение макроструктурного и микроструктурного анализа металлов и сплавов; приобрести практические навыки в исследовании структуры материалов; ознакомиться с классификацией неметаллических материалов.

Оборудование и материалы: лупа, металлографический микроскоп МИМ–7,окулярмикрометр, объектмикрометр, атлас макро- и микроструктур, изломы, макрошлифы, микрошлифы, образцы неметаллических материалов.

1. Теоретическое введение

1.1. Макроанализ Макроструктурой называется строение металла, видимое

невооруженным глазом или с помощью лупы при небольшом увеличении до 30 раз.

Макроструктуру материалов изучают просмотром поверхности специально подготовленных образцов (макрошлифов) или изломов. Поверхность образца, подготовленная для исследования макроструктуры, называется макрошлифом. Чаще используются макрошлифы, которые готовятся на образце, вырезанном из детали или заготовки (темплете), путем шлифования и последующего травления, необходимого для выявления макроструктуры.

Макроанализ применяют для выявления в металле дендритного строения, зон транскристаллизации, усадочной рыхлости, центральной пористости, газовых пузырей, трещин, пустот, флокенов, шлаковых включений, качества сварных соединений, расположения волокон в поковках и штамповках, структурной и химической неоднородности, ликвации серы и

4

фосфора в стали и т.д. Примеры применения макроанализа по-

казаны на рис. 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5.

А б Рис. 1.1. Продольное сечение слитков: а – плотный ме-

талл, б – крупные пузыри

А б Рис. 1.2. а – Макростроение поверхностного слоя литой

сурьмы, б – дендритное строение кристаллов

А б Рис. 1.3. Макрошлиф сварного соединения: а – удовле-

творительная сварка, б – неудовлетворительная сварка

5

меняют направление шлифования на 90º. После шлифования образцы очищают, обезжиривают и подвергают травлению.

1.1.3. Выявление ликвации серы и фосфора в стали Сера и фосфор являются примесями в стали, которые

снижают ее технические свойства. Концентрация этих примесей в стали столь важна, что по их количеству классифицируется качество стали.

Фосфор способствует хрупкому разрушению сталей при пониженных температурах – хладноломкости.

Сера увеличивает хрупкость сталей при повышенных температурах 900-1000 ºС – красноломкость.

Особую опасность представляют скопления – ликвации серы или фосфора (рис.1.6).

Рис.1.6. Ликвация серы в стали (темные пятна и полосы)

Ликвацию серы в стали выявляют методом Баумана для реализации которого необходимо:

1.Макрошлиф протереть ватой смоченной спиртом и положить на стол шлифованной поверхностью вверх.

2.Лист глянцевой бромсеребрянной фотобумаги вымочить на свету в 5% водном растворе серной кислоты 5-10 ми-

нут. Просушить между двумя листами фильтровальной бумаги

7

для удаления избытка раствора. Наложить эмульсионной стороной на макрошлиф и, прогладить рукой или резиновым валиком для удаления газовых пузырьков. Выдержать на поверхности стали 2-3 минуты и снять с макрошлифа.

3. Полученный отпечаток промыть в воде и зафиксировать в 25% водном растворе гипосульфита натрия. Снова промыть в воде и просушить.

4. Зарисовать полученный отпечаток и дать характеристику ликвации серы.

Полученные на фотобумаге участки коричневого цвета соответствуют местам на поверхности стали обогащенным серой, то есть выявляют ликвацию серы. Если же фотобумага имеет равномерную окраску, то сера в стали распределена равномерно и ликвация серы отсутствует.

Появление темных участков на фотобумаге в местах контакта с поверхностью стали обогащенной серой объясняется тем, что между серной кислотой, впитавшейся в бумагу и включениями сульфидов MnS и FeS, в виде которых сера находится в стали, происходят взаимодействия по реакциям:

MnS + H2SO4 = MnSO4 + H2S

FeS + H2SO4 = FeSO4 + H2S

Выделяющийся в результате реакции сероводород взаимодействует с бромистым серебром эмульсионного слоя, в результате чего образуется сернистое серебро, имеющее темнокоричневый цвет:

2AgBr + H2S = Ag2S + 2HBr.

Ликвацию фосфора в стали (рис.1.7) выявляют травле-

нием отшлифованного образца в реактиве Гейна: 85 г хлорной меди, 53 г хлористого аммония в 1000 мл воды.

Для выявления ликвации фосфора в стали необходимо:

1.Отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной в спирте.

2.Образец поместить в реактив Гейна и выдержать 1-2 минуты.

8

3.После выдержки образец вынуть из реактива. Вся поверхность образца должна быть покрыта медью.

4.Струей воды смыть медь и протереть поверхность мокрой ватой.

5.Просушить образец.

а б Рис. 1.7. Ликвация фосфора в стали: а – обработка реза-

нием, б – ковка с осадкой

Более темные участки на поверхности образца – это места обогащенные фосфором, то есть места, в которых имеется ликвация фосфора на поверхности стали. Известно, что чем выше концентрация фосфора в железе, тем быстрее оно растворяется. В углублениях на поверхности образца задерживается медь, что и приводит к изменению цвета поверхности стали.

1.1.4. Последовательность операций макроанализа Для полного макроскопического исследования, а также

определения сплошности металла и дефектов строения целесообразно придерживаться следующей последовательности операций:

-протравить образец реактивом Гейна. Полученные результаты зарисовать или сфотографировать;

-отшлифовать образец и выявить распределение серы

методом Баумана;

9

- провести глубокое травление для выявления нарушений сплошности и флокенов в реактиве 50 мл соляной кислоты, 50 мл воды при температуре 60-70 ºС в течение 15-30 минут.

1.2. Микроанализ 1.2.1. Назначение микроанализа

Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры материалов при помощи микроскопа. Кроме того для проведения микроанализа используют и другие методы исследования структуры, состава, электропроводности, теплопроводности, плотности и т.д. Изменение любого физического свойства объекта в зависимости от внешних факторов может дать представление о структуре и свойствах исследуемого материала.

Оптическая микроскопия. Оптические микроскопы обеспечивают увеличение до 2000 раз при разрешающей способности 0,2·10-3 мм. Методами оптической микроскопии выявляют: форму и размер кристаллических зерен, из которых состоит металл или сплав; изменение внутреннего строения сплава под влиянием механической, термической или химикотермической обработки; микропороки металла – микротрещины, раковины и т.п.; неметаллические включения – сульфиды, оксиды и др.; примерный химический состав изучаемого сплава по характерной форме и характерному окрашиванию структурных составляющих и фаз; характер обработки металла.

Электронная микроскопия. Для более детальных и точ-

ных исследований применяются электронные микроскопы, увеличение которых достигает 200000 раз, а разрешающая способность – 8-10·10-7 мм. Различают трансмиссионную или просвечивающую электронную микроскопию и растровую электронную микроскопию. Просвечивающая электронная микроскопия в сочетании с методами электронографии позволяет изучать строение и структуру материалов при огромных увеличениях и очень большой разрешающей способности. Методами электронной микроскопии изучаются сверхструктуры, строении границ зерен и субзерен, дислокационная структура

10