Прилади, інструменти і матеріали

Для проведення досліджень студентам видаються деталі, що мають по­ве­рх­ні руйнування, зразки з вуглецевої сталі, збільшувальні стекла (лупи), розчин сірчаної 5% кислоти, бромсрібляний папір, тіосульфат натрію, наждаковий папір, фільтрувальний папір, хімічний посуд.

Методичні вказівки до виконання роботи

У ході лабораторної роботи студентам пропонується кілька зразків для проведення макроскопічного аналізу, а саме зруйновані зразки деталей рухомого складу, зразки для дослідження включень сірки та ін. За вказівкою викладача студент оглядає зразки, робить висновки за результатами спостереження і заносить результати в звіт. Для оцінки характеру зламу зразка необхідно звернути увагу на вид зернистої структури, ступінь її деформування, вид поверхні зламу (однорідна чи неоднорідна), на наявність шийки в місці розриву металу, колір.

Визначення включень сірки, що сприяє появі в металу червонокрихкості, проводиться за методом Баумана. Суть методу складається в одержанні на фотопапері темних відбитків, що утворюються в місцях контакту сірки з папером у результаті хімічної реакції. Технологія експерименту полягає в наступному. Бромсрібляний папір витримують 5 – 10 хв. у 5% розчині сірчаної кислоти. Після цього папір витягують з розчину і з його поверхні видаляють надлишок вологи промоканням за допомогою паперового фільтра. Потім папір накладають на підготовлену поверхню макрошліфа, прокатують (для видалення пухирців повітря) і утримують в такому стані протягом 2 – 3 хв. Зсув папера в ході витримки не допускається. При контакті папера з поверхнею металу при наявності сірки протікають наступні реакції:

.

Продукт реакції (сірчисте срібло) має темно-коричневий колір, що дозволяє судити про місця розташування сірки по поверхні металу.

Знятий з поверхні металу папір прополощують у воді і вміщують в 25%-ний розчин тіосульфату натрію (фотографічного закріплювача-фіксажу) на 20 – 30 хв. Оброблений фотопапір прополощують у воді і сушаться. Картина розподілу темних плям на отриманому відбитку дає уявлення про наявність сірки і характер її розташування в металі.

Результати аналізу відбитка повинні бути відображені у висновках по роботі.

Крім експерименту, необхідно в звіт занести рисунки структур деформованого металу і структуру зливка. На прикладі запропонованих зразків деталей визначають вид руйнування.

Запитання для самоконтролю

1. Що називається макроаналізом?

2. Назвіть можливості макроаналізу.

3. У чому полягає взаємозв'язок структури і механічних властивостей металу?

4. Як деформація позначається на структурі металу?

5. У чому полягає анізотропія деформованого металу?

6. Як повинні розташовуватися волокна текстури щодо діючої силі?

7. Яке призначення методу Баумана?

8. Чому крім кількісного змісту сірки в сталі потрібно знати про розподіл включень сірки по об’єму металу?

9. Викладіть методику визначення сірки в металі за методом Баумана.

Лабораторна робота №2

Дослідження мікроструктури сталі і чавуна

Мета роботи:

1. Дослідити мікроструктуру сталей і чавунів.

2. Ознайомитися з методикою виготовлення мікрошліфів для дослідження мікроструктури металів.

3. Вивчити пристрій мікроскопа МІМ-7 і прийоми роботи на ньому.

Основні теоретичні положення

Під мікроструктурою розуміється будова металів і сплавів, видима в мікроскоп. Мікроструктура металу являє собою сукупність кристалів (зерен) різних розмірів, форми і, часто, кольору (рис. 1). Як правило, мікроскопічний аналіз доповнюється іншими методами дослідження, наприклад, рентгеноструктурним аналізом.

Рис. 1– Структура сталі:

а) доевтектоїдна; б) евтектоїдна; в) заевтектоїдна

Дослідження структури є важливим способом оцінки властивостей металу, тому що міцність, твердість, пластичність та інші характеристики металів залежать не тільки від хімічного складу, але й від величини кристалів (зерна), типу кристалічних ґрат, кількості фаз і т.д. Навіть чистий метал, наприклад мідь, може мати різні механічні й електричні властивості залежно від структури.

Структуру оцінюють також за кількістю і складом утворюючих його фаз. Фазою називається однорідна частина шліфа, відділена від сусідніх фаз межею розділу, при переході через який властивості різко змінюються. Сплав може знаходитися в одно- і багатофазному стані. У розплавленому стані спостерігається одна фаза, у процесі кристалізації, крім рідкої фази, з'являється друга фаза – кристали. У металознавстві прийнято розрізняти фази не тільки за агрегатним станом (рідке, тверде, газоподібне), але й у твердому стані.

Так, у доевтектоїдної сталі при нормальній температурі структура складається з двох фаз: перліту і фериту. У свою чергу, перліт складається з фериту і цементиту.

Для виготовлення каркасів промислових будинків, мостів, опор, резервуарів, естакад та ін. застосовують сталі й чавуни. Сталлю називається сплав заліза з вуглецем, в якому вуглецю міститься не більше 2,14 %; при більшому змісті вуглецю сплави називають чавуном (рис. 2). За структурою сталі підрозділяються на доевтектоїдні (С < 0,8 %), евтектоїдні (С = 0,8 %) і заевтектоїдні (С > 0,8%). У доевтектоїдних сталях структура складається з кристалів фериту і перліту, взаевтектоїдних - з кристалів перліту і цементиту (рис. 1,2).

Рис. 2 - Діаграма стану "залізо-вуглець"

Оскільки твердість цементиту Fe₃C висока (>800 НВ), то в міру збільшення вмісту вуглецю в сплаві підвищується кількість цементиту, твердість сталей і чавунів також зростає.

Таким чином, чим більше структура містить перліту чи цементиту, тим міцніше і твердіше сталь.

Доевтектоїдні сталі використовують як конструкційні, а вони також йдуть на виготовлення зварених конструкцій. Сталь зі змістом вуглецю від 0,7 % і вище застосовується для виготовлення різального інструменту.

Механічні властивості сплавів залежать не тільки від хімічного складу, але і від термічної обробки, пластичної деформації. Так, після загартування сталі у структурі з'являється мартенсит, що поступається за твердістю тільки цементиту.

Механічні властивості чавунів також залежать від структури. У білих чавунах вуглець зв'язаний у хімічну сполуку - карбід заліза (інакше, цементит). Такий чавун відзначається дуже високою твердістю і крихкістю, він піддається механічній обробці. Як конструкційні застосовують чавуни, піддані графітизації, у цих чавунах цементит розпадається на чистий вуглець у вигляді графіту і металеву основу у вигляді фериту чи перліту. Залежно від форми графітових включень розрізняють такі чавуни (рис.3): сірий (графіт у вигляді розеток, що в площині шліфа виглядають як звивисті темні лінії змінної товщини), ковкий (графітові включення у вигляді пластівців) і високоміцний (графіт у вигляді кульок).

Рис. 3 - Мікроструктура чавуну з різною формою графіту.

а — пластинчаста форма графіту (звичайний сірий чавун) 100;б — куляста (високоміцний чавун) 200;у — пластівчастий (ковкий чавун) 100

У цій лабораторній роботі розглядаються структури сталей у відпаленому стані. У цьому випадку структура відповідає стану, коли розплав повільно охолоджений до нормальної температури. Інакше кажучи, досліджуються структури, що відповідають діаграмі стану «залізо - вуглець».

Дослідження структури сплаву проводять на мікрошліфах (рис.4). Мікрошліфом називається зразок металу з поверхнею, спеціально підготовленою для розгляду в мікроскоп. Підготовка поверхні полягає в її шліфуванні, поліруванні й травленні в хімічному розчині (реактиві). Шліфування і полірування роблять поверхню зразка дзеркальною, при цьому усуваються подряпини, шорсткості, сліди механічної обробки.

Рис.4 - Мікроструктура сплаву (90):

а – виявлена хімічним травленням; б – мікрорадіограма

Травлення поверхні шліфа в реактиві призначено для виявлення структури. Процес засновується на розчиненні металу на границях зерен, оскільки міжатомні зв'язки тут ослаблені за рахунок дефектів кристалічних ґрат, скупчення домішок і т.п. Таким чином, на місці границь зерен утворюються поглиблення, на яких відбувається розсіювання променя світла, в результаті чого вони стають видимими.

Дня сталей і чавунів універсальним реактивом є 5 %-ний розчин азотної кислоти (HNO₃ в етиловому спирті (С₂Н₅ОН). Крім того, різні структури мають неоднакову розчинність у реактиві, що дозволяє знайти їх. Наприклад, феритна складова розчиняється активніше, ніж цементит, у результаті чого їх можна диференціювати.

Прилади, інструменти, матеріали

Для виконання досліджень видаються зразки металевих сплавів, полірувальний верстат, паста ГОІ, азотна кислота, етиловий спирт, мікроскоп МІМ-7, набір наждакового паперу, фільтрувальний папір, хімічний посуд, мірні посудини.

Методичні вказівки до виконання роботи

При виготовленні мікрошліфа необхідно забезпечити мінімальну шорсткість поверхні металевого зразка (одержати так звану дзеркальну поверхню), для чого зразок послідовно обробляють на наждаковому папері, переходячи від грубозернистого до дрібнозернистого, а потім полірують на верстаті. Під час шліфування і полірування зразка його треба періодично повертати на 90⁰, для того, щоб не допустити утворення гребінців чи борозенок. Після полірування поверхню зразка досліджують на мікроскопі.

Увага! Зразок установлюють на предметний столик мікроскопа таким чином, щоб промінь світла падав на досліджувану (поліровану) поверхню.

Варто звернути увагу на відсутність подряпин, слідів шліфування забруднення, а також на ділянки неметалічних включень (вони спостерігаються у вигляді темних ділянок). Вид поверхні замальовують в журналі, супроводивши написом «Структура металу до травлення».

Наступним етапом підготовки мікрошліфа є травлення полірованої поверхні, для чого його необхідно помістити в хімічний реактив на 15-20 сек., після вилучення з реактиву зразок прополоскати у воді і просушити фільтрувальним папером шляхом промокання (не витирати!).

Готовий мікрошліф дослідити на мікроскопі і дати опис структур, що спостерігаються. Вид поверхні замальовують в журналі і супроводять написом «Структура металу після травлення».

У журналі лабораторних робіт повинні бути також зображені:

а) схема мікроскопа з указівкою назв його частин (рис.5);

б) структури доевтектоїдної, евтектоїдної і заевтектоїдної сталей;

в) структури сірого, ковкого і високоміцного чавунів.

Рис.5 - Металомікроскоп МІМ-7

1 – основа; 2 – корпус; 3 – окуляр; 4 – предметний столик; 5 – ручка грубого настроювання; 6 – ручка тонкого настроювання; 7 – оптична система; 8 - освітлювач

Запитання для самоконтролю

1. Що називається мікроструктурою?

2. Як впливає мікроструктура на властивості металу?

3. Що таке фаза, компонент?

4. Які сплави називають сталями і чавунами?

5. Що називається діаграмою стану, для чого вони призначаються?

6. Як залежить мікроструктура сталі від вмісту в ній вуглецю?

7. Назвіть види чавунів і розходження в їхній структурі.

8. Назвіть структурні складові сталей.

9. Що називається феритом, аустенітом, перлітом, цементитом, ледебуритом?

10. Опишіть процес виготовлення мікрошліфів.

11. З яким ланцюгом проводиться травлення мікрошліфу в хімічному реактиві?

Лабораторна робота № 3