Лабораторная работа 6 Макроскопический анализ металлов и сплавов

Цель работы: ознакомление с методикой проведения макроструктурного анализа, получение практических навыков изготовления макрошлифов, изучения поверхностей деталей, изломов, макрошлифов, выявления макродефектов, неоднородности, причин разрушения металла.

Краткие сведения из теории

Макроскопический метод исследования (макроанализ)металлов и сплавов заключается в исследовании их строения невооруженным глазом или при помощи небольших увеличений (до 30 раз) с использованием лупы. При этом изучаются достаточно большие поверхности деталей (заготовок).

Макроанализ позволяет выявить:

• наличие в материале макродефектов (поры, трещины, усадочные раковины, рыхлоты, газовые пузыри);

• характер предшествующей обработки сплава (литье, обработка давлением, резание, сварка, наплавка, термическая и химико-термическая обработка и др.);

• структурную и химическую неоднородность;

• форму и размер зерна, в том числе волокнистость;

• причины и характер разрушения.

Структура материалов, наблюдаемая невооруженным глазом или при небольших увеличениях, называется макроструктурой.

Макроанализ проводят путем изучения:

• изломов;

• макрошлифов;

• в

  45

  нешних поверхностей заготовок и деталей.

Наружные, или поверхностные, макродефекты расположены непосредственно на поверхности изделий.

В отливках часто встречаются пригар(трудноотделимая корка из смеси металла, формовочного песка и шлака),усадочные пустоты(образующиеся из-за уменьшения объема металла при его затвердевании),газовые пузыри(возникающие из-за большой газонасыщенности расплава),ужимины(полости в твердом металле, заполненные формовочным материалом),трещины, а такженеметаллические включения(эндогенные и экзогенные).

В пластически деформированных изделиях наследуется часть дефектов литого материала, остальные могут видоизменяться. Усадочные пустоты превращаются в расслоения. Газовые пузыри окисленные и потому не заварившиеся, вытягиваются и образуютволосовины–тонкие трещины, расположенные в направлении деформирования. В некоторых легированных сталях возникаютфлокены–тонкие трещины, которые в поперечном сечении представляют собой овальные пятна серебристо-белого цвета. Причина их появления – внутренние надрывы, которые возникают в результате больших напряжений при выделении водорода в процессе остывания поковок стали, особенно крупногабаритных. Дефектами пластически деформированного металла являетсяпережог(связанный с окислением металла по границам зерен),надрывы(обусловленные слишком большой степенью деформации),окалина(слой окисленного металла).

В термически обработанном металле чаще всего обнаруживается обезуглероживание(является результатом окислительного действия печной газовой среды, при этом на поверхности возникают мягкие пятна – участки с пониженной твердостью) изакалочные трещины, имеющие зигзагообразный характер и часто образующие сетку. В сварных изделиях основным дефектом являютсятрещиныинепровар.

Внутренние дефекты выявляются при изучении изломов и макрошлифов. Излом– это поверхность, образовавшаяся вследствие разрушения металла. Изломы изучает наука фрактография. Анализ изломов играет важную роль при оценке причин и динамики разрушения металлических деталей, узлов, которое нередко приводит к авариям.

Цвет излома может быть разным – у сталей и белых чугунов он светло-серый, у серых чугунов и графитизированных сталей он черный. В зависимости от состава, строения сплава, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изломы могут быть:

• вязкими;

• хрупкими;

• усталостными.

В

46

язкий излом– матовый, имеет волокнистое строение, свидетельствует о существенной пластической деформации, предшествующей разрушению. Такой излом – результат вязкого разрушения, когда работа развития трещины значительна, а скорость распространения трещины мала. Форма и размер зерен при этом сильно искажаются. Вязкое разрушение характеризуется ямочным («чашечным») изломом.

Хрупкий излом– светлый, имеет кристаллическое строение, на его поверхности наблюдаются блестящие плоские участки. Работа развития трещины при хрупком разрушении мала, а скорость распространения трещины весьма велика. Разрушение протекает без заметной пластической деформации. Интеркристаллическое, или интеркристаллитное, разрушение происходит по границам зерен; в этом случае видны исходные форма и размер зерен – примером является камневидный излом металла при перегреве, когда границы зерен обогащаются примесями и тем самым охрупчиваются. Транскристаллическое, или транскристаллитное, разрушение проходит по телу зерна вдоль определенных плоскостей скола – примером является нафталинистый излом с крупным зерном и избирательным блеском. Различают и другие виды хрупких изломов – ручьистый, шиферный, фарфоровидный и др. Обычно изломы имеют смешанный характер.

Усталостный изломвозникает в результате разрушения металла под воздействием циклических (знакопеременных) нагрузок. Излом имеет ряд характерных зон:

• очаг разрушения– небольшая зона, содержащая фокус излома, – место локальной концентрации напряжений, где возникла зародышевая микротрещина усталости и откуда начинается ее развитие. Эта зона плоская и гладкая, располагается на поверхности детали или вблизи нее.

• зона усталости(зона постепенного развития трещины усталости) формируется при последовательном продвижении трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки (линии усталости), имеющие конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении фронта трещины усталости. Направление продвижения указывают ручьи.

• зона доломаобразуется на последней стадии усталостного разрушения, когда в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастают настолько, что вызывают практически мгновенное разрушение.

Е

47

ще один метод макроанализа – исследование макрошлифов.Макрошлиф – это образец с плоской шлифованной и протравленной поверхностью, вырезанный из исследуемого участка детали или заготовки. Для его приготовления одну из плоских поверхностей вырезанного образца ровняют напильником или на плоскошлифовальном станке. Затем образец шлифуют вручную или на специальных станках шкурками различной зернистости, совершая возвратно-поступательное движение и переходя последовательно от крупного зерна к более мелкому. Образец при переходе поворачивается на 90^оС, обработку проводят до полного исчезновения рисок предыдущей стадии шлифования. Образец промывают водой, просушивают и подвергают глубокому или поверхностному травлению, погружая его в специальный реактив-травитель, выдерживая образец в нем по определенному режиму. Протравленный макрошлиф промывают водой, обрабатывают спиртом, высушивают фильтровальной бумагой.

Поверхностное травление, проводимое менее агрессивными травителями, позволяет:

• выявить в сплавах ликвацию(химическую неоднородность сплава, возникающую при его производстве);

• наблюдать дендритное строениелитых сплавов иволокнистость, характерную для строения деформированных сплавов;

• установить способ изготовления деталей обработкой давлением или резанием;

• обнаружить дефекты и присутствие неметаллических включений;

• оценить качество сварных соединений;

• выявить структурную (возникшую в результате термической обработки) или химическую (возникшую в результате химико-термической обработки или наплавки) неоднородность сплавов и готовых изделий.

Нарушение сплошности металла выявляют, применяя реактивы для глубокого травления. На макрошлифе сварного соединения выделяются зона основного металла и зона наплавленного металла (иногда с выраженным дендритным строением), разделяющая их линия сплавления, зона термического влияния (околошовная зона) – часть основного металла, примыкающая непосредственно к зоне наплавленного металла и испытавшая его тепловое воздействие. Можно также наблюдать дефекты сварного соединения – поры, трещины, непровар, подрез.