Лабораторная работа.

Тема: «Макроскопический анализ металлов и сплавов»

Цель: изучить методику проведения макроструктурного анализа; приобрести практические навыки в определении характера разрушения металлов и определении качества металла по строению макрошлифа.

Общие положения

Свойства металлов и сплавов определяются химическим составом и структурой (размером зерен, количеством, видом и характером расположения неметаллических включений). Знание строения металла имеет боль­шое практическое значение для выбора технологии изготовления деталей или выяснения причин их разрушения. Например, металл, имеющий волок­нистое строение, реализует весь запас своей прочности только в случае повторения волокнами контура изделия. Поэтому такие детали, как коленчатые валы, крюки подъемных кранов должны изготавливаться ков­кой, а не механической обработкой. Механическая обработка не может изменить направление волокон и к тому же нарушает их целостность.

Запомните, что существует несколько методов изучения структуры и строения металлов и сплавов, но одним из самых простых и распространенных является метод макроскопического анализа (макроанализ).

Макроанализ заключается в исследовании металлов невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30 раз). В отличие от дру­гих методов, он позволяет одновременно изучать большую поверхность металла (наименьший размер – 0,1 мм). Более тонко строение металлов - изучается с использованием оптической и электронной микроскопии. В этом, случае размер элементов строения металла может измеряться микрометрами и манометрами.

По характеру исследования объекта макроанализ подразделяют на внешний осмотр детали или заготовки, изучение изломов и исследование макрошлифов.

Исследование изломов

Если в процессе эксплуатации или специального испытания деталь подвергнуть действию ударного изгиба, то может про­изойти ее разрушение в месте приложения сосредоточенной нагрузки. Поверхность части детали, образующаяся вследствие распространения трещины, называется изломом. Вид излома может быть различным, а его характер часто свидетельствует об условиях поведения материала при разрушении.

Запомните, что в том случае, если разрушению предшествовала сильная пластическая деформация металла, излом будет иметь матовый цвет, а кристаллы (зерна) будут вытянуты в направлении действия на­грузки. Этот вид излома называется вязким или волокнистым.

Если разрушение детали происходит без заметных следов пласти­ческой деформации, то образуется хрупкий кристаллический излом. При этом виде излома форма и размеры кристаллов (зерен) остаются неизменными. Поэтому по хрупкому излому, в отличие от вяз­кого, можно судить о размере кристаллитов (зерен) материала.

Хрупкое разрушение детали или образца может происходить по гра­ницам кристаллов (зерен), тогда зерна отрываются одно от другого и возникает так называемый межкристаллический излом. Однако трещина хрупкого разрушения может проходить и по телу зерна, в этом случае мы получаем излом, называемый транскристаллическим (рис. 1). В чистом виде меж- и транскристаллические изломы встречаются крайне редко и обычно проявляются вместе с большей или меньшей долей одного из них. Кроме того, в практике анализа промышленных изломов об­ращают на себя внимание смешанные вязкокристаллические изломы, у которых имеются черты как вязкого, так и кристаллического разруше­ния.

Рисунок 1. Транскристаллический излом

Рассматривая характер излома металла, можно судить о размере его зерна и технологии обработки. Так, грубый крупнокристаллический излом свидетельствует о нарушении режима нагрева металла, вызвавшего рост зерна. Сравните вид излома нормально нагретого металла и перегретого. Мягкие конструкционные стали часто имеют вязкий излом, а твердые инструментальные стали - хрупкий меж- или транс кристаллический излом. Твердые закаленные стали с мелким зерном дают чрезвычайно мелкокристал­лический или фарфоровидный излом. Сталь с таким изломом обладает высокой хрупкостью, малой вязкостью.

По виду излома можно судить о наличии в стали повышенной концентрации атомов водорода. В том случае, если для стали не была проведена специальная обработка с целью удаление атомов водорода, то в изломе обнаруживаются серебристые плоские языки – флокены (рис. 2), образовавшиеся из-за скопления в этих участках молекулярного водорода. Сталь с флокенами обладает низкой вязкостью и высокой хрупкостью.

Рисунок 2. Флокены в головке рельса

Обратите внимание, что изучая характер излома детали, можно установить и причину ее разрушения. Так, если деталь работает в условиях знакопеременных нагрузок (растяжение - сжатие) и на ее поверхности или внутри имеются микротрещины, то по истечении некоторого времени деталь разрушается. Излом такой детали называется усталостным и имеет характерную структуру (рис. 3). За счет знакопеременных нагрузок трещины постепенно прогрессируют в размерах и непрерывно уменьшают сечение детали. При достижении некоторого критического размера деталь разрушается. Места, в которых развивалась усталостная трещина, будет иметь в изломе гладкую поверхность, а сердцевина (долом) будет иметь волокнистый или кристаллический излом.

Рисунок 3. Структура усталостного излома