Часть I Материаловедение
1 Лабораторная работа № 1 Макро- и микроскопический методы исследования металлов и сплавов.
1.1 Цель работы
1.1.1 Иметь представление о существующих методах исследования
строения металлов и сплавов.
1.1.2 Ознакомиться с методами макроскопического анализа и изучить
характерные виды макроструктур
1.1.3 Ознакомиться с устройством металлографического микроскопа, с
методикой исследования микроструктуры металлов и сплавов, изготовлением шлифов.
1.1.4 Научиться пользоваться металлографическим микроскопом для исследования микроструктуры
1.2 Общие сведения о микроструктурном методе исследования строения металлов и сплавов
Свойства металлов и особенно сплавов весьма разнообразны и обусловливаются, прежде всего, химическим составом, а затем строением или структурой.
Для изучения структур металлов и сплавов применяются прямые и косвенные методы. К числу прямых методов относятся:
1) исследование макроструктуры невооружённым глазом по виду изломов или шлифованных и протравленных макрошлифов;
2) исследование микроструктуры при помощи оптического микроскопа с увеличением до 1500 раз, а также с применением электронного микроскопа с увеличением до 200 тыс. раз;
3) исследование атомно-кристаллической структуры с помощью рентгенографического анализа, позволяющего различать расстояния порядка 10-8 см.
К числу косвенных методов относятся: магнитный, дилатометрический, измерение электросопротивления и другие физические методы исследования, которые, хотя и не дают прямого изображения структуры, но всё же позволяют вскрыть кинетику происходящих в них превращений.
Кроме того, существуют методы исследования структуры путём определения твёрдости, микротвёрдости, механических и технологических свойств, а также проведения химического и спектрального анализов и пр.
1.3 Макроскопический анализ
Макроструктурным анализом или кратко макроанализом называется метод исследования строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольших увеличениях - до 30 раз. Строение металлов, изучаемое при помощи макроанализа, называется макроструктурой.
Метод макроскопического анализа позволяет:
1) исследовать излом для установления характера разрушения;
2) выявить дефекты, нарушающие сплошность металла - рыхлость, газовые пузыри, трещины, усадочные раковины, флокены, расслоения, свищи и другие дефекты в литых заготовках или полученных обработкой давлением, а также в сварных швах;
3) определить характер первичной кристаллизации и дендритной структуры в слитках или литых деталях;
4) определить химическую неоднородность сплава (ликвацию, в частности, ликвацию углерода и вредных примесей серы и фосфора), шлаковые включения, неметаллические включения;
5) определить неоднородность строения сплава, вызванную последующей обработкой давлением;
6) определить неоднородность состава и структуры, возникающую после термической или химико-термической обработки, например, зону цементации в стали.
В задачу данного руководства не входит ознакомление со всеми видами дефектов, встречающихся в сталях, и методами их определения. Перечисленное выше должно способствовать пониманию того, что в металлах существуют многообразные факторы, нарушающие правильное строение металлов.
Изучение изломов - наиболее простой метод макроанализа. Этот метод прост и доступен. С помощью этого метода можно определить: форму и размеры зерен, разновидность излома, характер разрушения. Изучение металла по виду излома применяется для оценки качества металла. Например, мелкозернистый излом свидетельствует о более высоких механических свойствах, чем крупнозернистый.
По характеру разрушения различают три вида изломов: хрупкий, вязкий, а также усталостный (рисунок 1.1).
Хрупкий излом (рисунок 1.1 а) образуется при однократном статическом или динамическом нагружении без заметной предварительной пластической деформации. Излом имеет кристаллическое строение. Характерен для сталей, термообработанных на высокую прочность. В изломе обычно видно форму и размер зерен металла.
Вязкому излому (рисунок 1.1 б) предшествует значительная пластическая деформация. Излом имеет "волокнистое" строение, обусловленное сильной деформацией зерен.
Усталостный излом (рисунок 1.1 в) образуется в результате зарождения и дальнейшего постепенного развития микротрещин под влиянием многократно повторяющихся циклических нагрузок. Усталостный излом имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с гладкой притертой поверхностью и зону долома. Зона долома образуется, когда поперечное сечение детали уже настолько ослаблено трещиной, что оказывается недостаточным для сопротивления действующей нагрузке. Окончательное разрушение металла происходит внезапно. Зона долома хрупких металлов имеет грубое кристаллическое строение, а зона долома вязких металлов - волокнистое.
Рисунок 1.1 - Виды изломов металлов
Излом позволяет обнаружить различные дефекты металла (пустоты, трещины, газовые пузыри) и дефекты обработки. По излому можно определить глубину закаленного слоя. Закаленный образец ломают и по виду излома делают заключение о глубине закалки: закаленный слой имеет волокнистый излом, а незакаленная зона - кристаллический.
Не все дефекты и особенности строения металлов могут быть обнаружены в изломе. Для выявления дефектов, нарушающих сплошность металлов, определения химической неоднородности стали, определения неоднородности стали, созданной горячей обработкой давлением и других, применяют макрошлифы.
Макрошлифом называется образец металла, поверхность которого подготовлена для макроанализа. Подготовка образца заключается в вырезке его из интересующего участка изделия с последующей шлифовкой. В зависимости от химического состава сплава и целей макроанализа реактивы для выявления соответствующих дефектов могут быть различными. Так, для выявления характера распределения серы применяют метод Баумана, который нашел широкое применение в практике. Он заключается в том, что на макрошлиф накладывают предварительно смоченную в 5 % растворе серной кислоты бромосеребряную фотографическую бумагу. При выдержке в течение 2-3 минут между сульфидами серы и серной кислотой протекает реакция с выделением сероводорода. Последний взаимодействует с бромистым серебром и образует сернистое серебро, имеющее на фотобумаге темнокоричневый цвет, который указывает на участки, обогащенные серой.
Наиболее часто и характерно применение макроанализа для контроля сварных соединений. Его производят на макрошлифах с применением травления в специальных травителях.
Дефектами сварных соединений являются:
1) непровар - местное несплавление металла вследствие неполного расплавления кромок;
2) подрез зоны оплавления - местное углубление вдоль линии сплавления сварного шва;
3) трещины (продольные, поперечные, разветвленные, микротрещины, сетка трещин) сварного соединения, разрыв в сварном шве и прилегающих к нему зонах;
4) поры сварного шва - полости округлой формы наполненные газом;
5) неметаллические выключения - шлаковые, окисные и другие частицы в металле шва.