3450 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Лабораторная работа № 9

Исследование строения металлов методами макроскопического анализа

 

  1. Цель работы

Целью настоящей работы является ознакомление с методикой исследования макростроения металлов методами макроскопического анализа, изучение характерных видов макроструктур на образцах железоуглеродистых сплавов и выявление неоднородности распределения серы и фосфора в этих сплавах.

 

  1. Назначение макроанализа

Макроскопический анализ (макроанализ) заключается в определении макростроения металлов невооруженным глазом или через лупу при небольшом увеличении (до 30 раз). Такой анализ позволяет одновременно наблюдать большую поверхность детали и определять качество металла. Макроанализ применяют для выявления кристаллического строения. При этом, если в процессе анализа выявлена структура металла, кристаллы которого имеют или приближаются к правильной геометрической форме (чаще к округлой), то такая структура металла будет иметь гранулическое строение, а кристаллы будут называться гранулами.

Если же кристаллы металла будут иметь ветвистую форму, напоминающую деревце, то такая структура металла называется дендритной, а кристаллы дендритами.

В большинстве случаев реальные металлы имеют дендритное строение. Кроме определения кристаллического строения макроанализ применяют для выявления усадочной рыхлости, газовых пузырей, трещин, пустот, шлаковых включений, расположения волокон в поковках и штамповках, ликвации серы и фосфора, структурной неоднородности, качества сварного соединения и т.п.

Макроанализ относится к структурным методам изучения металлов, которые очень широко применяются на производстве, так как между структурой металла и его свойствами в большинстве случаев существует достаточно надежная связь, то пользуясь макроанализом, можно судить о надежности работы деталей машин и конструкций. Макроанализ позволяет не только указать в каком направлении изменяются механические, физические или химические свойства при тех или иных изменениях в структуре, но и объяснить причины этих различий в свойствах. Достаточно, например, указать, что получение в конструкционных или инструментальных сталях более мелкого зерна позволяет значительно повысить сопротивление материала разрушению и т. п.

Макроанализ не позволяет определить всех особенностей строения металла. Поэтому часто макроанализ является не окончательным, а лишь предварительным видом исследования. По данным макроанализа можно выбрать те участки изучаемой детали, которые надо подвергнуть дальнейшему, более подробному микроскопическому исследованию.

Макроанализом можно изучать не только поверхность заготовок и деталей, но и их излом после соответствующей  предварительной подготовки образцов исследуемой поверхности, заключающейся в ее шлифовании и травлении специальными реактивами. Шлифованный и протравленный образец называют макрошлифом. Основные методы макроанализа металлов и его применение схематично показаны на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Макроанализ излома образца

Излом может быть разным по виду, форме и способности к отражению света и, следовательно, различаться в зависимости от состава металла, его строения, отдельных дефектов, условий обработки и напряженного состояния, при котором произошло разрушение образца. Анализ излома позволяет установить многие особенности строения материалов, а в ряде случаев и причины хрупкого или вязкого разрушения.

По форме различают излом ровный и с выступами, или чашечный. Первый вид излома характерен для хрупкого состояния, когда разрушение в условиях растяжения или сгиба произошло без видимой пластической деформации, а второй — для вязкого состояния.

Это описание излома может изменяться в зависимости от условий разрушения и поэтому оно приближенно и в некоторых случаях недостаточно точное. Излом, происходящий при кручении, наоборот, ровный и перпендикулярен оси образца у вязкого металла и сложной формы (по винтовой линии) — у хрупкого.

Анализ структурного строения излома более полно характеризует поведение металла при разрушении. По этому признаку различают изломы:

Кристаллический (цвет излома блестящий) — наблюдается при хрупком разрушении сталей пониженной вязкости (в том числе закаленных со значительным перегревом) и сталей, испытанных ниже порога хладоломкости;

Волокнистый (цвет излома матовый и зерна в этом случае не видны) — наблюдается при вязком разрушении, которому предшествовала значительная пластическая деформация;

Смешанный — кристаллический в одних участках и волокнистый в других. Такой излом характерен для стали, прокалившейся не полностью, — в закаленной поверхностной зоне цвет излома матовый (фарфоровидный), а в середине — блестящий.

По отражению света излом может быть светлым, характерным для стали и белых чугунов, т.е. чугунов, в которых весь углерод связан в цементите, и темным — у чугунов с графитом (серых, ковких и высокопрочных).

Наиболее часто наблюдаемые характеристики излома сталей и чугунов представлены схематично на рис.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Макроанализ шлифов

Существует несколько способов макроанализа, проводимых на макрошлифах, различающихся по задачам, поставленным при исследовании конкретных заготовок (деталей). Так, для выявления дендритного строения химической и структурной неоднородности, а также волокнистой структуры, используют реактивы глубокого и поверхностного травления. Их использование основано на том, что сравнительно однородные участки стали с меньшим содержанием легирующих элементов, углерода и вредных примесей, как, например, осевые зоны в литой стали или волокна в катанной стали, протравливаются меньше, чем межосные зоны или граничные зоны волокон, т.е. именно те, где имеются дефекты несплошности, где имеются участки с более развитой и активной поверхностью. После травления первые оказываются более выступающими и светлыми, что фиксируется визуально.

Естественно, что макроанализ дает лишь качественную оценку такой химической неоднородности, но он позволяет выявить участки с большим или меньшим содержанием разных примесей и, таким образом, оценить качество металла в целом. Выявляемая при макроанализе химическая неоднородность металлических сплавов позволяет характеризовать их макростроение, зависящее от способа изготовления деталей. В литой стали выявляется характерное дендритное строение, в кованной или катанной стали — волокнистое — как результат более сильного вытравливания вытянутых вдоль направления течения металла ликвационных участков и неметаллических включений.