Лабораторная работа №2 Макроанализ металлов и сплавов
1. Цель и содержание работы
Цель работы: изучение методики и получение практических навыков проведения макроскопического анализа: изготовления и исследования макрошлифов, изучения поверхностей деталей и их изломов, выявления макродефектов.
Содержание работы. Получив у преподавателя набор образцов, каждый студент готовит макрошлифы для выявления их макроструктуры способом Гейна, изучает характер распределения сернистых включений используя метод Баумана, а также определяет характер и возможные причины разрушения контрольной детали по виду ее излома.
2. Основные понятия
Макроскопический анализ (макроанализ) – исследование металлов и сплавов невооружённым глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз).
С помощью макроанализа можно дать общую оценку состояния значительной площади поверхности детали или материала и выбрать типичные участки для дальнейшего углублённого изучения. Его проводят путем исследования поверхностей деталей, их изломов, а также специально подготовленных поверхностей деталей, называемых макрошлифами.
Макроанализ позволяет оценить качество материала, выявить наличие в нём макродефектов (усадочную рыхлость и раковины, газовые пузыри, пустоты и трещины различного происхождения), способ получения или обработки (литьё, обработка давлением, резание, сварка, наплавка, термическая или химико-термическая обработка), неоднородность, высказать предположения о возможных причинах разрушения детали по её внешнему виду и виду излома.
2.1. Исследование изломов
Излом – поверхность детали, образовавшаяся вследствие разрушения металла или сплава, из которого она изготовлена. В зависимости от состава металла, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изделия различают изломы: вязкие, хрупкие, смешанные и усталостные (рис.1).
Вязкий (волокнистый) излом имеет матовый цвет и бугристый рельеф. По виду вязкого излома нельзя судить о форме и размерах зёрен металла (кристаллов неправильной формы, образовавшихся при кристаллизации). На самой детали отмечаются зоны значительной пластической деформации, предшествовавшей разрушению (рис.1, а). Как правило, причиной вязкого излома является превышение действующей нагрузки над расчётной.
Хрупкий (кристаллический) излом характеризуется наличием на поверхности плоских блестящих участков (фасеток) (рис. 1,6). Излом может проходить как по границам зёрен (межкристаллитный), так и по самим зернам металла (транскристаллитный). Разрушение протекает без заметной пластической деформации, поэтому при хрупком изломе видны исходные форма и размер зёрен металла. Хрупкому разрушению способствуют поверхностные дефекты, конструктивные недостатки, низкая температура и ударные нагрузки при работе, крупное зерно, выделение по границам зёрен хрупких прослоек, межкристаллитная коррозия.
Хрупкое разрушение наиболее опасно, потому что происходит чаще всего при напряжениях ниже предела текучести металла. Разновидностями хрупкого излома являются нафталинистый, камневидный, фарфоровидный и другие.
Нафталинистый излом – транскристаллический, с крупным зерном и блеском, подобным блеску кристаллов нафталина. Он свидетельствует о повышенной хрупкости стали и наблюдается в легированных, преимущественно быстрорежущих сталях. Возможной причиной возникновения такого излома является нарушение термической обработки стали, вызывающее укрупнение зёрен.
Рис. 1. Внешний вид изломов металла: а – вязкий; б – хрупкий; в – смешанный;
г – усталостный. х 5
Хрупкий излом называют камневидным, если металл имеет крупнозернистое строение, а разрушение носит преимущественно межкристаллический характер. Причина образования такого излома – выделение по границам зёрен хрупких прослоек примесей при нарушении термической обработки металла.
Фарфоровидный излом характерен для закалённой стали, термически обработанной в соответствии с действующей технологией, вид излома матовый, мелкозернистый.
Обычно изломы бывают смешанными (рис. 1, в). При смешанном изломе на его поверхности наблюдаются участки как вязкого, так и хрупкого разрушения.
Усталостный излом образуется в результате длительного воздействия на металл циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций (рис.1, г). Излом состоит из трёх зон: зарождения трещины, распространения и долома.
Усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты. Первая зона (зона зарождения трещины) плоская и гладкая. Увеличиваясь в процессе работы детали, трещина образует зону распространения с концентрическими бороздками или дугами и мелкозернистым, фарфоровидным изломом. Зачастую она имеет отдельные участки гладкой притёртой поверхности. Долом происходит, когда ослабленное трещиной сечение детали не способно выдерживать прикладываемую нагрузку. Долом детали бывает вязким или хрупким.
2.2. Исследование макрошлифов
Для подготовки макрошлифа для исследования на металлорежущем станке или ножовкой по металлу из детали вырезают образец, одну из плоских поверхностей которого обрабатывают напильником или на плоскошлифовальном станке.
Затем образец шлифуют вручную или на шлифовально-полировальном станке шлифовальной шкуркой различной зернистости. Шлифование первой шкуркой с самым крупным зерном необходимо проводить на плоской основе возвратно-поступательными движениями в одном направлении, после чего следует смыть остатки абразива водой. Переходя на шкурку с более мелким зерном, образец поворачивают на 90° и проводят обработку до полного исчезновения рисок, образованных предыдущей шкуркой.
Образец промывают водой, обезжиривают, как правило, этиловым спиртом, просушивают и подвергают глубокому или поверхностному травлению. Протравленный макрошлиф промывают водой, для удаления остатков травящего раствора, обрабатывают спиртом и высушивают с целью предотвращения коррозии.
Травление большинством реактивов осуществляют погружением в них образца. Реактив, активно взаимодействует с участками, где имеются дефекты и неметаллические включения. Он с различной интенсивностью растворяет их или замещает атомы материала шлифа. Поверхность макрошлифа получается рельефной.
Рис. 2. Макроструктура заготовок деталей изготовленных: а – штамповкой; б – обработкой резанием.
Поверхностное травление, проводимое менее агрессивными реактивами, позволяет выявить в сталях, чугунах и цветных сплавах неоднородность, строение литого, деформированного или обработанного резанием металла (рис. 2), различного рода дефекты, качество сварных соединений (рис. З).
С помощью реактивов для глубокого травления выявляются даже внутренние дефекты, не выходящие непосредственно на поверхность шлифа.
Рис. 3. Общая химическая неоднородность сварного соединения.
Способ ГЕЙНА.
В этом случае в качестве реактива применяется 10 – 12%-ный водный раствор двойной хлористо-медно-алюминиевой соли, известный под названием реактива Гейна. Макрошлиф погружается в этот раствор на 1 – 2 минуты. При взаимодействии шлифа и реактива происходит замещение железа из поверхностного слоя шлифа медью, содержащейся в реактиве. Зерна и их границы имеют различный химический состав, поэтому скорость замещения по поверхности различна. На поверхности макрошлифа образуется слой меди разной толщины. Его удаляют мягким тампоном под струей воды, поверхность становится неровной и поразному отражая свет, проявляет строение шлифа.
Травление способом Гейна позволяет выявить неоднородности в распределении углерода, серы и фосфора, качество термической и химико-термической обработки, а также сварки и наплавки (рис.4).
Рис. 4. Макроструктура зубчатого колеса после
химико-термической обработки (цементации).
Метод БАУМАНА.
Распределение в металле вредных примесей и, в частности серы, оказывает существенное влияние на свойства стальной детали. Сера является причиной красноломкости стали, т.е. её охрупчивания при высоких температурах. Её содержание в стали (наряду с фосфором) регламентируется.
Характер распределения серы и фосфора определяется процессом кристаллизации металла в отливке или в сварном соединении, а также зависит от вида обработки давлением. Распределение серы в стали или чугуне можно оценить методом Баумана. В методе используется фотобумага и водный раствор серной кислоты.
Сера присутствует в составе сталей и чугунов в виде сульфидов (FeS и MnS). При взаимодействии их с серной кислотой, оставшейся на фотобумаге после её обработки, образуется сероводород.
Сероводород взаимодействует с бромистым серебром, входящим в состав покрытия (фотоэмульсии) фотобумаги.
Образующиеся на фотобумаге тёмные участки Ag2S выявляют форму и характер распределения серы в исследуемом материале (рис. 5).
Рис. 5. Распределение сульфидных включений по сечению профильного металла.
Время выдержки фотобумаги в водном 5-10% растворе H2SО4 составляет 5-10 мин. Затем, удалив с поверхности избыток раствора, её плотно прикладывают к чистому шлифу и выдерживают 3-5 мин.
Для сохранения "сернистого отпечатка" длительное время фотобумагу промывают в воде и погружают на 10 мин в 10%-ный раствор гипосульфита, который удаляет серебро, не вступившее во взаимодействие с H2S, что не дает возможности в дальнейшем фотобумаге темнеть. После этого фотобумага должна быть тщательно промыта водой и просушена.