Передмова Методичні вказівки написані згідно з робочою навчальною програмою курсу“ Матеріалознавство” для студентів спеціальностей: 7.070801; 7.091601;7.091602; 7.091604; 7.091612.

В них мiститься повний опис 7 лабораторних робіт. Лабораторний практикум займає важливе мiсце у системi підготовки iнженера-технолога при вивченні дисциплiни “Матерiалознавство”. Курс лабораторних робiт, який охоплюється цими методичними вказiвками, включає роботи по вивченню макро- та мікробудови металiв, структури та властивостей залiзовуглецевих сплавiв, аналiзу подвiйних дiаграм стану та iн. Дані методичнi вказiвки призначенi допомогти студентам виконати i захистити лабораторнi роботи з цiєi дисциплiни. У пропонованої кожнiй роботi приведенi елементи теоретичної частини, будова лабораторних приладiв та устаткування, порядок виконання роботи i контрольнi запитання, якi дозволяють перевiрити рiвень знань студентiв пiд час захисту робіт i вмiння оцiнити отриманi результати. Список лiтератури до лабораторних робіт мiститься у кiнцi методичних вказiвок.

Пiд час виконання завдань до лабораторних робiт студенти повиннi дотримуватись таких вимог:

• усi побудови /графiки, рисунки, таблицi/ виконують з дотриманням вiдповiдного масштабу, олiвцем за допомогою креслярских приладiв;

• вказують мету роботи, записують завдання та чiтко i лаконiчно вiдповiдають на нього:

- у кiнцi наводять висновки до роботи.

Лабораторна робота № 1 Макроаналiз

Мета роботи: навчитися проводити макроаналiз металiв i сплавiв i робити висновки щодо iх якостi.

Обладнання: зразки з дефектами, волокнистою будовою, несуцiльнiстю литої сталi.

Теоретична частина

Макроаналіз полягає в дослідженні будови металів та сплавів неозброєним оком або при незначному збільшенні /до ЗО разів/. Таке збільшення дозволяє вивчати великі перетини металів, робити висновки про їх будову та наявність певних дефектів, а також вибирати ділянки для подальших досліджень. Будова металів та сплавів, що визначена таким чином, називається макроструктурою.

За допомогою макроаналізу можна визначити:

• порушення суцільності металу /усадочна пухкість, центральна пористість, підкоркові пухирі, свищі/:

• будову литого та деформованого металів;

• хімічну неоднорідність /ліквацію/;

• вид зламу.

Макроаналіз литого металу. Травлення макрошліфа проводять в 15%-му водному розчині персульфату амонію при температурі 80-90°С на протязі 5-10 хвилин. Для литого металу характерні велика неоднорідність зерен за формою та розміром, наявність несуцільностей, неоднорідність хімічного складу. Ці особливості будови литого металу, які погіршують його властивості і тому належать до недоліків, обумовлені процесом кристалізації.

Макроаналіз стального зливка показав, що в його структурі можна виділити три зони:

• дрібних дезорієнтованих кристалів:

• орієнтованих стовпчастих кристалів;

• великих дезорієнтованих рівновісних кристалів.

Макроаналіз деформованого металу. Макроструктура деформованого металу утворюється при пластичній деформації в гарячому чи холодному станах. Несуцільності, які були в металі, внаслідок прокатки, кування, штампування чи волочіння усуваються. Дендрити і зерна деформуються та витягуються в напрямку обробки: витягуються також неметалеві включення. Внаслідок цього формується типова для прокатаного металу полосчаста /волокниста/ структура. Волокниста будова металу обумовлює анізотропію його властивостей/різниця властивостей вздовж та поперек волокон/. Пластичність, міцність, в'язкість зразків, вирізаних вздовж волокон, вище, ніж зразків, вирізаних поперек. Відповідальні вироби, що працюють при значних динамічних навантаженнях /колінчасті вали, шестірні, шатуни, крюки/, виробляють таким чином, щоб волокна у виробах не перерізались, а відповідали конфігурації виробу.

Макроструктура після термічної та хіміко-термічноі обробки. Структури такого типу неоднорідні. Внаслідок гартування, цементації, азотування та Інших видів хіміко-термічної обробки будова поверхні у порівнянні з будовою основи суттєво змінюється. По макрошліфу чи вигляду зламу можна говорити про наявність змін будови поверхневого шару металу.

Макроструктура зварного шва. Зварний шов травлять 10-15 %-м водним розчином персульфату амонію. Під час травлення з поверхні шліфа періодично прибирають оксиди, що виникають в процесі. Травлений таким чином шліф промивають в проточній воді, сушать, промивають спиртом та вивчають візуально або за допомогою лупи чи мікроскопа. У макроструктурі зварного шва виділяють дві зони наплавленого та основного металів. Для будови наплавленого металу характерна наявність стовпчастих кристалів, розмір яких на відміну від розміру кристалів литого металу, досить малий. Ця різниця викликана великою швидкістю кристалізації наплавленого металу зварного шва.

Методом макроскопічного аналізу можна виявити також зону термічного впливу, непровар, тріщини, шлакові домішки.

Методи шліфів та зламів. Для дослідження макроструктури металів використовують методи шліфів та зламів. Згідно з цими методами вид зламу визначають безпосередньо спостереженням, тоді як інші особливості макроструктури на макрошліфах.

Метод шліфів. На практиці широко використовують метод аналізу макрошліфів. Макрошліф це зразок з плоскою відшліфованою та, якщо це необхідно, протравленою поверхнею, який вирізають з досліджуваної сталі. Макрошліф роблять таким чином. На металорізальному верстаті або іншим чином вирізають зразки. Одну площину шліфують вручну або на шліфувальному верстаті. Спочатку шліфують зразок на шліфувальному папері з великим розміром абразивного зерна в одному напрямі. Після переходу на більш тонкий шліфувальний матеріал напрям обробки змінюють на кут 90° і продовжують шліфування. Після шліфування на папері із найменшою зернистістю зразки промивають водою та просушують. Для визначення дефектів шліф знежирюють та травлять. Реактив більш активно взаємодіє з тими ділянками, де є дефекти та неметалеві включення. Поверхня виходить рельєфною. Розрізняють глибоке та поверхневе травлення. За допомогою глибокого травлення визначають макроструктуру зливків, прокату, а також пори, раковини, ліквацію. За допомогою менш агресивних реактивів проводять поверхневе травлення, що дозволяє виявити ліквацію, досить велику пористість в зварних швах, а також інші несуцільності, що виходять на поверхню.

Виявлення сірки в металі. Сірка в сталі знаходиться у вигляді сульфідів FeS, MnS і є шкідливою домішкою, що викликає червоноламкість. Сульфід заліза утворює з залізом евтектику з температурою плавлення988 °С. При нагріванні сталі до температур прокатки чи кування /до 1300 °С/ евтектика плавиться і сталь при деформації руйнується. Ліквації сірки в сталях та чавунах можна визначити методом Баумана. До поверхні шліфа прикладають аркуш паперу, попередньо змоченого в 5-%-му водному розчині сірчаної кислоти. Під час видержки змішувати папір по поверхні шліфа не можна. На поверхні шліфа, в місцях з підвищеною концентрацією сірки, проходитиме реакція між сульфідами та сірчаною кислотою:

FeS + H₂SO = FeSO₄ + H₂S

MnS + H₂SO = MnSO₄ + H₂S

Сірчаний водень в місцях свого виділення реагує з бромистим сріблом, що входить до складу фотопаперу:

Н₂S + 2АgВr = Аg₂S + 2НВr

Сірчане срібло має темний колір. Темні ділянки на фотопапері що виникають після проведення експерименту, показують характер розподілу сульфідів у сталі. Знятий з макрошліфа фотопапір промивають у воді, фіксують в розчині гіпосульфату /20-30 хвилин/ та сушать. Перевагою методу є те, що він дозволяє визначити розподіл сірки в сталі на відміну від хімічного аналізу, який показує тільки її вміст.

Метод зламів. Метод зламів полягає у вивченні поверхні, яка виникає при руйнуванні металевих зразків. За допомогою цього методу можна виявити: форму та розмір зерен, різновид зламу, характер руйнування. Розрізнюють такі види зламів: в'язкий та крихкий. В'язкий злам має бугристий рельєф, що засвідчує значний ступінь пластичної деформації перед руйнуванням. Форму та розміри зерен металу по вигляду в'язкого зламу виявити неможливо. Для крихкого зламу характерна наявність на поверхні блискучих ділянок /фасеток/. Руйнування в цьому випадку проходить без помітної пластичної деформації. Форма та розмір зерен не змінюються, що дозволяє судити про їх вихідні розміри. Крихкий злам ділять на міжкристалічний та транскристалічний. При міжкристалічному зламі руйнування проходить по кордонах зерен металу, що обумовлено наявністю неметалевих сполук-сульфідів, карбідів, нітридів та ін. ; при транскристалічному - скрізь зерно по площинах ковзання кристалічної решітки. Крихкий варіант руйнування найбільш небезпечний, так як проходить частіше за все при напрузі меншій за межу плинності матеріалу. Вигляд зламу залежить також від умов випробування температури, швидкості навантаження, характеру напруженого стану. Відомі наступні основні види крихких зламів:

• нафталіністий транскристалічний з великим зерном та вибірковим блиском. Такий злам свідчить про високу крихкість і є характерним для легованих інструментальних сталей. Головна причина такого явища перегрів при термічній обробці, що сприяє збільшенню текстури /переважної орієнтації зерен в певному напрямку;

• камнеподібний якщо руйнування проходить по кордонах великих зерен. Причиною такого руйнування є домішки, які при перегріві металу концентруються на кордоні зерен або в прикордонних зонах;

• фарфороподібний дрібнозернистий з матовим відтінком. При втомі металу руйнування спостерігається після тривалого впливу циклічних навантажень. Злам у цьому випадку складається з трьох зон: зони зародження тріщини, зони розповсюдження тріщини при циклічних навантаженнях зони втоми, долому. Перша зона рівна, для другої характерні концентричні борозни чи дуги і ділянки фарфоровидного зламу. Зона долому може бути в'язкою чи крихкою. Частіше злами бувають змішаними, в макроструктурі яких спостерігаються ділянки в'язкого та крихкого зламів.