Исследование макрошлифов

Для выявления особенностей внутреннего строения металлических деталей и заготовок широко используют метод исследование макрошлифов. Макрошлифом называют специально вырезанный из заготовки или детали кусок металла (образец), который подвергают шлифовке и последовательному травлению. Подготовку образца проводят следующим образом. После получения плоской поверхности образец шлифуют бумажной шлифовальной шкуркой вручную или на шлифовальном станке. При ручном шлифовании шкурку помещают на плоское твердое основание (обычно толстое стекло). Образец прижимают шлифуемой поверхностью к шкурке и ритмично перемещают вперед и назад по прямой линии, при механическом шлифовании шкурку закрепляют на вращающемся круге, образец прижимают вручную или устанавливают в зажимное приспособ­ление станка. После механической обработки шлиф имеет внешний вид. Для выявления усадочных раковин, газовых пузырей и трещин в отливках и заготовках пользуются нетравлеными шлифами (рис. 4). Но наиболее часто шлифы подвергают травлению.

Рисунок 4. Нетравленый макрошлиф

Запомните, что основной целью травления шлифа является выявление химической неоднородности (рис. 5), расположение волокон и мелких дефектов во внутренних полостях детали или отливки. Методы макротравления подразделяются на две основные группы: глубокого и поверхностного травления. Для выявления химической неоднородности и волокнистого строения используют глубокое травление.

Рисунок 5. Химическая неоднородность шлифа после травления (ликвационный квадрат)

Запомните, что действие химических реактивов основано на их способности избирательным образом растворять различные составляющие сплавов, изменять их окраску, выявлять микротрещины. Реактивы глубокого травления применяются главным образом для макроанализа слитков (отливок) и проката (паковок). Травление производится в течении 16 – 20 минут для углеродистых сталей и 25 – 40 минут – для легированных.

Поверхностное травление хорошо выявляет сравнительную пористость, например, в сварных швах, а так же определяет характер химической неоднородности и фигуры течения металла (рис. 6). Для поверхностного травления применяют реакции содержащие ионы меди, состава 85 г. CuCl₂ и 53 г. NH₄Cl на 1000 мл. воды (реактив Гейне). После травления медь с поверхности макрошлифа смывают водой, просушивают и после визуального осмотра дают характеристику данного металла.

Рисунок 6. Макроструктура сварного шва после травления

Определение химической неоднородности сталей

Кроме задач, перечисленных выше, макроанализ позволяет определить характер распределения химических элементов по объему заготов­ки или отливки. Наибольший интерес для практики представляет распре­деление таких элементов, как углерод, сера и фосфор.

Запомните, что сера и фосфор относятся к вредным примесям, т.е. элементам, которые ухудшают прочностные, пластические и технологичес­кие свойства. Эти элементы попадают в сталь уже в процессе выплавки из руды и печных газов.

Сера находится в стали в виде соединений с марганцем (МnS) и железом (FeS), а фосфор частично растворяется в металле или дает фосфиды железа Fe₃Р и Fe₂Р. Сульфиды FeS в смеси с кристаллами железа образуют легкоплавкую смесь (плавление при 988°С). Поэтому наличие легкоплавкой и хрупкой смеси FeS + Fе , расположен­ной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при 600°С и выше, т.е. в районе температур красного каления. Явление охрупчиваиия металла при нагреве выше 800°С и выше носит название красноломкости.

Фосфор, растворяясь в железе, повышает температуру перехода ста­ли в хрупкое состояние, иначе вызывает ее хладноломкость.

Запомните, что для оценки ликвации серы в стали используют так называемый "отпечаток по Бауману", Сущность анализа состоит в следующем. Хорошо подготовленный макрошлиф протирают водой или спиртом для снятия остатков абразивного материала, металлической пыли и других загрязнений. Затем лист фотографической бумаги (бромсеребряной) на свету смачивают или выдерживают в течение 5 – 10 минут в 5%-м растворе серной кислоты и слегка просушивают между листками фильтровальной бумаги для удаления излишнего раствора. После этого на приготовленный шлиф накладывают фотослоем бумагу и слегка, осторожно, не допуская смещении бумаги, проглаживают резиновым валиком или рукой для удаления оставшихся между бумагой и макрошлифом пузырьков воздуха, т.к. эти пузырьки оставляют на бумаге белые пятна и маскируют результаты анализа, выдерживают 1,5 – 2,0 мин., после чего фотобумагу промывают водой, а затем закрепляют в гипосульфит. На тех участках поверхности, где имеются скопления сернистых соединений, происходит реакция с серной кислотой, оставшейся на бумаге:

FeS(МnS) + H₂SO₄  FeSO₄(МnSO₄) + H₂S.

Образовавшийся сероводород непосредственно против очагов своего выде­ления взаимодействует с бромистым серебром фотобумаги по реакции:

2AgBr + H₂S  2HBr + Ag₂S.

Сернистое серебро ищет темный цвет, и наличие пятен на бумаге ука­зывает на характер распределения сульфидов в металле.

Фосфор, если он присутствует в отдельных участках стали, может также участвовать в реакции с бромистым серебром, образуя фосфиды серебра темного цвета. Для определения ликвации углерода и фосфора используют реактив Гейне. Участки шлифа стали с различным содержанием этих элементов травятся в реактиве неодинаково, а участках, обогащен­ных углеродом и фосфором, медь выделяется менее интенсивно и поэтому меньше защищает поверхность металла от травящего действия хлористых солей реактива. Эти участки окрашиваются в более темный цвет. Лучшие результаты получаются при макроанализе сталей, содержащих до 0,6 % углерода.