Материаловедение

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Макроанализ применяют для выявления в металле дендритного строе­ния, усадочной рыхлости, газовых пузырей, трещин, пустот, плен, шлаковых включений, расположения волокон в поковках и штамповках, ликвации серы и фосфора, структурной неоднородности, качества сварного соединения.

При макроанализе проводится исследование макроструктуры.

Макроструктура может быть исследована непосредственно на поверх­ности заготовки или детали; в изломе или, что делается чаще, на вырезанном образце (темплете) после его шлифования и травления специальным реактивом.

Образец (темплет) металла, поверхность которого подготовлена для макроанализа, называется макрошлифом.

 

ПРИГОТОВЛЕНИЕ МАКРОШЛИФА

 

Место и способ вырезки образца.

Образец для макроанализа вырезают в определенном месте и в определенной плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию - отливку, поковку, штамповку, прокат, сварную или термически обработанную деталь и что требуется выявить и изучить -первичную кристаллизацию, дефекты, нарушающие сплошность металла, не­однородность структуры. В связи с этим образцы вырезают из одного или не­скольких мест слитка, заготовки или детали как в продольном, так и в попе­речном направлении.

Получение плоской поверхности образца. Поверхность образца для макроанализа обрабатывают на фрезерном пли строгальном станке (если ма­териал с невысокой твердостью) или на плоскошлифовальном станке (если материал твердый). Для получения более гладкой поверхности образец шли­фуют вручную.

При шлифовании по поверхности образца водят шлифовальной шкур­кой- обернутой вокруг деревянного бруска. Шлифование начинают шкуркой с наиболее грубым абразивным зерном, затем постепенно переходят на шли­фование шкуркой с более мелким зерном. При переходе с одного номера шкурки на другой направление шлифования меняют на 90 градусов. После шлифования образцы протирают ватой и подвергают травлению.

 

ВЫЯВЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ (ЛИКВАЦИИ) СЕРЫ И ФОСФОРА

 

ВЫЯВЛЕНИЕ ЛИКВАЦИИ СЕРЫ.

 

Для выявления в стали ликвации серы при­меняют метод Баумана, для выполнения которого необходимо:

1) макрошлиф хорошо протереть ватой, смоченной спиртом, и поло­жить на стол шлифованной поверхностью вверх;

2) лист глянцевой бромосеребряной фотографической бумаги вымо­чить на свету в течение 5—10 мин в 5 %-м водном растворе серной кислоты, слегка просушить между двумя .листами фильтровальной бумаги для удале­ния избытка раствора, наложить эмульсионной стороной на макрошлиф и. приглаживая сверху рукой пли резиновым валиком, удалить образующиеся пузырьки газов, выдержать на макрошлифе в течение 2-3 мин и осторожно снять с него;

3) полученный отпечаток промыть в воде, зафиксировать в 25 %-м вод­ном растворе гипосульфита, снова промыть в воде и просушить.

Полученные на фотобумаге участки коричневого цвета указывают на места, обогащенные серой (скопления сульфидов). Если фотобумага имеет равномерную окраску, следовательно, сера распределена равномерно.

Появление темных участков в местах, обогащенных серой, объясняется тем, что сначала между серной кислотой, впитанной в фотобумаг}', и вклю­чениями MiiS, в виде которых сера находится в стали, происходит следую­щая реакция:

MnS + H2S04 = MnS04 + H2S

Образующийся сероводород действует на бромистое серебро эмульси­онного слоя, в результате получается сернистое серебро, имеющее темно-коричневый цвет;

2AgBr + H2S = Ag2 S + 2HBr

На рис. 1.1 дана фотография отпечатка, характеризующего неравно­мерное распределение серы в образце рельса.

 

ВЫЯВЛЕНИЕ ЛИКВАЦИИ ФОСФОРА.

 

Ликвацию фосфора в стали выявляют травлением отшлифованного образца в реактиве состава: 85 г хлорной меди. 53 г хлористого аммония в 1000 см3 воды.

Для выявления ликвации необходимо:

1) отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной спиртом;

2) образец погрузить в указанный реактив и выдержать в нем 1-2 мин: при выдержке образца в реактиве железо растворяется и вытесняет медь, ко­торая осаждается на поверхности образца:

3) после выдержки образец вынуть из реактива: вся поверхность об­разца должна быть покрыта медью:

4) струей воды смыть с поверхности слой меди и протереть макро­шлиф мокрой ватой:

5) просушить образец.

Более темные, т. е. глубоко протравленные участки, - это места, обо­гащенные фосфором, так как чем больше в железе фосфора, тем быстрее оно растворяется: светлые участки - места с меньшим содержанием фосфо­ра (рис. 1.2).

 

ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ, НАРУШАЮЩИХ СПЛОШНОСТЬ МЕТАЛЛА

 

Для выявления в стали дефектов, нарушающих сплошность металла (трещин, пор, раковин), проводится глубокое травление отшлифованного об­разца водным раствором соляной кислоты (50 см3 НО, 50 см3 воды).

Работу необходимо выполнять следующим образом:

1. Отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной спиртом.

2. В водяную баню, установленную в вытяжном шкафу (так как при травлении выделяются ядовитые газы), поместить фарфоровую ванну, влить в неё реактив и нагреть до температуры 60-70 °С.

3. Образец при помощи щипцов погрузить в горячий реактив и вы­держать в нем 10-45 мин.

4. После выдержки образец при помощи щипцов вынуть из реактива.

5. Образец промыть водой, затем 10-15 %-м водным раствором азот­ной кислоты и просушить.

При глубоком травлении раствором кислоты высокой концентрации происходит растравливание дефектов, нарушающих сплошность металла -они становятся видимыми невооруженным глазом (рис. 1.3).

 

ВЫЯВЛЕНИЕ СТРОЕНИЯ ЛИТОЙ СТАЛИ

 

Строение литой стали (дендритной структуры) выявляют травлением отшлифованного образца в 15 %-м водном растворе персульфата аммония. Для выявления дендритной структуры необходимо:

1) отшлифованную поверхность образца протереть ватой, смоченной спиртом;

2) в водяную баню поместить фарфоровую ванну, налить в неё реак­тив и нагреть до 80-90 °С;

3) образец при помощи щипцов погрузить в горячий реактив и вы­держать в нем 5-10 мин:

4) после выдержки в реактиве образец при помощи щипцов вынуть из реактива:

5) образец промыть водой и просушить.

На рис. 1.4 дана макроструктура литой стали.

 

ИЗУЧЕНИЕ ИЗЛОМОВ

 

Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия, выявляются при изучении изломов.

Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разру­шения металлов. Изломы металлов могут существенно отличаться по цвету'. Так, стали и белые чугуны, в которых весь углерод связан в цементите, име­ют излом светло-серого цвета. У графитизированных сталей и чугунов. в ко­торых углерод находится преимущественно в виде графита, излом черного цвета.

На поверхности изломов можно видеть дефекты, которые способство­вали разрушению. В зависимости от состава, строения металла, наличия де­фектов, условий обработки и эксплуатации изделий изломы могут иметь вяз­кий, хрупкий или усталостный характер.

Вязкий (волокнистый) излом (рис. 1.5. а) имеет бугристо-сглаженный рельеф и свидетельствует о значительной пластической деформации, пред­шествующей разрушению. По виду вязкого излома нельзя судить о форме и размерах зерен металла.

Хрупкий (кристаллический) излом (рис. 1.5, б) характеризуется нали­чием на поверхности плоских блестящих участков (фасеток). Так как разру­шение протекает без заметной пластической деформации и форма зерна не искажается, то на хрупком изломе видны исходная форма и размер зерен ме­талла. При этом разрушение может происходить через зерна (транскристал­лический излом) .либо по границам зерен (интеркристаллический, или меж­кристаллический, излом). Разрушение по границам зерен имеет место при наличии на границах неметаллических включений (фосфиды, сульфиды, ок­сиды) или других выделений, ослабляющих прочность границ зерна.

Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как происходит чаще всего при напряжениях ниже предела текучести материала. Его возникновению способствуют наличие поверхностных дефектов, конструкционные просчеты (резкое изменение сечения, толстостенность деталей), низкая температура и ударные нагрузки при работе, крупнозернистость металла, выделение по гра­ницам зерен хрупких фаз, межзеренная коррозия. Разновидностями хрупкого излома являются нафталинистый. камневидный. фарфоровидный и др.

Нафталииистый излом - транскристаллический с крупным зерном и избирательным блеском, подобным блеску кристаллов нафталина. Он свиде­тельствует о повышенной хрупкости стали и наблюдается в легированных, преимущественно быстрорежущих сталях. Причиной возникновения такого излома является перегрев стали, вызывающий укрупнение зерен и образова­ние определенной ориентации структурных составляющих (текстура). Внеш­не в изломе текстура проявляется как одно крупное зерно. Нафталинистый излом устраняется путем многократных повторных фазовых перекристалли­зации металла.

Хрупкий излом называют камневидиым, если металл имеет крупно­зернистое строение, а разрушение носит преимущественно межкристалличе­ский характер. Причина образования такого излома - перераспределение примесей при перегреве металла с выделение их в приграничных участках зе­рен. Камневидный излом можно устранить путем гомогенизирующего отжига.

Обычно изломы бывают смешанными. При смешанном изломе на его поверхности наблюдаются участки вязкого и хрупкого разрушения.

Фарфоровидный излом характерен для правильно закаленной стали, вид излома матовый, мелкозернистый.

Усталостный излом (рис. 1.6) образуется в результате длительного воздействия на металл циклических напряжений и деформаций. Излом со­стоит из трех зон: зарождения трещины, собственно усталостного распро­странения трещины и долома. Механизм усталостного разрушения следую­щий: усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты. Первая зона плоская и гладкая. Увеличиваясь при работе детали, трещина образует зону собственного усталостного распро­странения с характерными концентрическими бороздками или дугами и мел­козернистым, фарфоровидным изломом. Зачастую она имеет отдельные уча­стки гладкой притертой поверхности. Долом происходит внезапно, когда ос­лабленное трещиной сечение детали не способно выдержать прикладываемой механической нагрузки. Долом бывает вязким или хрупким.