693
.pdfб) трещины в катаном или кованом металле, возникающие при обработке давлением или термической обработке;
в) раковины, трещины, возникающие при сварке в сварных швах.
Для определения дефектов, нарушающих сплошность стали, применяют реактивы глубокого травления и реактивы поверхностного травления. Реактивы глубокого травления используют, главным образом, для макроанализа слитков (отливок) и проката (поковок). Для этого заготовку или деталь шлифованной поверхностью помещают в 50 %-й водный раствор концентрированных кислот: соляной – для углеродистых сталей и азотной – для легированных.
Реактивы глубокого травления воздействуют на поверхность стали. Агрессивное действие концентрированных кислот и их смесей неодинаково на отдельных участках металла, оно больше на участках с более развитой и активной поверхностью, т.е. с порами, раковинами, трещинами и концентрацией напряжений. Поэтому после травления макрошлиф, имеющий такие дефекты, получает избирательно протравленную поверхность, на которой видны трещины и пористость.
Реактивы поверхностного травления хорошо выявляют пористость в зоне сварного шва (в зоне наплавленного металла) и трещины.
Чаще всего для сталей применяют реактивы следующего состава: 35 г СuCl2 и 53 г NH4Cl на 1000 мл воды. Шлифованный образец помещают на 30–60 с в этот реактив.
При таком травлении выявляются скопления сульфидов, места ликвации фосфора и углерода, глубина упрочненного слоя после поверхностной закалки или цементации.
2.1. Выявление строения литой стали
При плавочном контроле, после глубокого травления литых слитков, могут быть выявлены следующие макродефекты:
1.Центральная пористость – поры сосредоточены в центре заготовки или детали (рис. 7, а).
2.Общая пористость – поры равномерно распределены по сечению макрошлифа (рис. 7, б).
10
а) |
б) |
|
|
|
|
Рис. 7. Макродефекты литых слитков:
а– центральная пористость; б – общая пористость
3.Внутренние и подкорко-
вые пузыри, которые образуются газами, не успевающими выделиться из жидкого металла при его кристаллизации (рис. 8).
4. Межкристаллические
трещины, которые имеют зигза- Рис. 8. Подкорковые пузыри гообразную формулу и распола-
гаются обычно в центре слитка (рис. 9).
Рис. 9. Межкристаллические трещины
5.Флокены (скопление трещин). Флокены (рис. 10) в продольном изломе имеют вид светлых пятен, а в поперечном – вид трещин.
6.Общая пятнистая ликвация или ликвационный квадрат (рис. 11).
Макрошлиф, изготовленный из поперечного сечения образца, называют темплетом. Плавочный контроль проводится путем
11
сравнения исследуемой поверхности макрошлифа с эталонами ГОСТа. Все стали имеют свои допустимые баллы по дефектам.
Рис. 10. Флокены |
Рис. 11. Ликвационный квадрат |
2.2. Выявление дефектов, созданных обработкой давлением
Макроструктура слитка в процессе обработки давлением (прокатки, ковки и т.п.) изменяется. Зерна вытягиваются вдоль направления течения металла. Макроструктура сплава становится волокнистой. Волокнистая структура обладает анизотропностью механических свойств.
Анизотропия – это различие свойств в разных направлениях. Относительное удлинение, поперечное сужение и ударная вязкость образцов, вырезанных вдоль волокна (продольные образцы), выше, чем у образцов, вырезанных поперек волокна (по-
перечные образцы).
При обработке деталей на металлорежущих станках волокна металла могут быть перерезаны, вследствие чего ударная вязкость оказывается неодинаковой в зависимости от направления волокон.
В деталях, работающих с повышенными удельными нагрузками, особенно динамическими (коленчатые валы, клапаны двигателей, зубчатые колеса и т.д.), необходимо, чтобы волокна не перерезались, а следовали параллельно контуру детали или, что наиболее желательно, в направлении наибольших напряжений.
На рис. 12 показаны схемы макроструктуры продольного сечения коленчатого вала с правильным (а) и неправильным (б) направлением волокон. В первом случае вал изготовлен путем
12
горячей деформации и волокна повторяют конфигурацию вала. Во втором случае коленчатый вал выточен из проката. Здесь наблюдается резкое снижение механических свойств в месте перехода от щеки к шейке вала, так как в этом месте напряжения, возникающие при изгибе или кручении, направлены не вдоль волокон, а поперек.
а) |
б) |
Рис. 12. Макроструктура коленчатого вала с правильным – а
инеправильным – б расположением волокон
Вдеформированных изделиях могут быть трещины различных типов, такие как:
– волосовины – мелкие многочисленные трещины, возникающие из поверхностных газовых пузырей в слитке (рис. 13);
– закаты, которые аналогичны волосовинам, но не являются прямыми и радиальными (рис. 14);
Рис. 13. Волосовины |
Рис. 14. Закаты |
– расслоения – разделение плоских изделий вдоль осевой плоскости (рис. 15).
13
Рис. 15. Расслоения
Некоторые трещины образуются только во время деформации слитка, например, закаты и флокены. Другие, подобно волосовинам и расслоениям, возникают в исходном состоянии.
2.3. Определение химической неоднородности сплава (ликвации)
Макроанализ выявляет зональную и дендритную ликвацию в стали углерода и вредных примесей серы и фосфора. Степень и характер ликвации зависят не только от содержания вредных примесей, но и от условий разливки металла, и кристаллизации слитка (отливки), и последующей обработки давлением. Макроанализ обладает по сравнению с химическим анализом тем преимуществом, что показывает неоднородность в распределении примесей по сечению (объему) изучаемой заготовки и таким образом обнаруживает участки, более загрязненные или, наоборот, – более чистые по содержанию примесей.
Для определения ликвации серы и фосфора в сталях и чугунах часто используют метод Баумана.
Для этого бромосеребряная бумага, смоченная в 5 %-м водном растворе серной кислоты, накладывается на поверхность макрошлифа и равномерно проглаживается в течение трех минут. Затем отпечаток промывают водой, фиксируют в растворе гипосульфита; снова промывают и высушивают.
При травлении в реактиве Баумана происходят следующие реакции:
H2SO4 + MnS → Mn SO4 + H2S↑
H2S + 2AgBr → Ag2S + 2HBr.
Образующееся соединение Ag2S (сернистое серебро) имеет коричневый цвет.
Если распределение сульфидов в исследуемом макрошлифе равномерное, отпечаток имеет равномерную коричневую окрас-
14
ку. При наличии скоплений сульфидов на отпечатке образуются темно-коричневые сгустки.
Обычно вместе с серой ликвирует и фосфор. Поэтому принято считать, что метод Баумана позволяет выявить места скоплений вредных примесей – серы и фосфора (рис. 16).
а) |
б) |
|
Рис. 16. Ликвация серы в стали:
а– сталь имеет большую неравномерность в распределении серы;
б– более равномерное распределение серы в стали
Ликвация серы, фосфора и углерода может быть обнаружена и при травлении макрошлифа реактивом поверхностного травления. Макрошлиф шлифованной поверхностью погружают на 30 с в реактив:
35 г СuCl2 + 53 г NH4Cl + 100 см3 Н2О,
при этом происходит обменная реакция, при которой железо вытесняет медь:
СuCl2 + Fe′ → FeCl2 + Cu′.
Медь осаждается более плотным слоем на участках макрошлифа с плотным строением металла и предохраняет их поверхность от глубокого травления хлористым аммонием. На участках макрошлифа с повышенным содержанием углерода, серы и фосфора обменная реакция развивается не полностью; эти участки оказываются недостаточно защищенными медью и поэтому сильнее травятся.
После выдержки в реактиве макрошлиф вынимают из раствора и ватой, смоченной в воде, быстро смывают слой меди, а шлиф подсушивают.
15
2.4. Определение неоднородности, созданной термической или химико-термической обработкой
Как уже указывалось выше, глубину закаленного и цементованного слоя можно увидеть в изломе. Закаленный (или цементованный и закаленный) слой имеет более мелкое зерно и получает матовый фарфоровидный (шелковистый) излом, заметно отличающийся от вида излома сердцевины. Толщину этого слоя можно определить невооруженным глазом или с помощью лупы. Кроме того, он четко проявляется после травления шлифованной поверхности в 50 %-м растворе соляной кислоты. Закаленный слой имеет более темную окраску, чем основной металл (рис. 17). Цементованный слой можно выявить воздействием раствора гипосульфита на шлифованную поверхность металла. В результате этого цементованная полоса слоя остается светлой, а остальной металл покрывается темной пленкой сернистого железа.
Рис. 17. Макрошлиф детали с закаленным верхним слоем металла
3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Ознакомиться с типичными макродефектами металлов и сплавов на стенде и в атласах.
2.Каждому студенту получить коллекцию образцов для макроисследования. Зарисовать предложенные для исследования детали.
3.Осмотреть поверхность исследуемых деталей:
а) изучить форму;
16
б) установить наличие окалины; в) установить наличие следов механической обработки;
г) оценить качественно чистоту поверхности; д) установить наличие литейных уклонов, скруглений, следов
плоскости разъема и т.п.; е) установить наличие следов облоя.
На основании полученных наблюдений сделать предварительное заключение о технологии изготовления детали (или образца):
1 – литье;
2 – обработка давлением;
3 – механическая обработка.
4.Провести макроанализ изломов двух деталей по следующему плану:
а) оценить изломы по ориентации поверхности разрушения, макрогеометрии, шероховатости, цвету, блеску, степени пластической деформации;
б) зарисовать изломы; в) описать условия образования изломов;
г) сделать вывод о влиянии найденных дефектов на эксплуатационные свойства сплава.
5.Провести макроанализ макрошлифа исследуемой детали по следующему плану:
а) исследовать макрошлиф на наличие у него макродефектов
иликвации;
б) зарисовать его характерное макростроение.
Вопросы для самоконтроля
1.Что понимается под термином «макроструктура»?
2.Что представляет собой макроструктура слитка?
3.Объясните возникновение зональной ликвации.
4.Что такое дендритная структура?
5.Чем обусловлена анизотропия механических свойств деформированного металла?
6.Каков механизм выявления ликвации серы при травлении по Бауману?
7.Что такое макрофрактография и на каких приборах она прово-
дится?
17
Библиографический список
1.Воронин Н.Н., Евсеев Д.Г., Засыпкин В.В. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники: Учебник для вузов. М.: Маршрут, 2004. 456 с.
2.Дефекты стали: Справ. изд. / Под ред. С.М. Новокшеновой. М.: Металлургия, 1984. 199 с.
|
Оглавление |
|
1. |
Макроанализ изломов...................................................................................... |
3 |
2. |
Макроанализ при помощи макрошлифов ..................................................... |
9 |
|
2.1. Выявление строения литой стали ......................................................... |
10 |
|
2.2. Выявление дефектов, созданных обработкой давлением .................. |
12 |
|
2.3. Определение химической неоднородности сплава (ликвации)......... |
14 |
|
2.4. Определение неоднородности, созданной термической или |
|
|
химико-термической обработкой .............................................................. |
16 |
3. |
Порядок выполнения работы........................................................................ |
16 |
Вопросы для самоконтроля .............................................................................. |
17 |
|
Библиографический список.............................................................................. |
18 |
|
18