860

МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с сущностью, задачами макроанализа, его методиками

ипрактическим выполнением.

2.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Макроскопическим анализом называют метод исследования структуры и дефектов металла невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы.

Макроанализ металлов можно разделить на 2 вида:

1.Макроанализ по виду излома.

2.Макроанализ при помощи макрошлифов.

3.Предшествующая обработка металла (литье, горячая обработка давлением – прокатка, ковка, штамповка, прессование и т.д.; термическая обработка, сварка) определяет макроструктуру металла.

Макроанализ по виду излома

Изучение изломов металлов состоит из просмотра их невооруженным глазом или с помощью лупы.

По виду излома можно судить о характере разрушения металла, о величине зерна, наличии перегрева, причине разрушения.

Различают изломы: хрупкий, вязкий, усталостный.

ХРУПКИЙ ИЗЛОМ (обр.№1). Хрупкий излом – кристаллический (блестящий), происходит без предварительной пластической деформации; по нему можно установить форму и размер зерен, т.к. структура в процессе разрушения практически не искажается.

ВЯЗКИЙ ИЗЛОМ (обр. №2). Вязкий излом – волокнистый (матовый), такому излому предшествует пластическая деформация, искажающая действительную форму и размер зерен.

Вид излома зависит от состава металла, его структуры, условий нагружения и особенно от температуры.

Один и тот же металл в зависимости от ярда факторов может иметь вязкий или хрупкий изломы.

УСТАЛОСТНЫЙ ИЗЛОМ (обр. №3). Это особый вид излома, образующийся под воздействием циклических нагрузок. Начинается с образования трещины, которая постепенно развивается. Провоцирующим фактором образования таких трещин является наличие в металле любых дефектов – поверхностных и внутренних, являющихся концентраторами напряжений.

С появлением трещины разрушение сразу не происходит, т.к. в начальный момент разрушения напряжения от нагрузки меньше предела прочности материала.

Пораженная трещиной часть сечения не несет нагрузки, а оставшаяся часть сечения непрерывно уменьшается.

Когда действующие в нем напряжения превысят предел прочности, произойдет разрушение.

Этот излом имеет 2 зоны:

1– зона роста трещины. Эта зона часто обладает ступенчато-слоистым строением со следами потертости;

2 – зона долома, имеющая хрупкий или вязкий характер в зависимости от свойств металла.

Макроанализ при помощи макрошлифов

МАКРОШЛИФ – это вырезанный из детали образец с заторцованной и шлифованной поверхностью.

Методика приготовления макрошлифа заключается в следующем: заготовка для макрошлифа вырезается из изделия в определенном месте в зависимости от цели исследования. Исследуемая поверхность макрошлифа заторцовывается на токарном, фрезерном или плоскошлифовальном станке и подвергается ручному или механическому шлифованию на нескольких номерах металлографической наждачной бумаги с постепенным переходом на бумагу с более мелким абразивным зерном. При переходе с одного номера бумаги на другой направление шлифования меняют на 900.

Отшлифованный образец промывается водой, обезжиривается спиртом. Затем в зависимости от цели исследования поверхность образца для выявления структуры подвергается травлению одним из применяемых при макроанализе реактивов.

При изучении макрошлифов выявляются:

1.Дефекты, нарушающие сплошность металла и являющиеся концентраторами напряжений (поры, раковины, трещины, неметаллические включения).

2.Качество сварных соединений.

Выявляются внешние дефекты (отклонения размеров и формы сварного шва, наплывы, подрезы, непровары, трещины), структура сварного соединения, внутренние дефекты, вредные примеси и т.д.

3.ЛИКВАЦИЯ – химическая неоднородность сплава.

Ликвация в сталях проявляется в основном в неравномерном распределении углерода, серы, фосфора, последние из которых являются постоянными вредными примесями в стали, сообщающими ей хрупкость.

Предельно допустимое содержание в стали серы и фосфора соответственно 0,05% мас. и 0,04% мас. При более высоком содержании в

стали серы сталь приобретает КРАСНОЛОМКОСТЬ – хрупкость и потерю прочности при высокой температуре, когда сталь приобретает красный цвет. Более высокое содержание в стали фосфора сообщает стали ХЛАДНОЛОМКОСТ – хрупкость при низких температурах.

Ликвация зависит от природы металла, условий разливки, режимов горячей и термической обработки.

4.Способ обработки изделий (литье, обработка давлением, обработка резанием, сварка).

Признаком литья является ДЕНДРИТНАЯ структура. Дендриты – древовидные кристаллы, формирующиеся при кристаллизации металла в литейной форме (рис.1а).

При горячей обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке, прессовании и т.д.) дендриты и неметаллические включения (сульфиды, оксиды и др.) междендритных пространств сплющиваются и вытягиваются по направлению пластической деформации, образуя ВОЛОКНИСТУЮ структуру (рис. 1б).

Ковкой или штамповкой стремятся создать правильное расположение волокон (обр. №4, рис.2б), поскольку механические свойства деформированного металла зависят от направления волокон.

Если при макроанализе выявлена структура с так называемыми перерезанными волокнами, это означает, что изделие изготовлено механической резкой из проката (рис.2а).

3. ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Работа выполняется по плану:

1.Приготовление макрошлифа по вышеописанной методике. 2.Выявление ликвации серы методом серного отпечатка:

а) Засвеченную бромосеребряную фотобумагу замачивают в течение 5 минут в 5%-ном растворе серной кислоты и слегка просушивают фильтровальной бумагой.

б) Приготовленную фотобумагу эмульсионной стороной прикладывают к поверхности макрошлифа и держат 3-4 минуты, осторожно прижимая и поглаживая для удаления из под бумаги образующихся пузырьков газа.

Сера находится в стали в виде сульфидов FeS и MnS.

При наложении фотобумаги на макрошлиф происходят следующие реакции:

FeS +H2SO4 = FeSO4 + H2S↑

MnS +H2SO4 = MnSO4 + H2S↑

Выделяющийся сероводород взаимодействует с бромистым серебром фотобумаги:

2AgBr +H2S = Ag2S + 2HBr↑

Рис.2. Схема макроструктуры заготовки шестерни, изготовленной методом механической резки (а) и методом штамповки (б).

Образующийся сульфид серебра коричневого цвета остается на фотобумаге.

в) Бумагу снимают с макрошлифа, промывают в проточной воде и помещают в фиксаж – 25%-ый раствор гипосульфита на 10 мин. Затем снова промывают водой и просушивают.

На бумаге остается отпечаток по контуру образца.

Равномерная окраска отпечатка свидетельствует о равномерном распределении серы в металле. Ликвационным зонам соответствуют более темные участки на фотобумаге.

г) Серный отпечаток вклеивается в отчет. 3.Выявление ликвации фосфора.

а) Приготовленный макрошлиф помещают в реактив Гейна, представляющий собой водный раствор солей меди и аммония. В результате обменной реакции между ионами меди и железа поверхность шлифа покрывается налетом меди. В участках шлифа, обогащенных фосфором, медь оседает менее интенсивно, эти места протравливаются сильнее.

б) Образец вынимают из реактива, промывают водой, удаляют влажной ватой слой меди и просушивают.

в) По макрошлифу определяют характер распределения в металле фосфора. Места, обогащенные фосфором, выглядят более темными по сравнению с остальной поверхностью.

г) Макроструктура шлифа с выявленным характером распределения фосфора зарисовывается в отчет.

4.МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ РАБОТЕ

1.Соблюдать осторожность при работе с серной кислотой во избежание попадания ее на одежду.

2.Работу с реактивами производить в вытяжном шкафу.

5.СОДЕРЖАНИЕ ПИСЬМЕННОГО ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

1.Сущность макроанализа.

2.Макроанализ по виду излома.

3.Макроанализ по макрошлифу.

4.Описание методик определения ликвации серы и фосфора.

5.Серный отпечаток и зарисовка макроструктур с выводами о характере распределения в металле серы, фосфора, виде предшествующей технологической обработки металла.

6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сущность макроанализа, его задачи.

2.Виды изломов, их характеристика.

3.Макроструктура литой и горячедеформированной стали.

4.Понятие о ликвации.

5.Влияние на свойства стали серы и фосфора.

6.Методика приготовления макрошлифа.

7.Сущность методики выявления ликвации фосфора.

Митусова Лидия Васильевна

Макроскопический анализ металлов и сплавов: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Технология конструкционный материалов» для студентов направления 270100 - «Строительство» с ориентацией на специальности: 270102- «ПГС»; 270104 - «ГС»; 270105 - «ГСХ»; 270106 - «ПСМ»; 270109 - «ТГВ»; 2701112 - «ВиВ»; 270115 - «ЭУН» и направления 270200 «транспортное строительство» с ориентацией на специальность 270205 – «АДА».

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 603950, г.Н.Новгород, ул.Ильинская, 65.

Полиграфический центр ННГАСУ, 603950, г.Н.Новгород, ул.Ильинская,65.