Сущность макроскопического анализа (макроанализа)

Лабораторная работа 1

МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомиться с макроскопическим методом исследования металлических сплавов; получить практические навыки изготовления макрошлифа и определения общей ликвации сплава по сечению детали.

Приборы и материалы:образцы поверхностей и изломов заготовок и деталей; образцы для изготовления макрошлифов, шлифовальные шкурки различной зернистости, лупы, 10% раствор двойной

медно-аммиачной соли соляной кислоты (CuNH₄Cl₂).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Сущность макроскопического анализа (макроанализа)

заключается в исследовании строения металлов и сплавов невооруженным глазом или с помощью лупы (при увеличении до 30 раз).

Макроанализ проводят путем изучения внешних поверхностей, изломов заготовок и деталей или макрошлифов.

Макроанализ позволяет оценить качество материала, выявить наличие в нем макродефектов, характер его предшествующей обработки (литье, обработка давлением, резание, сварка, наплавка, термическая и химико-термическая обработка и др.), структурную и химическую неоднородность, волокнистость, причины и характер разрушения. Структура материала, наблюдаемая невооруженным глазом или при небольших увеличениях, называется макроструктурой. Ее можно зафиксировать фотоснимком или рисунком.

С помощью макроанализа можно дать общую оценку состояния больших поверхностей материала или детали в целом и выбрать небольшие, наиболее важные и типичные участки для дальнейшего углубленного изучения.

Исследование поверхностей изделий, позволяет выявить их наружные макродефекты.

В литых изделиях на поверхности наиболее часто встречаются следующие дефекты:

1. пригар, представляющий собой трудноотделимую корку, состоящую из смеси металла, формовочного песка и шлака;

2. усадочные пустоты (раковины, рыхлости, пористость), образующиеся в результате усадки металла – уменьшения его объема и линейных размеров при охлаждении расплава, его затвердевании и охлаждении затвердевшего металла до температуры окружающей среды;

3. газовые раковины (пузыри), возникающие в кристаллизующемся металле из-за его большой газонасыщенности;

4. ужимины, создающиеся вследствие частичного отслоения внутренних поверхностных слоев песчаной формы, что приводит к образованию в твердом металле полостей, заполненных формовочным материалом;

5. трещины, появляющиеся как результат высоких напряжений, в отливках из-за сопротивления формы их усадке, а также неодинаковых скоростей охлаждения различных частей литой заготовки;

6. неметаллические включения по происхождению разделяются на эндогенные, образованные в результате взаимодействия компонентов сплава, например, железа, с растворенными в нем кислородом, серой, азотом и экзогенные – шлаковые включения и засоры от разрушающихся стенок формы.

В пластически деформированных изделиях остается часть дефектов литого металла. Оставшиеся дефекты при пластическом деформировании металла видоизменяются.

1. Усадочные пустоты превращаются в расслоения.

2. Некоторые неметаллические включения (а также газовые пузыри), окисленные и потому не заварившиеся в процессе горячей обработки давлением, вытягиваются и образуют прямые тонкие штрихи-трещинки глубиной до 1,5 мм и длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Такие трещинки, расположенные в направлении деформирования, называются волосовинами.

3.В некоторых легированных сталях выявляются флокены –тонкие трещины, которые в поперечном сечении представляют собой овальные пятна серебристо-белого цвета. Они особенно хорошо наблюдаются на изломах и протравленных макрошлифах. Происхождение флокенов связано с поглощением водорода жидкой сталью, его сегрегацией в местах больших искажений кристаллической решетки затвердевшей стали. Это приводит к появлению значительных напряжений и, как следствие, трещин при пластической деформации стали, а также при ее неравномерном охлаждении или фазовых превращениях.

К дефектам пластически деформированного металла относятся и:

1. сильно разветвленные, глубоко проникающие в глубь металла трещины и раковины, вызванные пережогом (т.е. окислением металла по границам зерен);

2. надрывы, обусловленные чрезмерно большой степенью деформации;

3. окалина – слои окисленного металла (если они вдавлены в металл, на его поверхности образуется рябизна).

В сварных изделиях основными дефектами являются:

1. трещины, как результат высоких напряжений;

2. непровар – местное отсутствие соединения основного металла и наплавленного; дефект возникает при загрязнении свариваемых поверхностей и недостаточном разогреве основного металла.

3. пережог, из-за высокой температуры нагрева металла в процессе сварки. Он образуется при нарушении режима тепловой обработки (высокая температура нагрева в кислородсодержащей среде), вызывающем интенсивное окисление металла вдоль границ зерен. Это сильно охрупчивает металл. Дефект неисправим.

По результатам исследования поверхностей изделий делается заключение о возможности их дальнейшей эксплуатации.

При изучении изломоввыявляют внутренние макродефекты.

Излом – поверхность, образующаяся при разрушении металла. Изломы могут существенно отличаться по цвету. Так стали и белые чугуны, в которых углерод связан в цементите, имеют излом светло-серого цвета; графитизированные чугуны – тёмно-серого.

На поверхности изломов можно видеть дефекты, которые способствовали разрушению. В зависимости от состава, строения металла, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изделий, изломы могут быть вязкими, хрупкими или усталостными.

Вязкий (волокнистый) излом (рисунок 1, а) имеет бугристо-сглаженный рельеф. Разрушению предшествует значительная пластическая деформация. Форма и размер зерен сильно искажены.

Хрупкий (кристаллический) излом (рисунок 1, б) происходит под действием растягивающих или ударных изгибающих нагрузок, без предварительной пластической деформации. Он имеет кристаллическое строение и металлический блеск. Можно различить форму и размер зерен металла. Разрушение может проходить по границам зерен (межкристаллический излом) и по зернам металла (транскристаллический излом). Разрушение по границам зерен имеет место при наличии на границах неметаллических включений (фосфиды, сульфиды, оксиды) или других выделений, ослабляющих прочность границ зерна.

В сталях хрупкий излом иногда называют нафталинистым, если он транскристаллический и имеет избирательный блеск. При крупнозернистом строении сплава хрупкий межкристаллический излом называют камневидным.

Хрупкое разрушение наиболее опасно, т. к. происходит, обычно, при напряжениях ниже предела текучести материала.

Его возникновению способствуют:

– наличие поверхностных дефектов;

– конструктивные просчеты (резкое изменение размера сечения, толстостенность деталей);

– низкая температура и ударные нагрузки при работе;

– крупнозернистость металла;

– межзёренная коррозия – хрупкие фазы по границам зерен.

Обычно изломы бывают смешанными (рисунок 1, в), на их поверхности наблюдаются участки вязкого и хрупкого разрушения.

а) б) в)

Рисунок 1 – Виды изломов: а) – вязкий; б) – хрупкий; в) – смешанный

Усталостный излом может возникать под действием длительных циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций (рис. 2). Он состоит из: очага разрушения 1 (зона образования микротрещины), зоны усталостного разрушения 2 и зоны долома 3. Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры. Зону усталости формирует распространение усталостной трещины. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

Рисунок 2 – Схематическое строение усталостного излома