Макроскопический анализ

Лабораторная работа № 1

Макро- и микроскопический методы исследования металлов и сплавов

Цель работы

1.1. Иметь представление о существующих методах исследования строения металлов и сплавов.

1.2. Ознакомиться с методами макроскопического анализа и изучить характерные виды макроструктур

Общие сведения о микроструктурном методе исследования строения металлов и сплавов

Свойства металлов и особенно сплавов весьма разнообразны и обу­словливаются, прежде всего, химическим составом, а затем строением или структурой.

Для изучения структур металлов и сплавов применяются прямые и кос­венные методы. К числу прямых методов относятся:

1) исследование макроструктуры невооружённым глазом по виду из­ломов или шлифованных и протравленных макрошлифов;

2) исследование микроструктуры при помощи оптического микроскопа с увеличением до 1500 раз, а также с применением электронного микроскопа с увеличением до 200 тыс. раз;

3) исследование атомно-кристаллической структуры с помощью рент­генографического анализа, позволяющего различать расстояния порядка 10" ⁸см.

К числу косвенных методов относятся: магнитный, дилатометриче­ский, измерение электросопротивления и другие физические методы иссле­дования, которые, хотя и не дают прямого изображения структуры, но всё же позволяют вскрыть кинетику происходящих в них превращений.

Кроме того, существуют методы исследования структуры путём опре­деления твёрдости, микротвёрдости, механических и технологических свойств, а также проведения химического и спектрального анализов и пр.

Макроскопический анализ

Макроструктурным анализом или кратко макроанализом называется метод исследования строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольших увеличениях - до 30 раз. Строение металлов, изучаемое при помощи макроанализа, называется макроструктурой.

Метод макроскопического анализа позволяет:

1) исследовать излом для установления характера разрушения;

2) выявить дефекты, нарушающие сплошность металла - рыхлость, га­зовые пузыри, трещины, усадочные раковины, флокены, расслоения, свищи и другие дефекты в литых заготовках или полученных обработкой давлением, а также в сварных швах;

3) определить характер первичной кристаллизации и дендритной структуры в слитках или литых деталях;

4) определить химическую неоднородность сплава (ликвацию, в част­ности, ликвацию углерода и вредных примесей серы и фосфора), шлаковые включения, неметаллические включения;

5) определить неоднородность строения сплава, вызванную последую­щей обработкой давлением;

6) определить неоднородность состава и структуры, возникающую по­сле термической или химико-термической обработки, например, зону цемен­тации в стали.

Изучение изломов - наиболее простой метод макроанализа. Этот метод прост и доступен. С помощью этого метода можно определить: форму и раз­меры зерен, разновидность излома, характер разрушения. Изучение металла по виду излома применяется для оценки качества металла. Например, мелко­зернистый излом свидетельствует о более высоких механических свойствах, чем крупнозернистый.

По характеру разрушения различают три вида изломов: хрупкий, вяз­кий, а также усталостный (рисунок 1.1).

Хрупкий излом (рисунок 1.1 а) образуется при однократном стати­ческом или динамическом нагружении без заметной предварительной пла­стической деформации. Излом имеет кристаллическое строение. Характерен для сталей, термообработанных на высокую прочность. В изломе обычно видно форму и размер зерен металла.

Вязкому излому (рисунок 1.1 б) предшествует значительная пласти­ческая деформация. Излом имеет " волокнистое" строение, обусловленное сильной деформацией зерен.

а – хрупкий б – вязкий в - усталостный

Рис.1.1 - Виды изломов металлов;

Усталостный излом (рисунок 1.1 в) образуется в результате зарождения и дальнейшего постепенного развития микротрещин под влиянием много­кратно повторяющихся циклических нагрузок. Усталостный излом имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с гладкой притертой поверхностью и зону долома. Зона долома образуется, когда по­перечное сечение детали уже настолько ослаблено трещиной, что оказывает­ся недостаточным для сопротивления действующей нагрузке. Окончательное разрушение металла происходит внезапно. Зона долома хрупких металлов имеет грубое кристаллическое строение, а зона долома вязких металлов - во­локнистое.

Излом позволяет обнаружить различные дефекты металла (пустоты, трещины, газовые пузыри) и дефекты обработки. По излому можно опреде­лить глубину закаленного слоя. Закаленный образец ломают и по виду изло­ма делают заключение о глубине закалки: закаленный слой имеет волокни­стый излом, а незакаленная зона - кристаллический.

Не все дефекты и особенности строения металлов могут быть обнару­жены в изломе. Для выявления дефектов, нарушающих сплошность метал­лов, определения химической неоднородности стали, определения неодно­родности стали, созданной горячей обработкой давлением и других, приме­няют макрошлифы.

Макрошлифом называется образец металла, поверхность которого под­готовлена для макроанализа. Подготовка образца заключается в вырезке его из интересующего участка изделия с последующей шлифовкой. В зависимо­сти от химического состава сплава и целей макроанализа реактивы для выяв­ления соответствующих дефектов могут быть различными. Так, для выявле­ния характера распределения серы применяют метод Баумана, который на­шел широкое применение в практике. Он заключается в том, что на макро­шлиф накладывают предварительно смоченную в 5 % растворе серной ки-' слоты бромосеребряную фотографическую бумагу. При выдержке в течение 2-3 минут между сульфидами серы и серной кислотой протекает реакция с выделением сероводорода. Последний взаимодействует с бромистым серебром и образует сернистое серебро, имеющее на фотобумаге темно-коричневый цвет, который указывает на участки, обогащенные серой.

Наиболее часто и характерно применение макроанализа для контроля сварных соединений. Его производят на макрошлифах с применением трав­ления в специальных травителях.

Дефектами сварных соединений являются:

1) непровар - местное несплавление металла вследствие неполного рас­плавления кромок;

2) подрез зоны оплавления - местное углубление вдоль линии сплавле-ния сварного шва;

3) трещины (продольные, поперечные, разветвленные, микротрещины, сетка трещин) сварного соединения, разрыв в сварном шве и прилегающих к нему зонах;

4) поры сварного шва - полости округлой формы наполненные газом;

5) неметаллические выключения - шлаковые, окисные и другие части­цы в металле шва.