Лабораторная работа потеме:
«МАКРОСТРУКТУРНЫЙМЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ (МАКРОАНАЛИЗ)»
Цельработы: ознакомитьсяс методикой проведения макроструктурного анализа. Изучить характерные видыизломов, макроструктуру литой и деформированной стали на макрошлифах. Изучитьсвязь характера макроструктуры с условиями ее формирования и механическимисвойствами стали.
Теоретическоевведение
Макроструктурный анализ – изучение строенияметаллов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощьюлупы.
Макроанализ позволяетвыявить наличие в материале макродефектов, а также причины и характерразрушения деталей.
С помощью макроанализа устанавливаютвид излома; величину, форму и расположение зерен литого металла; дефекты,нарушающие сплошность металла; химическую неоднородность металла; волокна вдеформированном металле. Методы испытаний и оценки макроструктуры стальныхизделий установлены ГОСТ 10243–75.
Методика исследования
1. Изучениеизломов.
Изломомназывается поверхность, образующаяся вследствие разрушения металла. Взависимости от состава, строения металла, наличия дефектов, условий обработки иэксплуатации изделий изломы могут иметь вязкий, хрупкий и усталостный характер.
· Хрупкоеразрушение протекает беззаметной предшествующей пластической деформации. Форма зерна не искажается и наизломе виден исходный размер зерен металла. Поверхность хрупкого излома (рис. 1,а) блестящая, кристаллическая. Разрушение может происходить через зерна (транскристаллическийизлом), либо по границам зерен (интеркристаллический или межкристаллическийизлом). Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как происходит чаще всего принапряжениях ниже предела текучести материала.
· Вязкий (волокнистый) излом(рис. 1, б) имеет бугристо-сглаженный рельеф и свидетельствует означительной пластической деформации, предшествующей разрушению. Поверхностьизлома матовая, с мелким, неразличимым глазом, зерном. По виду вязкого изломанельзя судить о форме и размерах зерен металла.
· Усталостныйизлом (рис. 2)образуется в результате длительного воздействия на металл циклическиизменяющихся во времени напряжений и деформаций. Разрушение начинается наповерхности (или вблизи нее) локально, в местах концентрации напряжений(деформации). Усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторынапряжений или дефекты. Излом состоит из очага разрушения и двух зон –усталости и долома.
1 />
а б
3 />/>/>
2 />
Рис. 2. Усталостный излом.
1 – начало развития усталостной трещины,
2 – зона усталости, 3 – зона долома
Рис. 1. Изломы стали:
а – хрупкий, б – вязкий
Методвизуального наблюдения изломов называют фрактографией. На изломахмакроструктуру оценивают путем сравнения с нормативными макроструктурами,приведенными в ГОСТ 10243–75, по 25 параметрам.
2. Изучениемакрошлифов
Макрошлиф – это образец с плоскойшлифованной и протравленной поверхностью, вырезанный из исследуемого участкадетали или заготовки. Его получают следующим образом. На металлорежущем станкеили ножовкой вырезают образец, одну из плоских поверхностей которого ровняютнапильником или на плоскошлифовальном станке. Затем образец шлифуют вручную илина шлифовально-полировальном станке. Шлифование одной шкуркой нужно проводить водном направлении, после чего следует смыть остатки абразива водой. Переходя наболее мелкую шкурку, поворачивают образец на 90о и проводятобработку до полного исчезновения рисок, образованных предыдущей шкуркой.Образец промывают водой, просушивают и подвергают глубокому или поверхностномутравлению. Перед травлением образец обезжиривают и очищают. Травлениеосуществляют, погружая в них образец. Реактив, активно взаимодействуя сучастками, где имеются дефекты и неметаллические включения, протравливает ихболее сильно и глубоко. Поверхность макрошлифа получается рельефной. Такоетравление называется глубоким.
Поверхностное травление, проводимоеменее агрессивными реактивами, позволяет выявить в сталях, чугунах и цветныхсплавах ликвацию (химическую неоднородность материала) макроструктуру литогоили деформированного металла, структурную неоднородность материала,подвергнутого термической или химико-термической обработке.
3.Изучениедендритной макроструктуры литого металла после глубокого травления.
Форма и размер зерен вслитке зависят от условий кристаллизации: температуры жидкого металла, скоростии направления отвода тепла, примесей в металле. Рост зерна происходит подендритной (древовидной) схеме (рис. 3).
макроструктураметалл травление анализ
/>
Рис.3. Схема строения дендрита
Металлический слитокимеет неоднородное строение, связанное как с различной скоростью охлаждения поего объему, так и с явлением ликвации, усадки и пр. (рис. 4 и 5).
/>
/>
Рис. 4. Строение металлического слитка.
а) Зависимость числа центров кристаллизации (ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.р.) от степени переохлаждения DТ.
б) Макроструктура слитка: 1 – мелкие равноосные зерна (корковая зона), 2 – столбчатые дендриты, 3 – крупные равноосные зерна, 4 – усадочная раковина, 5 – усадочная рыхлость, 6 – ликвационная зона. а)
/>
б)
/>
Рис. 5. Макроструктура металла после глубокого травления. Дендритное строение
Размеры образовавшихсякристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации искорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.
При равновеснойтемпературе кристаллизации Тпл число образовавшихся центровкристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процессакристаллизации не происходит.
Если жидкостьпереохладить до температуры, соответствующей DТ1, тообразуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скоростьроста – большая). При переохлаждении до температуры соответствующей DТ2– мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, аскорость их роста небольшая).
Если металл очень сильнопереохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкостьне кристаллизуется, образуется аморфное тело.
Кристаллизация корковойзоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизацииопределяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистаяструктура.
Рост кристаллов во второйзоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы,образуются древовидные кристаллы – дендриты. Растут дендриты в направлении,близком к направлению теплоотвода. Так как теплоотвод от не закристаллизовавшегосяметалла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зонеобразуются крупные дендриты со случайной ориентацией.
В верхней части слиткаобразуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так какметалл более рыхлый (около 15…20% от длины слитка).
Слитки сплавов имеютнеодинаковый состав. В процессе кристаллизации все легкоплавкие примесиоттесняются в центр слитка. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитканазывается зональной ликвацией.
4. Изучениеволокнистой макроструктуры деформированного металла после глубокого травления
Продукциейметаллургических предприятий, как правило, является металл, претерпевшийгорячую обработку давлением – ковку, штамповку, прокатку и т.д. Придеформировании дендриты, вначале дезориентированные, постепенно поворачиваются ивытягиваются вдоль направления деформации. Вытягиваются и неметаллическиевключения. В результате этого формируется типичная для деформированного металлаволокнистая структура (рис. 6).
/>
Рис. 6 Макроструктура металла после глубокого травления. Волокнистое строение
Приопределении механических свойств необходимо помнить, что металл с волокнистойструктурой обладает анизотропией, то есть различием свойств в зависимости отнаправления. Пластичность, ударная вязкость и прочность материала поперекволокна выше, чем вдоль. Поэтому ответственные детали, особенно работающие привысоких динамических нагрузках (коленчатые валы, шестерни, шатуны, молотовые штампы,клапаны, крюки), изготовляют так, чтобы волокна в них не перерезались, асоответствовали конфигурации изделия. При обработке резанием детали издеформированной стали, ее волокна перерезаются, что резко снижает прочностьдетали. Макроанализ позволяет установить способ изготовления деталей –обработка давлением или резанием (рис. 7 а, б).
Рис. 7. Макроструктура (зарисовка) продольного разреза коленчатого вала с правильным (а) и неправильным (б) расположением волокон. />
Выявленная химическимтравлением макроструктура сварного шва приведена на рис. 8. Около металлашва выявлена зона термического влияния в виде более темных участков.
/>
Таблица 1Вид излома Характерные признаки 1. хрупкий 2. вязкий 3. усталостный