Файл: Praktikum матеріалознавство.doc

Протравлений макрошліф промивають водою для видалення протравлювача, оброблюють спиртом, висушують із метою запобігання корозії.

Макроаналіз макрошліфів дозволяє виявити структурну (наприклад, у сталі, загартованої струмами високої частоти) або хімічну (наприклад, у сталі, навуглецьованій або в наплавленій зносо- і корозійностійким сплавом) неоднорідність, що виникла при обробці готових виробів. Хімічна неоднорідність сплаву, що виникає при його виробництві, називається ліквацією. Особливо схильні до ліквації в сталі вуглець, сірка і фосфор.

Важливо знати розподіл у сталі шкідливих домішок сірки і фосфору, що створюють істотний вплив на структуру металу і його властивості. Сірка викликає червоноламкість сталі, тобто крихкість при високих температурах, а фосфор – холодноламкість, тобто крихкість при низьких температурах. Тому вміст сірки і фосфору в сталях суворо регламентується. Характер розподілу названих елементів залежить від процесу кристалізації металу у виливку або у зварному з’єднанні і від виду обробки тиском.

Загальну ліквацію вуглецю, фосфору і сірки дозволяє оцінити обробка макрошліфу реактивом Гейна (8 г хлористого аміакату міді на 100 мл води) При взаємодії шліфа і реактиву, залізо з поверхневого шару сталі переходить у реактив, на його місце осаджується мідь, що захищає сталь від подальшого впливу реактиву.

Місця скупчень вуглецю, сірки і фосфору в меншій степені захищені міддю і протравлюються сильніше. Після видалення під струменем води шару міді, ці ділянки виглядають темніше (рис. 1.3.).

Ліквацію сірки в сталі або чавуні можна оцінити методом Баумана ( реактив - 5 мл сірчаної кислоти, 100 мл води). Не фіксований фотопапір змочують реактивом, притискають емульсією до макрошліфу на 1...10 хв, промивають, фіксують, знову промивають і висушують.

Сірка знаходиться в сталі в складі сульфідів (Fe і Mn) При взаємодії їх із сірчаною кислотою, що залишилася на фотопапері, утворюється сірководень (FeS + H₂SO₄  FeSO₄ + H₂S). Сірководень взаємодіє з бромистим сріблом фотоемульсії (2AgBr + H₂S  2HBr + Ag₂S). Темні ділянки, що утворюються Ag₂S виявляють форму і характер розподілу сірки в досліджуваному металі. На рис.1.4 показаний макрознімок (відбиток, зроблений за методом Баумана), на якому чітко видно ліквацію сірки по перетині рейки.

З ліквацією хімічних елементів також тісно пов'язані дендритність структури литих сплавів і волокнистість структури деформованих металів. Дендритами називають кристали (зерна) литого металу, що мають деревоподібну форму. Шкідливі домішки у вигляді неметалічних включень (сульфідів, фосфідів, оксидів) і деякі легуючі елементи накопичуються частіше всього в міждендритних просторах.

Рис.1.3. Хімічна неоднорідність зварного з’єднання.

Продукцією металургійних підприємств, як правило, є метал, що перетерпів гарячу обробку тиском – кування або прокатування. При деформуванні дендрити, спочатку дезорієнтовані, поступово витягуються вздовж напрямку деформації. Витягуються і неметалічні включення. У результаті цього формується типова для прокатаного металу стрічкова, волокниста структура. Таку волокнисту будову металу називають первинною стрічковістю. Повторна стрічковість утворюється в доевтектоїдній сталі (та в деяких легованих при їх охолодженні від високих температур) у результаті виділення надлишкового фериту з аустеніту на витягнутих неметалічних включеннях. Макроаналіз дозволяє встановити і спосіб виготовлення деталей – обробка тиском (рис.1.5, а) або різанням (рис.1.5, б).

Рис. 1.4. Ліквація сірки в сталі Рис.1.5. Макроструктура болтів, виготовлених:

а – штампуванням; б – різанням

Волокниста будова металу обумовлює різко виражену анізотропію його властивостей (розходження їх показників вздовж і поперек волокна).

Пластичність, ударна в’язкість і міцність зразків, вирізаних вздовж волокон, вище. Тому відповідальні деталі особливо, що працюють при високих динамічних навантаженнях (колінчасті вали, шестерні, шатуни, молотові штампи, клапани, гаки тощо), виготовляють так, щоб волокна в них не перерізалися, а відповідали конфігурації виробу. При обробці різанням деталі з деформованої сталі її волокна перерізаються, що різко знижує міцність деталі.

Завдання на роботу

1. Ознайомитися з методикою приготування макрошліфів.

2. Вивчити колекцію зразків з основними дефектами, що спостерігаються на їх поверхні. Замалювати ці дефекти.

3. Дослідити і замалювати макроструктуру макрошліфів із хімічною неоднорідністю (зварні з'єднання, деталі, зміцнені термічною, хіміко-термічною обробкою або наплавленням) деталей, виготовлених різанням і обробкою тиском.

4. Оцінити ліквацію на макрошліфі згідно з методом Баумана.

5. Вивчити і замалювати основні види зламів (в’язкий, крихкий, від втоми).

6. Зробити висновки і скласти звіт по роботі відповідно до завдань (у звіті обов'язково повинні бути зазначені тема, мета роботи, пояснення до кожної розглянутої макроструктури).

Контрольні питання для самопідготовки

1. Які дослідження дозволяє виконувати макроструктурний аналіз металів і сплавів?

2. Яким методом досліджується ліквація сірки в металі?

3. Що можна дослідити методом зламів зразків металів і сплавів?

4. Яким методом досліджується волокниста макроструктура металів?

5. Що досліджується методом Баумана?

6. Яким спостерігається злам металу від втоми?

Лабораторна робота № 2 мікроаналіз металів і сплавів

Мета роботи: Освоїти технологію приготування мікрошліфів, вивчити будову металографічного мікроскопа і навчитись на ньому працювати, вивчити мікроструктуру сплаву до та після травлення і навчитись зарисовувати найпростіші мікроструктури.

Матеріали та обладнання. Для проведення даної лабораторної роботи студентам надаються зразки сплавів, набір шліфувального паперу, верстат для полірування зразків, паста ГОІ, реактив для протравлювання шліфів, спирт, фільтрувальний папір, металографічний мікроскоп, набір об’єктивів і окулярів.

Теоретичні відомості. Мікроскопічний аналіз (мікроаналіз) металів і сплавів полягає в дослідженні будови (мікроструктури) металу за допомогою оптичного (при збільшенні від 50 до 1500 разів) або електронного (при збільшенні до 100000 раз) мікроскопа. Між мікроструктурою металів та їх властивостями існує чіткий зв'язок. Мікроаналіз дозволяє визначити форму і розміри окремих зерен і фаз, а також їх вміст, відносне розташування, виявити наявність у металі включень, мікродефектів і судити про властивості металів і сплавів, про попередню обробку цих матеріалів (лиття, деформування, термічна обробка). Мікроаналізу піддають спеціально підготовлені зразки, які називають мікрошліфами.

Мікрошліфи готують у такий спосіб. Місце вирізання зразка вибирають у залежності від задач дослідження (у ряді випадків порядок і місце вирізання суворо регламентуються Держстандартами). У випадку з'ясовування причин руйнації деталей під час експлуатації зразки вирізують поблизу місця руйнації ножівкою, фрезою, різцем, алмазними, вулканітовими кругами або електроіскровим методом. При вирізанні і наступному шліфуванні зразка неприпустиме значне нагрівання (вище 150^о С), тому що воно може викликати істотні структурні зміни металу.

Зазвичай зразки мають форму циліндра або чотиригранника з лінійними розмірами 10...20 мм. У випадку, коли розміри мікрошліфів малі (дріт, тонкий лист, дрібні деталі), останні закріплюють у спеціальних затискачах (струбцинах) або заливають в оправки такими матеріалами як сплав Вуда (50%Ві, 25%Pb, 12,5%Sn, 12,5%Cd) з температурою плавлення 68^О С, епоксидні або акрилові смоли, пластмаси.

Поверхню зразка роблять плоскою і шліфують вручну або на верстатах наждачним папером різної зернистості (різних номерів): спочатку, для чорнового шліфування, беруть більш грубий папір (номери 12…6), а потім, для чистового, заключного шліфування – папір номерів 5…3 (номер визначає приблизний розмір абразивних зерен в сотих частках міліметра). Якщо шліфування ведуть вручну, шліфувальний папір кладуть на рівну плоску поверхню (наприклад, на товсте скло) і зразок переміщують по ньому в одному напрямі, перпендикулярному до слідів (рисок), що залишилися після попередньої обробки до повного зникнення цих слідів. Після шліфування залишки абразиву змивають водою з поверхні шліфа. Потім для видалення дрібних рисок, що залишилися після шліфування найдрібнішою шкуркою, зразок полірують.

Існуючі засоби полірування засновані на механічному або електрохімічному способі видалення матеріалу, або на їх комбінації. Механічне полірування ведуть на полірувальному верстаті, диск якого обтягнутий тканиною (фетр, оксамит, тонке сукно). Тканину періодично поливають водною суспензією, що містить дрібні абразивні частки оксидів алюмінію, хрому або заліза. Добрим полірувальним матеріалом є алмазні пасти, паста ГОІ Коли поверхня набуває дзеркального блиску, полірування припиняють. На якісно відполірованому мікрошліфі при спостереженні під мікроскопом відсутні риски, подряпини та інші механічні дефекти.

Мікрошліф промивають водою, потім спиртом, просушують стиснутим повітрям або фільтрувальним папером. Після полірування під мікроскопом спочатку вивчають не травлений шліф, потім – протравлений.

При вивченні не травленого шліфа можна виявити різноманітні мікродефекти, наприклад, мікротріщини, та неметалічні включення (оксиди, сульфіди, графіт - рис.2.1) в металевій основі, яка має світлий вигляд при спостереженні під мікроскопом. Після перегляду не травленого мікрошліфу його піддають травленню, щоб виявити мікроструктуру металевої основи шліфа. Для сталі та чавуну найчастіше застосовують 2…5% - ний розчин азотної кислоти в етиловому спирті.. Поліровану поверхню шліфа занурюють у реактив на 3…10 с до утворення рівного матового відтінку без наявності будь-яких плям. Потім шліф промивають водою, спиртом і просушують фільтрувальним папером.

Рис.2.1. Неметалеві включення в сталі та чавуні

а – оксиди; б – сульфіди; в – графіт.

Внаслідок неоднакової протравлюваності різних структурних складових на поверхні мікрошліфу створюється мікрорельєф, складові якого по різному відбивають світло, що падає на поверхню шліфа через оптичну систему мікроскопа. Структура, що розчинилась на більшу глибину, під мікроскопом має темний колір, а структура, яка розчинилась менше, має світлий колір (рис.2.2,а, в). Границі зерен будуть видні у вигляді тонкої темної сітки (рис.2.2, б, г).

Будова металу, що спостерігається під мікроскопом, називається мікроструктурою, яка є зображенням досить малої дільниці поверхні, складене з відбитих від неї світлових променів.

Загальний вигляд металографічного мікроскопа МИМ-7 показано на рис.2.3

Він складається з таких основних систем: оптичної, освітлювальної з фотографічною апаратурою і механічної.

Оптична система мікроскопа включає об'єктив і окуляр, від яких залежить збільшення мікроскопа, і ряд допоміжних елементів (призми, дзеркала, лінзи й ін.). Об'єктив, що є складним сполученням лінз, дає дійсне збільшене обернене зображення мікроструктури мікрошліфа. Окуляр складається з декількох лінз і призначений для збільшення зображення, отриманого об'єктивом, і перетворення його з оберненого в пряме.

а, в – зерна у впадинах – темного кольору, виступаючі – світлого; б, г – границі зерен металів і твердих розчинів.