Макроструктурный анализ металлов

Лабораторная работа №1

Лабораторная работа №2

Лабораторная работа № 3

Лабораторная работа № 4

Лабораторная работа №5

МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение микроструктуры углеродистой стали в отожженном состоянии.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Отожженное (равновесное) состояние достигается только при медленном охлаждении, обеспечивающем полное завершение всех фазовых превращений согласно диаграмме состояния железо-цементит. Поэтому ее знание необходимо для успешного изучения микроструктуры углеродистой стали в отожженном состоянии.

Углеродистой сталью в соответствии с диаграммой состояния железо-цементит называется железоуглеродистый сплав, содержащий от 0,025 до 2,14%С (последние данные 2,06%С). Кроме железа и углерода, промышленная углеродистая сталь содержит постоянные, технологически необходимые при ее производстве, примеси, такие, как кремний (до 0,5%), марганец (до 0,8%), сера (0,05%), фосфор (0,05%), кислород (0,004%) и др. Малое содержание постоянных примесей в углеродистой стали позволяет рассматривать происходящие в ней процессы образования тех или иных фаз и структур, как в двойных сплавах, по диаграмме состояния железо-цементит.

При нормальной (комнатной) температуре сталь состоит из следующих фаз - феррита и цементита, образующих однофазные - феррит и цементит и двухфазную структурную составляющую - перлит.

Феррит представляет собой ограниченный твердый раствор внедрения углерода в железе, имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку, твердость НВ=600...800 МПа, очень пластичен, ферромагнитен до температуры 768^ОС. На диаграмме состояния железо-цементит занимает две области АНN и GPQ. Растворимость углерода в феррите весьма мала (0,025% при t=727^ОС; 0,0067% при t=20^ОС) и связана, по-видимому, лишь с размещением атомов углерода в дефектных местах кристаллической решетки растворителя - железа. При наблюдении в микроскоп феррит имеет вид однородных зерен светлой или зачастую различной окраски, что объясняется неодинаковой травимостъю зерен, срезанных по различным кристаллографическим плоскостям при изготовлении микрошлифа (анизотропия свойств кристаллов).

Цементит - химическое соединение Fe₃C представляет собой карбид железа, содержащий 6,67% углерода, имеет сложную кристаллическую решетку с плотной упаковкой атомов, обладает высокой твердостью НВ=10000 МПа и хрупкостью. При наблюдении в микроскоп после обычного травления с использованием универсального реактива -(4% раствора азотной кислоты в этиловом спирте) цементит, как и феррит, выглядит в виде светлых участков. Вследствие слабой растворимости цементита в кислотах его участки в структуре выступают над окружающим ферритом и остаются более гладкими и блестящими по сравнению с ферритом. Для четкого выявления цементита можно применять специальное травление пикратом натрия, после которого цементит окрашивается в темный цвет, а феррит остается светлым.

Различают первичный цементит (Ц_I), выделяющийся в виде игл или пластин при первичной кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур линии СD диаграммы состояния железо-цементит (1252-1147^ОС) у сплавов, содержащих более 4,3% С; вторичный цементит (Ц_II), выделяющийся при вторичной кристаллизации из аустенита в виде сетки по границам его зерен в интервале температур линии ES (1147-727^ОС) у сплавов с содержанием углерода более 0,8%; третичный цементит (Ц_III), выделяющийся из феррита в виде сетки по границам его зерен в интервале температур линии PQ (727-20^ОС) у всех сплавов, содержащих более 0,0067% углерода.

Перлит представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз - феррита и цементита, которая образуется при температуре линии PSK диаграммы (727^ОС) в результате эвтектоидного превращения по реакции . Выявленный металлографически в связи с наличием межфазных границ как смесь, перлит по своей природе представляет собой бикристаллическое образование, двухфазный бикристалл, т.е. сросток сильно разветвленных кристаллов разных фаз.

В зависимости от цементита различают пластинчатый перлит с межпластиночным расстоянием более 0,3 мкм, получаемый в результате отжига, и зернистый, получаемый путем специальной термической обработки. Твердость НВ пластинчатого и зернистого перлита составляет соответственно 2000-2500 МПа и 1600-2200 МПа и зависит от степени измельченности (дисперсности) цементита. Другие характеристики механических свойств перлита также обусловливаются свойствами его фазовых составляющих и зависят от степени дисперсности цементита. Чем крупнее составляющие перлит пластины цементита и феррита, тем ниже уровень его механических свойств, причем у крупнопластинчатого перлита снижаются характеристики и прочности, и пластичности. После обычного травления при наблюдений в микроскоп пластинчатый перлит выглядит в виде чередующихся светлых пластин феррита и цементита, причем ширина цементитных пластин приблизительно в 7 раз меньше ширины пластин феррита. При уменьшении увеличения микроскопа в связи со слиянием растравленных границ между ферритом и цементитом последний выглядит в виде темных пластин, почему очень часто на схеме микроструктуры перлит изображают в виде чередующихся светлых пластин феррита и темных пластин цементита. При совсем малых увеличениях перлит наблюдается в виде зерен серого цвета. Зернистый перлит под микроскопом наблюдается в виде светлых включений округлой формы на светлом фоне феррита. Строение перлита целесообразно рассматривать при увеличениях не менее 500 раз.

2. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

В соответствии с диаграммой состояния железо-цементит углеродистая сталь разделяется на доэвтектоидную, содержащую более 0,025 и менее 0,8% углерода; эвтектоидную, содержащую 0,8% углерода; заэвтектоидную, содержащую более 0,8 и менее 2,14% углерода. Сплавы с содержанием углерода до 0,025% называют техническим железом.

2.1. Микроструктура технического железа

Техническое железо с содержанием углерода менее 0,0067%С, например электролитическое железо, является однофазным и под микроскопом имеет вид светлых однородных зерен феррита (рис.9.1, а). Техническое железо с содержанием углерода более 0,0067% является двухфазным и состоит из феррита и третичного цементита (рис.9.1, б), выделяющегося в соответствии с линией PQ диаграммы состояния железо-цементит.

а	б

Рис.1. Схема микроструктуры технического железа

с содержанием углерода менее 0,0067% (а, феррит)

и более 0,0067% (б, феррит и третичный цементит). ´500

2.2. Микроструктура доэвтектоидной углеродистой стали

Рис.2. Схема микроструктуры доэвтектоидной углеродистой стали. Феррит и перлит. ´500

Микроструктура доэвтектоидной углеродистой стали в отожженном состоянии при нормальной температуре состоит из зерен феррита и перлита (рис.2). Феррит выделяется при охлаждении из аустенита ниже линии GS диаграммы состояния железо-цементит. В результате этого процесса содержание углерода в аустените достигает 0,8% и при температуре линии PSK (727ОС) по эвтектоидной реакции аустенит превращается в перлит. С увеличением содержания углерода объемная доля перлита в доэвтектоидной стали увеличивается, а феррита - уменьшается.

2.3 Микроструктура эвтектоидной углеродистой стали

Микроструктура эвтектоидной углеродистой стали в отожженном состоянии при нормальной температуре состоит из зерен пластинчатого перлита (рис.3). В соответствии с диаграммой состояния железо-цементит перлит образуется в результате эвтектоидной реакции при температуре линии PSK (727^ОС). Эвтектоидная двухфазная ферритоцементитная смесь называется перлитом в связи с перламутровым видом микрошлифа после травления при наблюдении в микроскоп

2.4 Микроструктура заэвтектоидной углеродистой стали

В заэвтектоидной углеродистой стали при температурах ниже линии ES диаграммы состояния железо-цементит из аустенита выделяется вторичный цементит. При этом содержание углерода в аустените уменьшается в соответствии с линией ES и при температуре линии PSK (727^ОС) становится равным 0,8%. Аустенит с содержанием 0,8% углерода в результате эвтектоидной реакции превращается в ферритоцементитную смесь - перлит. Поэтому после окончания охлаждения микроструктура заэвтектоидной углеродистой стали будет состоять из перлита и вторичного цементита, расположенного в виде сетки по границам зерен пластинчатого перлита (рис.4).

Рис.3. Схема микроструктуры эвтектоидной углеродистой стали. Перлит. ´500

Рис.4. Схема микроструктуры заэвтектоидной углеродистой стали. Перлит и вторичный цементит. ´500

2.5. Микроструктура стали с зернистым перлитом

Микроструктура зернистого перлита, получаемого часто путем специальной термической обработки высокоуглеродистой заэвтектоиднои стали - отжига на зернистый перлит, представлена на рис.5.

Рис.5. Схема микроструктуры заэвтектоидной углеродистой стали после специальной термической обработки. Зернистый перлит. ´500

Рис.6. Схема микроструктуры доэвтектоидной углеродистой стали после сильного перегрева при отжиге. Феррит в виде игл (видманштеттова структура). ´500

2.6. Видманштеттова структура (микроструктура) стали

Структуру с характерной формой феррита в виде игл и пластин в доэвтектоидной углеродистой стали или вторичного цементита в заэвтектоидной углеродистой стали принято называть видманштеттовой (рис.6). Такая структура наблюдается в литой стали, медленно охлажденной из области высоких температур, или в стали, сильно перегретой при отжиге и других видах обработки. Видманштеттова структура отличается крупнозернистостью, очень низкими значениями характеристик механических свойств и определенным расположением феррита и цементита по кристаллографическим плоскостям внутри зерен аустенита, а затем перлита.

Рис.7. Схема микроструктуры доэвтектоидной углеродистой стали после прокатки. Строчечная структура. Феррит и перлит. ´350

2.7. Микроструктура холоднодеформированной доэвтектоидной углеродистой стали (строчечная структура) В результате холодной деформации, например, прокатки, возникает ориентированность в расположении зерен. Такую структуру называют строчечной. Строчечная структура доэвтектоидной углеродистой стали после прокатки представлена на рис.7.

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

- Уясните цель работы.

- Изучите особенности формирования структуры углеродистой стали при охлаждении из жидкого состояния в равновесных условиях.

- Изучите микроструктуру углеродистой стали в отожженном состоянии (альбом, с.9-12).

- Изобразите схемы микроструктур углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Выполните микроструктурный анализ углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Проследите за формированием структуры углеродистой стали одного из составов при охлаждении из жидкого состояния.

- Составьте отчет о работе.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- Цель работы.

- Определение углеродистой стали.

- Классификация углеродистой стали.

- Определение структурных составляющих углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Схемы микроструктур углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Микроструктурный анализ углеродистой стали в отожженном состоянии.

- Схемы вероятных микроструктур одного из составов углеродистой стали в процессе охлаждения из жидкого состояния.

5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- Какой сплав называется углеродистой сталью?

- Что представляют собой структурные составляющие стали - феррит, цементит, перлит и какими основными свойствами они обладают?

- Какие сплавы называются техническим железом, доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталью?

- Чем отличается по микроструктуре пластинчатый перлит от зернистого?

- В чем состоит различие между микроструктурами доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали в отожженном состоянии?

- В чем состоит понятие вторичный и третичный цементит?

- Каким путем достигается отожженное (равновесное) состояние стали?

- Какие структуры называются видманштеттовыми?

- В каких случаях появляется видманштеттова структура?

- В каких случаях появляется строчечная структура?

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гуляев А.П. Металловедение.- М.:Металлургия, 1986.- 544 С., С.148-160, 275-279.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.:Металлургия. 1984.- 360 С., С.119-128, 193-199.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.:Металлургия, 1989.- 456 С., С.260-265.

Лабораторная работа №6

МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение микроструктуры чугуна с использованием диаграммы состояния системы железо-углерод и анализ фазовых равновесий в ней.

1. OCHOBHЫE ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

В настоящее время наиболее широкое применение в промышленности имеют железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны. Диаграмма состояния системы железо-углерод дает представление о формировании этих сплавов, начиная от кристаллизации из жидкости и кончая процессами фазовой перекристаллизации в твердом состоянии. Кроме того, диаграмма состояния железо-углерод позволяет оценить структуру сталей и чугунов в равновесных условиях, определяющую многие их свойства; установить температуру нагрева при термической обработке и решить целый ряд других задач.

Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и зазвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения - смесь цементита и аустенита - ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.2). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727^ОС выделяется вторичный цементит и при температуре 727^ОС превращается в перлит.

Рис.1. Диаграмма состояния системы железо-цементит

В доэвтектическом чугуне (см. рис.1., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная кристаллизация с образованием аустенита (рис.3). В заэвтектическом чугуне (см. рис.1, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.4). При этом на уровне температур 1147^ОС жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.

	010-С	С-С¢
С¢-110	110-1¢10
1¢10-210
Рис.2. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10

Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF – 1147^ОС (см. рис.8), всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727^ОС, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727^ОС и выделение ферритом третичного цементита ниже 727^ОС. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147^ОС и 727^ОС (см. рис.2-4).

	011-111	111-211
211-2¢11	2¢11-311
311-3¢11	3¢11-411
Рис.3 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11

Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвтектического - ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.

Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.

Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 3₁₁ содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно 3₁₁К/РК, а цементита - Р3₁₁/РК.

	012-112	112-212
212-2¢12	2¢12-312
312-3¢12	3¢12-412
Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

- Уясните цель работы.

- Изучите диаграмму состояния системы железо-углерод.

- Выполните по заданию, приведенному в таблице 1, анализ процесса кристаллизации в равновесных условиях одного из железоуглеродистых сплавов.

Для этого:

- постройте диаграмму состояния системы железо-цементит, укажите на ней фазовые области и проведите линию состава заданного сплава;

- постройте кривую охлаждения;

- проверьте, используя правило фаз Гиббса, правильность построения кривой охлаждения;

- опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава,

приведите уравнения фазовых реакций;

- изобразите вероятную структуру сплава для каждого этапа охлаждения;

- определите состав и количественное соотношение фаз при заданной в таблице температуре.

- Составьте отчет о работе.

Исходные данные для анализа процесса кристаллизации

железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях

Номер варианта	Содержание углерода, в сплаве, %	Температура t, ОС
	0,1
	0,3
	0,4
	0,5
	0,8
	1,0
	1,5
	2,0
	2,5
	3,0
	3,5
	4,3
	5,0
	5,5
	6,0

Примечания: 1. Номер варианта выбирается по номеру в списке подгруппы.

2. Характерные точки сплава на диаграмме и на кривой охлаждения целесообразно указывать как 0₁, 1₁, 2₁, где 0, 1, 2 и т.д. - номер точки, а подстрочная единица - номер исследуемого сплава.

4 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- Цель работы.

- Основные теоретические представления о диаграмме состояния системы железо-углерод.

- Анализ процесса кристаллизации одного из железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях.

5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- Почему диаграмма состояния железо-цементит является метастабильной системой?

- Что называется ферритом, аустенитом, цементитом, перлитом, ледебуритом?

- Укажите на диаграмме линию ликвидус, линию солидус, линии нонвариантных реакций.

- Какую кристаллическую решетку имеет a-железо, g-железо?

- Изобразите геометрические образы нонвариантных перитектической, эвтектической, эвтектоидной реакций.

- Опишите с помощью уравнений нонвариантные реакции.

- Укажите фазовое состояние в различных областях диаграммы.

- Укажите структурное состояние при нормальной температуре доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали и доэвтектического, эвтектического, заэвтектического чугуна.

- В чем заключается отличие цементита первичного от вторичного и третичного?

- Определите количественное соотношение феррита и цементита в перлите и ледебурите.

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

4. Гуляев А.П. Металловедение.- М.: Металлургия, 1986.- 544С., С.142-160.

5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия, 1984.- 360 С., С.116-128.

6. Металловедение и термическая обработка стали. В 3-х т. Т.2. Основы термической обработки/ Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г.- М.: Металлургия, 1983.- 368 С., С.67-83.

Лабораторная работа №7

Лабораторная работа №8

Лабораторная работа №9

Лабораторная работа № 10

Лабораторная работа №1

МАКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение методических основ и приемов макроструктурного анализа металлов.

1 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Макроструктура - строение металлов и сплавов, выявляемое невооруженным глазом или лупой (´30) на шлифованных и/или протравленных образцах. Макроструктурный метод позволяет, что важно, одновременно анализировать всю поверхность изучаемого объекта или значительную ее часть. Макроструктуру можно наблюдать на поверхности детали, в изломах, а также на специально подготовленной поверхности образца - макрошлифе, который получают путем шлифования и травления различными реактивами. В результате избирательного растворения металла на поверхности макрошлифа выявляется структура, по которой судят о строении и "поведении" металла в процессе обработки и его качестве. Состав реактивов для травления зависит от природы металла и определяемых целью исследования задач. Например, для выявления структуры слитков и проката из стали различных марок применяют раствор соляной, серной кислот и воды в соотношении 1:2:3 при температуре 95-100^ОС. При этом травление проводят в течение 1,5-2 ч погружением макрошлифов в раствор. С целью сохранения структурной картины макрошлифы тщательно промывают в проточной воде и протирают ватным тампоном, смоченным в спирте. Макрошлиф, приготовленный на поверхности сечения детали, часто называют темплетом. Для выявления различных особенностей макроструктуры применяют специальные реактивы.

2 ПРАКТИКА МАКРОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА МЕТАЛЛОВ

2.1 Макроструктура отливок (слитков)

Впервые описание процессов кристаллизации из жидкого состояния на основе макроструктурного анализа дал Д.К.Чернов в 1878 г. Для изучения строения слитка делают продольный и поперечный разрезы, шлифуют и протравливают. При исследовании макрошлифа слитка можно выявить зоны кристаллизации, ликвацию, усадочные раковины, рыхлость, газовые пузыри.

Неравномерное растворение поверхности металла приводит к появлению макрорельефа, который отражает развитие процесса кристаллизации слитка. Наиболее часто можно наблюдать три основные зоны кристаллизации (рис.1): 1 - наружная зона мелких кристаллитов, образующаяся в первые моменты кристаллизации при высокой скорости охлаждения за счет соприкосновения жидкого металла с изложницей; 2 - зона длинных столбчатых кристаллитов (зона транскристаллизации), формирующаяся в результате интенсивного направленного отвода тепла - перпендикулярно стенкам изложницы; 3 - зона равноосных различно ориентированных кристаллитов, образующаяся в центральной части слитка при наименьшей степени переохлаждения и отсутствии интенсивного направленного отвода тепла.

Рис.1 Схема макроструктуры стального слитка: 1,2,3 – зоны кристаллизации; 4 – усадочная раковина; 5 - рыхлость, поры

Форма кристаллитов зависит от условий их роста: интенсивности и направления отвода тепла, температуры жидкого металла, а также от наличия примесей, способных быть центрами кристаллизации. Рост кристаллов происходит по дендритной (древовидной) схеме. Д.К.Чернов показал, что с наибольшей скоростью растет ось первого порядка; перпендикулярно к ней, но с меньшей скоростью, - ось второго порядка и т.д. Наибольшая скорость роста осей дендритов происходит по кристаллографическим плоскостям и направлениям решетки с наибольшей плотностью упаковки атомов. Дендриты растут до соприкосновения друг с другом, после чего кристаллизуются межосные пространства и дендриты превращаются в полновесные кристаллиты, имеющие неправильную внешнюю огранку (их называют кристаллитами, или зернами).

В межосных объемах и на границах кристаллов скапливаются примеси, а также образуются поры из-за усадки. Дендритную форму кристаллов видно на поверхности усадочной раковины и в местах недостаточного подвода жидкого металла, когда образуются только оси дендритов. Д.К.Чернов нашел в усадочной раковине 100-тонного стального слитка крупный дендрит, который имел длину 39 см и массу 3,45 кг.

После кристаллизации металл занимает меньший объем, чем жидкий. Уменьшение объема при переходе металла из жидкого состояния в твердое называется усадкой, в результате усадки внутри слитка образуются усадочные раковины, рыхлость, поры. Усадочные раковины образуются в том месте, где металл кристаллизуется в последнюю очередь. Размер, форма и расположение усадочных раковин зависит от формы слитка, степени раскисления металла и других факторов. В слитке, уширенном к верху, усадочная раковина получается широкой и неглубокой, а в уширенном к низу - глубокой и узкой.

Усадочная рыхлость и поры располагаются обычно под усадочной раковиной, а в тех местах, где сходятся оси дендритов, растущих навстречу друг другу или под углом, образуются межкристаллические пустоты.

Газовые пузыри возникают при кристаллизации в результате выделения газов из расплавленного металла. Их количество зависит от соотношения между скоростями кристаллизации и выделения газа. Газовые пузыри образуются за счет выделения растворенных в металле газов и по форме представляют небольшие сфероидальные или эллипсоидальные полости. Если пузыри расположены внутри слитка и стенки их не окислены, то при ковке или прокатке они завариваются. Если газовые пузыри расположены вблизи поверхности или выходят наружу, то стенки их оказываются окисленными и они не завариваются. Такие пузыри представляют неисправимый порок слитка, так как приводят к образованию трещин и пленок, располагающихся на поверхности и внутри поковок или прокатанного металла.

Ликвацией называется неравномерность слитка по химическому составу. Различают следующие виды ликвации: внутрикристаллитную (дендритную), зональную и по удельному весу.

1 Внутрикристаллитная или дендритная ликвация - неравномерность по составу в пределах одного дендрита. Оси дендритов формируются в первую очередь и содержат больше тугоплавких компонентов и меньше легкоплавких примесей, чем междендритные участки. Степень ликвации в пределах каждого дендрита, например, стали или чугуна, тем выше, чем больше содержание углерода, серы, фосфора и других элементов. Имеет место также межкристаллитная ликвация - неравномерность по составу на границе между дендритами. Длительное пребывание расплавленного металла при высоких температурах способствует выравниванию химического состава и уменьшению степени ликвации. Неравномерность по составу выявляется травлением в виде дендритной структуры.

2 Зональная ликвация - неравномерность по составу между отдельными зонами кристаллизации слитка. Вначале образуются кристаллы относительно чистые от примесей. Они вытесняют в центральную часть слитка наиболее легкоплавкую жидкую фазу, богатую примесями серы, фосфора и легирующими элементами. Центральная часть слитка, кристаллизующаяся последней, содержит повышенное количество примесей.

В железоуглеродистых сплавах сильно ликвируют сера и фосфор. Сера, образуя сульфид FeS, входит в состав легкоплавкой эвтектики, плавящейся при 985^ОС.

Зональную ликвацию сульфидных включений можно выявить, если сделать сернистый отпечаток на фотобумаге по методу Баумана. Для этого засвеченную фотобумагу смачивают 5%-ным раствором H₂SО₄, слегка подсушивают и прижимают к ней исследуемый образец шлифованной поверхностью, выдерживая в течение 2-3 минут, затем фотобумагу снимают, промывают в воде, закрепляют в 10%-ном растворе гипосульфита в течение 5-12 минут и снова промывают в воде. Сущность метода состоит в том, что на тех участках поверхности металла, в которых имеются скопления сернистых соединений FeS и MnS, при взаимодействии с серной кислотой выделяется сероводород, который соединяется с бромистым серебром фотобумаги и образует сернистое серебро темного цвета:

FeS+H₂SO₄=FeSO₄+H₂S;

H₂S+2AgBr=Ag₂S+2HBr.

Образующиеся на фотобумаге темные участки указывают на характер и форму распределения включений сульфидов в железоуглеродистом сплаве (рис.2).

Рис.2. Опечаток по методу Баумана, снятый с микрошлифа поперечного разреза слитка

Рис.3. Схема макроструктуры слитка сплава системы Pb-Zn с ликвацией по удельному весу

3 Ликвация по удельному весу наблюдается в том случае, когда компоненты, составляющие сплав, и образующиеся фазы имеют большую разницу в удельных весах, например, в сплавах Pb-Zn, Cu-Pb. Фаза с большим удельным весом оседает на дно, а более легкая всплывает на поверхность (рис.3). Для устранения ликвации по удельному весу сплав должен быть тщательно перемешан и быстро закристаллизован.

2.2 Макроструктура горячедеформированных металлов

В процессе горячей обработки слитка давлением (прокатка, ковка) меняется его макроструктура: дендриты и пластичные включения (сульфиды, силикаты) вытягиваются в направлении течения металла. Вытянутые дендритные оси и междендритные участки объема образуют совокупность параллельных волокон. Образованные таким образом волокна ясно видны на протравленном макрошлифе (рис.4).

Механические свойства горячедеформированного металла, особенно ударная вязкость, различны в разных направлениях. Если нагружение деталей производится вдоль волокон, то ударная вязкость резко снижается. Обычно стремятся получить такое расположение волокон, чтобы волокна следовали конфигурации изделия и не пересекались.

а	б

Рис.4. Схема макроструктуры поковок коленчатого вала с правильным (а) и неправильным (б) расположением волокон в стали

2.2.3 Макроструктура детали после местной закалки

Часто одна и та же деталь должна иметь различную структуру и свойства по сечению, например, поверхностный слой толщиной 2-4 мм Должен быть закален для получения высокой твердости и прочности, а сердцевина - остаться мягкой. Такая закалка называется местной. С помощью макроструктурного анализа можно определить глубину закалено-

го слоя. Для этого достаточно отшлифовать поверхность разреза детали и протравить 10%-ным раствором азотной кислоты в воде до проявления закаленной зоны, которая окрашивается в более темный цвет (рис.5). Это связано с наличием в зоне закалки более дисперсной структуры и, как следствие, - с большей поверхностью границ фаз.

Рис.5.Схема макроструктуры детали после местной закалки

2.4. Макроструктура изломов

Металлы имеют зернистое строение, которое хорошо видно в изломах. По виду излома можно определить характер разрушения, в чугунах - вид чугуна, в термически обработанных сталях - приблизительно температуру нагрева при термической обработке, глубину закаленного и цементированного слоя и др.

Волокнистый излом соответствует вязкому разрушению, а кристаллический излом - хрупкому разрушению.

Белый чугун имеет светло-серебристый хрупкий излом, обусловленный наличием в структуре большого количества карбида железа - цементита; серый чугун - мелкокристаллический излом серого цвета; ковкий чугун с ферритной металлической основой - мелкокристаллический черный бархатный излом, а ковкий чугун с основой пластинчатого перлита - среднекристаллический блестящий излом; литейный доменный чугун - мелкокристаллический светлый излом.

Инструментальная сталь У10, закаленная от оптимальной температуры 760-780^ОС, имеет очень мелкокристаллический матовый фарфоровидный излом.

Перегретая сталь, закаленная от температур 950^ОС и выше, обладает крупнокристаллическим изломом. Перегрев - исправимый брак, заключающийся в росте зерен, которые можно измельчить правильной повторной термической обработкой.

Пережженная сталь имеет грубокристаллический излом темного цвета. При нагреве до температур начала плавления (1400^ОС) границы зерен окисляются на всю глубину детали. Наличие на поверхности излома цветов побежалости или окалины свидетельствует о неисправимом браке - пережоге.

Многие детали, от которых требуется иметь высокую твердость только поверхностного слоя и вязкую незакаленную сердцевину, подвергаются поверхностной закалке. Глубину закаленного слоя можно определить по излому. Закаленный слой имеет фарфоровидный матовый излом, а сердцевина - кристаллический излом более светлого цвета (например, такой вид излома характерен для напильника)

2.5 Макроструктура сварных соединений

Для макроструктурного анализа сварного соединения разрез делают так, чтобы исследуемая поверхность включала в себя полное сечение сварного шва, зону термического влияния и основной металл, не изменивший свое строение под действием тепла при сварке. После шлифовки и соответствующего травления четко выявляются границы между основным и наплавленным металлом, а также зоной термического влияния.

При сварке всегда имеет место нагрев окружающего шов основного металла, в результате чего образуется зона термического влияния, состоящая из слоя перегретого металла с крупнозернистым строением, за которым идет тонкий слой с мелкозернистым строением, а потом - основной металл. Поскольку крупнозернистая структура имеет пониженную пластичность и ударную вязкость, то после сварки часто производят отжиг для измельчения зерна.

Анализ макрошлифа позволяет выявить процесс кристаллизации сварного шва