Макроскопический метод исследования металлов и сплавов
Цель работы: проработав методические указания и выполнив предложенные задания, научиться использовать теоретические знания при решении практических задач по выявлению макродефектов и анализу строения металла.
Теоретические сведения
Характеристика макроанализа и области его применения
Исследование строения металлов и сплавов невооруженным глазом, а также при помощи лупы или бинокулярного микроскопа при увеличении до 30 крат носит название макроскопического метода исследования или макроанализа. В этом случае можно одновременно наблюдать большую поверхность заготовки (детали), что часто позволяет судить о качестве металла и определить характер и условия предшествующей обработки (литье, обработка давлением, сварка, резание).
Строение металлов и сплавов, изучаемое при помощи макроанализа, называется макроструктурой. Макростроение можно изучать не только непосредственно на поверхности металла (например отливок, поковок), но и в изломе заготовки (детали), а также после предварительной подготовки исследуемой поверхности, которая заключается в ее шлифовании и травлении специальными реактивами. Шлифованный и травленный образец называют макрошлифом. На шлифованной поверхности не должно быть загрязнений, следов масла и т.д.
Методом макроанализа определяют:
вид излома - вязкий, хрупкий, смешанный, усталостный;
нарушения сплошности металла - усадочную раковину, рыхлость, пористость, подкорковые пузыри, межристаллитные трещины, возникшие при обработке давлением или термообработке, дефекты сварки (непровары, газовые пузыри и др.), флокены в стали;
дендритное строение в литом металле;
химическую неоднородность литого металла (ликвацию) и присутствие в нем грубых неметаллических включений;
волокнистую структуру деформированного металла;
структурную и химическую неоднородность металла, созданную термической или химико-термической обработкой.
Макроанализ изломов
Непосредственно по виду излома можно установить характер разрушения металлического изделия, которое может быть хрупким, вязким, смешанным или усталостным.
Хрупкий излом довольно ровный, блестящий. Обычно в хрупком изломе можно видеть форму и размер зерен металла, т.к. излом происходит без значительной деформации и зерна при разрушении металла не искажаются (рис. 1.1, а). Излом может происходить как по границам зерен (межкристаллический), так и по зернам металла (транскристаллический).
а б в
Рис. 1.1. Внешний вид изломов металла:
а - хрупкий; б - вязкий; в – усталостный
Вязкий излом имеет волокнистое строение. Форма и размер зерен металла при вязком изломе сильно искажены, т.к. разрушение в этом случае сопровождается значительной пластической деформацией (рис. 1.1, б).
Усталостный излом (рис. 1.1, в) всегда имеет две зоны разрушения: усталостную, с мелкозернистым, фарфоровидным, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей, как бы шлифованой поверхности, и зону вязкого или хрупкого, в зависимости от строения и свойств металла, окончательного разрушения (долома).
В изломах можно увидеть дефекты, которые способствовали разрушению изделия, например флокены, трещины, раковины, инородные включения.
Макроанализ шлифов
При анализе макрошлифов выявляются структурная и химическая неоднородность металла, волокнистое строение деформированного металла, дендритное строение литого металла, качество сварного соединения, а также выявляются дефекты, нарушающие сплошность строения металла.
Выявление ликвации серы
Для выявления характера распределения серы по сечению детали применяют метод Баумана. Последовательность эксперимента:
а) микрошлифы протирают ватой, смоченной спиртом, и кладут на стол шлифованной поверхностью вверх;
б) лист бромсеребряной фотобумаги вымачивают на свету в течение 5 мин в 5% - ном водном растворе серной кислоты, удаляют избыток раствора (капли) с помощью фильтровальной бумаги, накладывают эмульсионной стороной на микрошлиф и, приглаживая сверху рукой, удаляют образовавшиеся пузыри, выдерживают на макрошлифе в течение 3…4 мин и осторожно снимают с него;
в) полученный отпечаток промывают в воде, фиксируют в 25% - ном водном растворе гипосульфита, снова промывают в воде и просушивают.
Полученные на фотобумаге участки коричневого цвета указывают на места, обогащенные серой (скопления сульфидов). Если фотобумага имеет равномерную окраску, то, следовательно, сера распределена равномерно.
Появление темно-коричневых пятен на фотоотпечатке объясняется тем, что сначала между серной кислотой, впитанной в фотобумагу, и включениями MnS и FeS, в виде которых сера находится в стали, происходит следующая реакция:
FeS + H2SO4 = FeSO4 = H2S↑,
MnS + H2SO4 = MnSO4 = H2S↑,
Образующийся сероводород действует на бромистое серебро эмульсионного слоя, в результате получается сернистое серебро, имеющее темно-коричневый цвет:
2AgBr + H2S = MnSO4 + 2НВг.
Выявление ликвации фосфора
Ликвацию фосфора в стали выявляют травлением шлифованного образца в реактиве состава: 85 г хлорной меди, 53 г хлористого аммония в 1000 см3 воды. Образец помещают в реактив шлифованной поверхностью вверх. После выдержи около 3 мин вся поверхность образца должна быть покрыта медью, т.к. железо переходит в раствор, вытесняя из него медь. Слой меди нужно смыть с поверхности макрошлифа и просушить его.
Более темные, т. е. глубоко протравленные участки - это места, обогащенные фосфором, т.к. чем больше в железе фосфора, тем быстрее оно переходит в раствор.
Выявление макроструктуры
Строение литого сплава (дендритной структуры) выявляют травлением шлифованного образца в 15% - ном растворе персульфата аммония (для сталей и медных сплавов) или 15% ном водном растворе едкого натра (для легких сплавов). После травления алюминиевых сплавов макрошлиф промывают в воде и на несколько секунд погружают в 50% раствор НМО для удаления темной пленки.
Макроструктуру деформированных сплавов (волокнистость) можно выявить травлением образцов:
а) стальных - в растворе хлорной меди и хлористого аммония (по методике выявления ликвации фосфора);
б) легких сплавов - в водном растворе щелочей (по методике выявления литой структуры).