Изучение структуры по макрошлифам

Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно – Российский государственный политехнический университет (НПИ)

Имени М.И.Платова

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам

По дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Новочеркасск

ЮРГПУ (НПИ)

УДК 621.785 (076.5)

ББК 34.651

Рецензент: д-р техн. наук, проф. кафедры «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование» ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова А. В. Скориков

Структура и свойства металлических сплавов: Методические указания к лабораторным работам / Составители: В. И. Устименко, Д. А. Локтионова, Б. М. Симилейский, А. Г. Сычев, В. А. Червоный, Юж.-Рос. политехн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2013. – 56 с.

В методических указаниях рассмотрены методы макро- и микроструктурного анализа металлов и сплавов, диаграммы состояния, структуры и свойства двойных сплавов, диаграмма состояния «железо – углерод», показана связь между строением и свойствами сталей и чугунов, их маркировка и применение, изложены теоретические основы термической обработки, приведены методы управления структурой и свойствами стали с помощью различных видов термической обработки.

Методические указания предназначены для студентов направлений 190700, 190109,151900, 190601,150400 очной и заочной форм обучения.

© Южно – Российский государственный

политехнический университет

(Новочеркасский политехнический

институт), 2013

СОДЕРЖАНИЕ

1. Лабораторная работа № 1. Макроструктурный анализ………………..…..   2. Лабораторная работа № 2. Микроструктурный анализ……………………   3. Лабораторная работа № 3.Анализ диаграмм состояния двойных сплавов…………………………………………………………………………..   4. Лабораторная работа № 4. Анализ диаграммы состояния сплава железо-цементит. Микроструктура и свойств углеродистых сталей………   5. Лабораторная работа № 5. Изучение чугунов……………………………...   6. Лабораторная работа № 6. Влияние термической обработки на структуру и свойства стали 40………………………………………………...

Лабораторная работа № 1

МАКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

Цель работы: ознакомиться с макроструктурами сплавов, возможностями анализа изломов, макрошлифов и отпечатков с них, связью между макроструктурами, способами получения материалов и их свойствами.

План работы

1. Изучить лабораторную коллекцию изломов.

2. Рассмотреть макрошлифы и образцы серных отпечатков.

3. Исследовать связь между макроструктурой, способами получения изделий и последующей технологической обработкой.

Пояснения к работе

Макроструктура – строение металлов, видимое невооруженным глазом или с небольшим увеличением до 30 крат при помощи лупы или микроскопа.

Макроструктурный анализ заключается в изучении свежих изломов, специально приготовленных образцов – макрошлифов, либо отпечатков, снятых со шлифов. При этом одновременно наблюдают большую поверхность, что позволяет получить представление об общем строении металла.

С помощью макроструктурного анализа можно установить:

- каким способом получена заготовка (литьем или обработкой давлением);

- подвергалась ли деталь термической или химико-термической обработке;

- под действием каких нагрузок работало изделие (статических или циклических);

- наличие в материалах дефектов, полученных в результате нарушения технологических режимов термической обработки или горячей обработки давлением.

Изучение макроструктуры по изломам (фрактография*)

Качество металлов, наряду с уровнем свойств, определяется характером их разрушения, который можно установить по виду излома. По изломам судят о методах получения, обработки и нагружения деталей, что позволяет выявить определенную связь со свойствами материалов. Характеристика различных видов изломов представлена на рис.1.1, а их структуры – на рис.1.2.

Основные виды изломов разделяют на кристаллические и волокнистые.

Кристаллические изломы характеризуются размером, формой и взаимным расположением составляющих макрокристаллов.

* Фрактография: отлат. fractus «излом»+греч. grapho «пишу, рисую» -

исследование изломов

Виды изломов

Обработка материалов

Свойства материалов

Кристаллический

Крупнокристал- лический

Мелкокристал- лический

Фарфоровидный

Нафталинистый

Камневидный

Литье

ТО

ТО

Нарушение режимов ТО

Перегрев при ОМД

Волокнистый

Усталостный

ОМД

Литье, ОМД, ТО

Низкая прочность, хрупкость

Повышенная прочность

Высокая прочность

Повышенная хрупкость

Низкая прочность

Анизотропия свойств

Свойства определяются характером зоны долома

Рис.1.1

Рис. 1.1. Классификация и характеристика изломов

Они возникают в результате хрупкого разрушения за счет отрыва одной части кристалла от другой.

а) б) в)

г) д) е)

Рис.1.2. Виды изломов: а) – крупнокристаллический;

б) – мелкокристаллический; в) – фарфоровидный; г) – камневидный;

д)– нафталинистый; е) – волокнистый

Крупнокристаллический блестящий излом наблюдается у литых сплавов.

Мелкокристаллический излом характерен для термообработанных отливок из углеродистой или легированной стали.

Фарфоровидный излом образуется у твердой закаленной стали. Он имеет светло-серый матовый цвет без видимых признаков кристалличности, на котором наблюдаются отдельные рубцы, называемые линиями разрушения.

Камневидный излом образуется у конструкционных сталей в результате перегрева при горячей обработке давлением после правильно выполненной термической обработки. Его однородная поверхность разрушения характеризуется грубозернистым строением, причем зерна (с металлическим блеском или без него) представляются как бы оплавленными. В таком изломе трещина разрушения проходит по границам крупных зерен, образовавшихся в момент перегрева.

Нафталинистый излом представляет собой внутризеренное хрупкое разрушение перегретой при термической обработке стали. Он отличается избирательным блеском кристаллографических областей, соответствующих исходным крупным зернам аустенита. Характерный оттенок и селективный блеск излома, меняющийся при изменении угла падения света, напоминает блеск нафталина.

Волокнистый излом наблюдается у металлов, подверг­нутых обработке давлением. Он представляет собой вязкое внутризеренное разрушение с явно выраженными приз­наками пластической деформации по всей по­верхности излома. Поверхность разрушения матовая (без ме­таллического блеска), темно-серого цвета, имеет направленное расположение волокон, называемое текстурой. У материалов с волокнистым строением (текстурой) наблюдается анизотропия свойств, т.е. их неодинаковость в разных направлениях. Это необходимо учитывать при проектировании детали и выборе технологии её изготовления. Сталь, имеющая устойчивое волокнистое строение из­лома, характеризуется наиболее высокой удар­ной вязкостью, пластичностью и повышенной хладостойкостью.

У деталей, работающих под действием циклических нагрузок при наличии концентратора напряжений, может произойти особый вид разрушения – усталостный излом (рис. 1.3).

На его схеме (рис. 1.3,б) указан очаг зарождения трещины 1 и две характе­рные зоны: 2 – зона прогрессивного развития тре­щины (зона усталости), имеющая матовый сглаженный вид, что обусловлено длительным притиранием поверхностей трещины; 3 – зона остаточного долома (у хрупких металлов она имеет крупнокристалличе­ское, а у вязких — мелкокристаллическое, либо волокнистое строение).

Процесс усталостного разрушения начинается с образования микротрещин в местах концентраторов напряжений, которыми могут служить резкие пе­реходы между различными сечениями, острые кромки, надрезы, грубо обработанные поверхности, поры, раковины, неметаллические включения и др. В процессе работы детали микротрещины объединяются в макротрещину, которая, постепенно развива­ясь, ослабляет сечение детали и вызывает рост напряжений. При достижении критического значения концентрации напряжений происходит практически мгновенный долом оставшегося «живого» сечения.

а) б)

Рис. 1.3. Макроструктура усталостного излома (а) и его схема (б): 1 – очаг

зарождения трещины; 2 – зона прогрессивного развития трещины (зона

усталости); 3 – зона долома

Материалы, полученные методом порошковой металлур­гии, могут иметь вязкое, хрупкое или смешанное разруше­ние в зависимости от технологического процесса их изготов­ления, химического состава, качества исходных порошков и др.

Изучение структуры по макрошлифам

Макрошлиф — это образец, вырезанный из изделия, на котором определенная поверхность специально подготовлена для выявления особенностей макроструктуры.

Приготовление макрошлифов включает следующие этапы.

1. По выбранной для исследования плоскости деталь разрезают (возможно вырезание образца уменьшенных размеров).

2. Полученную плоскость последовательно шлифуют на наждачных бумагах с уменьшающимся размером зерна. При переходе на более мелкозернистую бумагу меняют направление шлифования на угол от 30 до 90° с целью стачивания рисок от предыдущей обработки и контроля за их исчезновением.

3. Отшлифованную поверхность промывают водой, обезжиривают этиловым спиртом и просушивают.

4. Затем подготовленную поверхность подвергают травлению, которое основано на взаимодействии металла с реактивом. Элементы структуры различного состава, строения и свойств по-разному растворяются и окрашиваются, а трещины и пустоты расширяются. В результате проявляется макроструктура.

При изучении макрошлифов можно выявить:

- дендритное (древовидное) строение литого металла (рис. 1.4);

а) б)

Рис. 1.4. Дендритная ликвация стали (а) и схема макроструктуры стального слитка (б): 1 – наружная мелкозернистая зона (корка); 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона равноосных кристаллов

- волокнистую структуру металла после горячей обработки давлением (рис. 1.5); при получении изделий методами пластического деформирования необходимо избегать образования перерезанных волокон (рис.1.5, б) и стремиться, чтобы их направление обеспечивало наибольшее сопротивление главным усилиям (рис.1.5, а), возникающим в элементах детали во время работы.

а) б)

Рис. 1.5. Макроструктура полученных обработкой давлением коленчатых

валов с правильным (а) и неправильным (б) расположением волокон.

- неоднородность состава и свойств стали после химико -термической обработки (ХТО); например, цементация, заключающаяся в насыщении поверхностного слоя углеродом, позволяет обеспечить в результате последующей термической обработки высокую твердость и износостойкость рабочей поверхности зубь­ев шестерни при сохранении их вяз­кой сердцевины (рис. 1.6);

Рис. 1.6. Макроструктура зубчатого колеса после ХТО – цементации

- наличие дефектов в макроструктуре сварных швов: трещин, шлаковых включений, пористости, химической не­однородности и др.;

- зональную ликвацию — неоднородность распределе­ния химических элементов по зонам слитка, заготовки или детали, которая выяв­ляется путем снятия от­печатков с макрошлифов.