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).