ПР Изучение видов излома стального (вязкого и хрупкого) и чугунного образцов. Макро- и микроструктурный ана¬лиз металлов и сплавов

ПР Изучение видов излома стального (вязкого и хрупкого) и чугунного образцов. Макро- и микроструктурный ана­лиз металлов и сплавов.

Цель работы: ознакомиться с основными методами макро- и микроанализа металлов и сплавов.

Ход работы:

Изучить теоретический материал.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Назначение макроструктурного анализа?

2. Что представляет собой «излом»?

3. Виды изломов.

4. Что такое макрошлиф?

5. Как изготовляют макрошлиф?

6. Назначение микроструктурного анализа?

7. Сущность травления образца?

Схематически зарисовать изломы стали.

Сделать вывод.

Теоретический материал

Макроструктура - это структура металлов и сплавов, видимая невооруженным глазом или при увеличении до 30 раз. Макроструктурный анализ заключается в определении строения металла (макростроении) невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (до 30 раз).

Макроструктурному исследованию могут быть подвергнуты различного рода объекты. Основные из них: поверхность не разрушенного изделия, изломы, макрошлифы нетравленые или с выявленной специальными реактивами структурой.

Макроструктурный анализ применяют для выявления вида излома (вязкий, хрупкий, смешанный, усталостный, нафталинистый и т.д.) нарушения сплошности металла (усадочная рыхлость, пористость, трещины, флокены, дефекты сварки и т.д.); дендритного строения литого металла; химической неоднородности литого металла (ликвацию) и присутствия в нем грубых включений: волокнистой структуры деформированного металла и т.п.

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.

Под изломом понимается внешний вид поверхности разлома металла, образовавшегося при разрушении детали механическим воздействием.

Например, мягкая сталь при разрушении в условиях медленного нагружения дает вязкий излом, а при динамической разрушающей нагрузке - хрупкий.

Вязкий излом свидетельствует о значительной пластической деформации перед разрушением. Волокна при этом вытягиваются, разрушение их происходит с образованием матовых, большей частью темных площадок разрушения. В изломе наблюдается волокнистость. Поэтому вязкие изломы называют также волокнистыми. Они не имеют кристаллического блеска (рисунок 1, а). Вязкий (волокнистый) излом - признак доброкачественной структуры.

Рисунок 1 - Изломы стали: а – вязкий; б – хрупкий; в – смешанный

 Хрупкий излом (рисунок 1, б) является результатом хрупкого разрушения, происходящего без заметной пластической деформации. Поэтому хрупкие изломы не имеют волокнистой структуры, они кристалличны. Поверхность хрупкого излома имеет блестящий вид. Практически хрупкому излому всегда предшествует небольшая пластическая деформация. В чистом виде хрупкие изломы наблюдаются у некоторых неметаллических материалов, например, у мрамора, стекла.

Смешанный излом (рисунок 1, в) - излом, имеющий участки хрупкого и вязкого разрушения.

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.

Микроструктурный анализ

 Микроструктура - это структура металлов и сплавов, видимая при увеличении в 100 - 1500 раз. В первом случае фиксируют грубую структуру, волокна, трещины, раковины, во втором наблюдают зерновую структуру металлов и сплавов.

Микроструктурный анализ металлов и сплавов проводится на оптических (световых) микроскопах, принцип действия которых основан на отражении лучей света от полированной металлической поверхности образца.

Микроанализ является одним из самых распространенных методов исследования и проводится на специально приготовленных образцах – микрошлифах.

Приготовление микрошлифа включает вырезку образца из исследуемого материала, обработку одной из его поверхностей шлифованием, затем полированием до зеркального блеска с последующим травлением (растворением) различными реактивами, позволяющим выявить микроструктуру металла.

Образец вырезают из той части изделия, которая представляет интерес для исследования. При этом образец не должен значительно нагреваться, так как это может вызвать структурные изменения в металле.

Поверхность образца, выбранную для исследования, выравнивают напильником или абразивным кругом. Подготовленную плоскость шлифуют. После шлифования на по­верхности образца остаются риски, которые под микроскопом рассеивают световые лучи и не позволяют получить изображение микроструктуры.

Для устранения рисок, оставшихся после шлифования, с целью получения зеркальной поверхности проводят полирование.

С целью выявления микроструктуры металла производят травление шлифов, которое заключается во взаимодействии полированной поверхности с химически активными растворами кислот, щелочей и солей в спирте или воде.

Сущность травления состоит в неодинаковой растворимости реактивом зёрен и границ между ними вследствие различия их химического состава и строения. При травлении реактив в первую очередь воздействует на межзёренные границы, которые представляют собой скопление дефектов атомно-кристаллического строения. В результате границы зёрен интенсивно растворяются с образованием углублений, поверхности которых не перпендикулярны к падающим лучам микроскопа. Свет, попадая на них, рассеивается, из-за чего на изображении микроструктуры границы будут выглядеть чёрными, а зёрна — светлыми.

Н а микрошлифах после травления можно наблюдать ­ один вид зерен, характеризующих однородную структуру (рис. 8, а), либо несколько, например два вида зерен (рис.8, б), т.е. неоднородную структуру.

Рис. 2. Микроструктуры сплавов (х135, травлено): а ) – из одного вида зёрен, б) – из двух видов зёрен

 Размер зерна сплавов, который оказывает значительное влияние на их механические и технологические характеристики, оценивается сравнением с эталонной шкалой схематических структур. Крупнозернистая структура (зерно № 1 и 2) имеет пониженные механические свойства, с уменьшением размера зерна от № 3 до 5 повышается твердость и прочность, но снижается пластичность. Дальнейшее измельчение зёрен (до №8) приводит к повышению как прочности, так и пластичности.

Изучение принципа действия приборов Бринелля и Роквелла.

Определение твердости металлов и сплавов по Бринеллю и Роквеллу.

Метод измерения твердости по Бринеллю

Индентор (стальной закаленный шарик диаметром 2,5; 5,0; 7,5; 10 мм) под нагрузкой (750, 1000, 3000 кг) вдавливается в испытуемый образец, расположенные на приборном столике прибора, время проведения испытаний составляет 30-40 с. Диаметр индентора и величина нагрузки назначается в зависимости от размеров образца и вида материала. Чем меньше полученная лунка – тем тверже материал.

Число твердости по Бринеллю обозначается НВ и представляет отношение прилагаемой нагрузки Р к площади отпечатка F: кгс/м² , где – диаметр индентора, мм; – диаметр лунки, мм.

Основные требования при проведении испытаний следующие:

- высота образца должна быть в 10 раз больше глубины лунки;

- твердость индентора в 1,5 раза выше чем твердость испытуемого материала;

- максимальное число твердости, определяемое данным методом для черных сплавов 450, для цветных 200 единиц.

Рис.1. Определение твердости по Бринеллю

Метод измерения твердости по Роквеллу

В испытуемый образец вдавливают стальной закаленный шарик (d=1,58мм) или алмазный конус (с углом при вершине 1200) под нагрузкой, назначаемой в зависимости от толщины и рода испытуемого материала (табл.1). За единицу твердости по Роквеллу принимают осевое перемещение индентора (рис.2) вглубь образца на 0,02 мм. Число твердости смотрят по шкале прибора. Обозначают твердость в зависимости от шкалы: HRB, HRA, HRC.

Рис.2. Определение твердости по Роквеллу.

Таблица 1. Условия испытаний по Роквеллу

* нагрузка на индентор слагается из двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной 10 кгс и основной (по шкале В – 90 кгс, С – 140 кгс, А – 50 кгс.)

В данной работе необходимо определить из какого сплава изготовлены предложенные образцы на основании измеренных свойств: плотности, твердости и предела прочности, используя приложение 1.1.

Таблица 2.

Предел прочности определяем по зависимости: , кгс/мм², где

НВ – твердость по Бринеллю, кгс/мм² ;

к– коэффициент пропорциональности, зависящий от рода материала: катаная и кованая сталь - 0,36 ; литая сталь – 0,4 ; серый чугун - 0,1 ; медные сплавы - 0,55 ; алюминиевые сплавы - 0,37 ; цинковые сплавы - 0,5; титановые сплавы - 0,3; магниевые сплавы – 0,5.