Лабораторная работа № 2.  Макроскопический метод исследования металлов и сплавов

 

Цель работы

 

1. Ознакомление с методикой проведения макроскопического анализа; изучение поверхностей деталей, изломов, макрошлифов.

2. Выявление макродефектов и причин разрушения металлов.

3. Приобретение навыков зарисовки макроструктур.

 

Оборудование и инструмент: шлифовально-полировальная машина FORCIPOL IV с автоматической головкой FORCIMAT.

 

Изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом, а также при помощи лупы носит название макроскопического метода исследования или макроанализа. Строение металлов, изучаемое при помощи макроанализа, называется макроструктурой. Макроскопическому исследованию могут подвергаться различные объекты: поверхности отливок и поковок; изломы изделий;макрошлифы нетравленые или с выявленной специальными методами структурой.

Макроанализ дает представление об общем строении  металла, позволяет оценить его качество после различных видов обработки: литья, обработки давлением и пр. С помощью макроанализа можно определить:

– различные поверхностные дефекты заготовок;

– вид излома – вязкий, хрупкий, нафталинистый, усталостный и др.;

– нарушения сплошности металла – усадочная рыхлость, центральная пористость, свищи, дефекты сварки (непровары, газовые пузыри) и др.;

– дендритное строение, зону транскристаллизации, размеры и ориентацию зерен в металле;

– химическую неоднородность литого металла (ликвацию) и присутствие в нем грубых инородных включений, волокнистую структуру деформированного металла;

– неоднородность металла, вызванную термической или химико-термической обработкой и др.

Макроанализ излома металла. По виду излома устанавливают характер и причины разрушения изделия, неоднородность структуры, обусловленную термической и химико-термической обработкой (толщину цементованного, закаленного, обезуглероженного слоя) и другие особенности строения.

Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. В нем обычно можно видеть форму и размер зерен металла. Такой излом проходит или по границам зерен (межкристаллический) или по зернам (транскристаллический) (рисунок 2.1). Его разновидностями являются нафталинистый, камневидный (рисунок 2.2).

 

Рисунок 2.1 – Нафталинистый излом              Рисунок 2.2 – Камневидный излом

 

Вязкий излом имеет волокнистое строение. Из-за значительной степени пластической деформации форма и размеры зерен не различаются.

Усталостный излом имеет две зоны разрушения: усталостную с мелкозернистым, фарфоровидным, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей гладкой поверхности и зону обычного (вязкого или хрупкого) разрушения (см. образец 3).

Макроанализ шлифов. Образцы (темплеты) для макроанализа вырезают из наиболее характерных участков заготовок. Например, при исследованииразрушенных изделий макрошлиф должен выявлять те дефекты, которые предположительно явились причиной разрушения. Направление вырезки образцов выбирается в зависимости от целей анализа. При изучении строения слитка обязателен продольный осевой разрез. Макроструктуру катаных заготовок, как правило, изучают в поперечном сечении, кованых - в поперечном или продольном сечениях и т. д.

Обработка образцов заключается в шлифовании их с охлаждением на станках или с помощью тонкой шлифовальной бумаги. Со шлифованной поверхности удаляются следы грязи, масла и т. д. Ряд дефектов макроструктуры уже могут быть рассмотрены на подготовленном таким образом макрошлифе, но в большинстве случаев требуются дополнительные меры для их выявления. Они делятся на три основные группы:

1) метод глубокого травления, позволяющий выявить трещины различного типа, обезуглероженный или цементованный слой, дендритную структуру и т. д.;

2) метод поверхностного травления, позволяющий выявить отдельные детали структуры (размеры зерна, направление роста кристаллов, неодно­родность структуры), макроструктуры сварного шва и др. В состав реактивов входят различные кислоты, соли и др. вещества;

3) метод отпечатков, позволяющий получить изображение макроструктуры на фотобумаге, фотопленке или материи. При этом материал с нанесённым на него реактивом прижимается к поверхности шлифа, реактив реагирует с определенными структурными составляющими, в результате чего происходит характерное окрашивание определенных участков. Этим методом определяют в сталях количество, размер и форму зернистых включений, распределение оксидных включений, фосфора.

Дефекты макроструктуры

Центральная пористость (усадочная) в непрерывно-литой  заготовке (рисунки 2.3, 2.4).

Причины возникновения: не обеспечивается достаточное поступление жидкого металла в объемы, где заканчивается затвердевание.

Предупреждение: оптимальная температура металла при разливке, соблюдение скорости разливки.

 

Примечание – Если усадочные поры не вскрыты, то при горячей деформации они завариваются.

 

Рисунок 2.3 – Единичная пора                       Рисунок 2.4 – Скопление пор

Примечание – Если усадочные поры не вскрыты, то при горячей деформации они завариваются.

Усадочная раковина – полость, возникающая в прибыльной части слитка вследствие усадки стали (см. образец 4). При неполном удалении прибыли остатки усадочной раковины переходят в прокат. Выявляются в изломе в виде темных полос, расслоений, стенки которых содержат неметаллические и шлаковые включения.

Пористость по оси – мелкие пустоты, не заварившиеся при горячей обработке давлением слитка (рисунок 2.5). На макрошлифе пористость выявляется в виде темных точек различного размера. Развитие дефекта определяется количеством и размерами отдельных пор. Пористость оценивается соответствующим баллом.

Пористость по сечению –  мелкие травящиеся точки, расположенные по всему сечению макрошлифа (рисунок 2.6).

Рисунок 2.5 – Пористость по оси               Рисунок 2.6 – Пористость по сечению

 

Причины возникновения: недостаточное раскисление стали, при быстром затвердевании из расплава не полностью удалились газы.

Подкорковые пузыри представляют собой внешний « контур » газовых раковин, характерный для кипящих сталей. Расположены очень близко к поверхности и обнажаются при нагреве слитка и последующей прокатке в виде дефектов округлой или овальной формы.

Пустоты различной величины и формы, чаще одиночные, образуются вследствие раскрытия и неполной заварки термических трещин и называются скворечниками. Вокруг дефекта отсутствуют ликвация углерода, серы и фосфора, а также неметаллические включения.

Ковочные трещины. Неверный режим ковки может вызвать появление ковочных трещин, которые появляются внутри заготовки около осевой зоны в виде трещин по диагоналям (ковочного креста) либо нескольких трещин, направленных от оси заготовки в стороны (см. образец 5).

Рванины – раскрытые разрывы, образовавшиеся вследствие пониженной пластичности металла, расположенные поперек направления деформации (см. образец 6). Причиной понижения пластичности может являться перегрев металла или слишком низкая температура заготовки при горячей ОМД. Дефекты имеют вид разветвленных разрывов с окисленной поверхностью.

Осевые интеркристаллитныетрещины в отличие от ковочных более прямолинейные и широкие. В изломе межкристаллитные трещины имеют вид грубых окисленных расслоений. Вследствие чрезмерного повышения температуры, вызывающего диффузию кислорода вдоль границ зерен, возникает явление пережога. На темплете пережог выглядит в виде сильноразветвленных трещин, часто расположенных в виде сетки (рисунок 2.7). В процессе горячей пластической деформации при пережоге может произойти разрушение по границам зерен. Такой вид дефекта называется черновиной, которая на макрошлифе выявляется в виде рыхлой, сильно травящейся зоны.

Внутренние трещины от напряжений обусловлены чрезмерно высокими внутренними напряжениями, возникающими в процессе формирования заготовки, и пониженной прочностью и пластичностью стали в различных температурных интервалах. Степень развития трещин зависит от величины напряжений, а также от содержания в металле вредных примесей.

Диагональные трещины в отливках (рисунок 2.8) возникают вследствие неравномерного охлаждения слитка в кристаллизаторе. Трещины, расположенные перпендикулярно к поверхности заготовки возникают из-за резкого охлаждения, из-за высоких напряжений, появляющихся при деформации поверхности заготовки.

Меры предупреждения: регламентировать содержание вредных примесей в металле, соблюдать температурный интервал разливки, оптимизировать процесс ОМД (не превышать предельно допустимые значения скорости и степени деформации).

Примечание – Трещины, не выходящие на поверхность заготовки,  в дальнейшем завариваются при горячей деформации, так как границы их не окислены.

 

 

 

Рисунок 2.7 – Пережег                Рисунок 2.8 – Диагональные трещины

 

Флокены – тонкие извилистые трещины длиной до 30 мм, образующиеся в стали при повышенном содержании водорода (рисунок 2.9). В изломе флокены выявляются в виде округлых или эллиптических пятен серебристого или светлого оттенка. При последующей горячей деформации в заготовке могут образоваться скворечники от флокенов (рисунок 2.10).

Шлифовочно-травильные трещины являются результатом слишком сильного прижима металла при шлифовании очень твердым абразивным кругом и недостаточного охлаждения металла. Они имеют вид сетки, расположенной перпендикулярно к направлению шлифовки (см. образец 7).

Свищи в прокате представляют собой крупные газовые включения, располагающиеся отдельно или группами по сечению заготовки. Выявляются в виде отдельных крупных пустот и пор круглой, овальной или вытянутой формы (рисунок 2.11).

                   

        

 

Рисунок 2.9 – Флокены                                   Рисунок 2.10 – Скворечник   

 

        

Рисунок 2.11 – Свищи

  Инородные металлические или неметаллические включения – кусочки различного рода нерастворившихся ферросплавов, утеплительных засыпок, шлака или случайно попавших в слиток частичек окисленного металла. Имеют различную с основным металлом травимость. В прокате обнаруживаются в виде волосовин (рисунок 2.12), неправильных по форме полостей, заполненных и окруженных неметаллическими включениями (рисунок 2.13), расслоений (рисунок 2.15). Классификация дефекта подтверждается анализом химического состава и макроструктуры.

Ликвация – неоднородность отдельных участков металла по химическому составу и структуре.

Ликвационный квадрат представляет собой контуры ликвации, определяемые конфигурацией слитка (рисунок 2.14). На темплете выглядит в виде полоски металла, травящейся более интенсивно,чем остальная часть макрошлифа. В прокате можно также наблюдать ликвационный круг.

 

                     

 

Рисунок 2.12 – Волосовины                    Рисунок 2.13 – Включения шамота

                            

 

Рисунок 2.14 – Ликвация                            Рисунок 2.15 – Расслоения

Дефекты поверхности

1. Трещины от напряжений – угловые, поперечные, продольные – обусловлены, соответственно, искажением профиля, высокой скоростью разливки металла, высоким содержанием вредных примесей, неравномерным затвердеванием, трением слитка в кристаллизаторе и другими причинами, вызывающими высокие термические и фазовые напряжения.

2. Поры возникают из-за избыточной влажности, газовыделения формы или смазки кристаллизатора, недостаточной раскисленности стали.

3. Загрязнения на поверхности заготовки, вкатанные металлические и неметаллические частицы – скопления неметаллических включений в виде пристывших, прикатанных кусочков шлака, металла или инородных частиц (см. образец 8), попавших в металл вследствие размыва огнеупоров ковша, переполнения металла в калибрах.

4. Отслоения возникают на поверхности проката из-за наличия газовых пузырей, неметаллических включений, усадочной раковины и т. д. (см. образец 9).

5. Раскатанные дефекты – пузыри –  имеют вид прямолинейных продольных групповых трещин на поверхности проката; продольные трещины подобны предыдущему дефекту, но более грубые, чаще одиночные (стенки покрыты окалиной и обезуглерожены); корочки выглядят в виде частичного местного отслоения металла или разрывов поверхности.

6. Рябизна – углубления от вдавленной окалины, образовавшиеся при ковке, прокатке или правке металла (см. образец 10).

7. Закат – прикатанный продольный выступ металла с одной или двух диаметрально противоположных сторон, образовавшийся в результате вдавливания уса, подреза (см. образец 11).

 

Дефекты формы

1. Раздутие (выпуклость) заготовки возникает из-за деформации корки заготовки под действием статического давления жидкого металла при недостаточном охлаждении в кристаллизаторе или при износе его гильз (см. образец 12).

2 Отклонения от формы – овал (вместо окружности), не квадратность (см. образец 12) и др.

3 Усы – продольные выступы на поверхности профилей проката, возникающие из-за неправильной калибровки, выработка калибра, низкой температуры деформируемого металла (см. образец 13).

В сварных соединениях могут иметь место следующие дефекты: горячие трещины (см. образец 14), холодные трещины, зоны несплавления, непровары, (см. образец 15) подрезы, наплывы, прожоги и др.

  Контрольные вопросы

1. Дать определения основным видам дефектов.

2. Указать причины возникновения типовых дефектов.

3. Чем отличаются различные виды трещин?

4. Как влияют типовые дефекты на эксплуатационные свойства изделий?

Задание по работе

 

1. Изучить сущность, возможности и методы макроанализа.

2. Изучить основные виды макродефектов заготовок, сварных соединений и готовых изделий.

3. Определить и описать вид излома предложенного образца.

4. Для выданного образца (выдаются по бригадам или индивидуально):

– зарисовать дефект и определить его вид (дать описание);    

– установить причину возникновения дефекта (использовать материал курса «Технология конструкционных материалов» и данной инструкции);

– дать рекомендации для устранения дефекта;

– описать влияние дефекта на эксплуатационные характеристики металлоизделий.