Краткие сведения из теории

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

МАКРОСТРУКТУРА И ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: Изучить макроструктуру, макродефекты и строение поверхностей разрушения материалов в литом и деформированном сос­тояниях.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

От выплавки в жидком состоянии сплава заданного химического состава до получения готовых деталей машин материалы на металлур­гических и машиностроительных заводах подвергаются целому ряду различных обработок. Основными из них являются кристаллизация и получение литого металла, обработка давлением, термическая обра­ботка, механическая обработка резанием, иногда проводится сварка материалов. Обработка материалов изменяет их внутреннее строение (структуру) и механические свойства.

Основным металлическим материалом для машиностроения являются стали. Это материалы на основе железа с добавкой углерода не более 2,14 % и во многих случаях с введением дополнительно других легирующих элементов (хром, кремний, марганец, никель и др.). Мировой объём производства стали достиг в 2003 году 952 млн. тонн. Предприятия Российской Федерации выплавили в 2003 году 61 млн. тонн стали.

Сталь и большинство других металлических материалов поступает на машиностроительные и другие предприятия преимущественно в виде проката. Это деформированный металлический материал, получаемый способами горячей и холодной прокатки во вращающихся валках прокатных станов.

Исходным сырьем для получения сталей являются железные руды, представляющие собой горную породу с содержанием 30…60 % железа. В результате длительной многостадийной обработки из руды получают концентрат с повышенным содержанием полезного металла. Далее проводят окускование способом агломерации – спекания или получение спеченных окатышей, т.е. превращение мелких частиц концентрата в более крупные пористые частицы размером от 5…8 до 10…20 мм.

Из окускованных концентратов с добавками топлива (кокса) и флюсов в особых крупных шахтных (доменных) печах высотой до 30 метров в результате сложных физико-химических процессов получают жидкий передельный чугун (3,6…4,5 % С; 0,5…1,3 %), литейный чугун с повышенным до 0,8…3,6 % Si, ферромарганец (Fe-Mn) и ферросилиций (Fe- Si).

Передельный чугун, а также стальной лом и ферросплавы являются сырьем для выплавки стали. В процессе плавки решаются задачи уменьшения количества примесей с помощью окислительных процессов (первый период). Далее проводят второй, восстановительный период плавки по уменьшению FeO, т.е. раскисление с введением раскислителей: марганца, кремния, алюминия.

Для выплавки стали преимущественно используются два способа:

· кислородно-конверторный процесс получения стали в конверторах грушевидной формы;

· плавка стали в дуговых электрических печах. Этот способ широко применяется для выплавки качественных сталей с низким содержанием вредных примесей.

Все более широкое применение получает последующая внепечная обработка стали, служащая для уменьшения содержания вредных примесей и газов. Это обработка жидкой стали синтетическими шлаками или выдерживание ковша со сталью в вакууме.

Применяются и методы повторного переплава затвердевшей стали в особых условиях: электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав и др.

После завершения плавки жидкую сталь заливают в ковши и подают для разливки на установки непрерывной разливки стали (УНРС) или в особые чугунные литейные формы вертикального типа (изложницы). На УНРС жидкая сталь поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор, а затем в зону вторичного охлаждения. Непрерывно подаваемый слиток разрезается на мерные части.

Металлический материал в виде слитка или отливки, получаемый при затвердевании залитого в полость литейной формы жидкого металла, обычно имеет строение из разветвленных кристаллов древовидной формы, называемых дендритами. Макроструктура слитка, как правило, состоит из двух основных широких зон и небольшой зоны мелких неориентированных кристаллов у поверхности (корковая зона).

Наружная зона имеет удлиненные малоразветвленные столбчатые крис­таллы, располагающиеся примерно перпендикулярно к охлаждающимся поверхностям слитка. Во внутренней части слитка располагается зо­на более или менее равноосных разветвленных кристаллов-дендритов. Такое строение имеют, в частности, слитки хорошо раскисленной сильными восстановителями (Mn, Si, Al) спокойной стали. Иногда зона столбчатых кристаллов образуется в большей части объема слитка. В верхней части слитка спокойной стали расположена усадочная ракови­на конусной формы.

В случае выплавки стали с пониженным содержанием такого раскис-
лителя, как кремний, при затвердевании слитка выделяется значительное количество газов (FеО + С = Fе + СО). Большая часть газовых пузырей остается в слитке такой кипящей стали и располагается ближе к поверхности. Усадочная раковина в этих слитках не образуется.

В металлургических производствах слитки далее подвергаются нес­кольким горячим и холодным прокаткам, иногда ковке (обработке дав­лением). При этом дендритные кристаллы сплющиваются и вытягиваются по направлению деформации, превращаясь в волокна. Газовые пузыри завариваются. Следовательно, деформированный с большими обжатиями материал получает волокнистую макроструктуру с различ­ными механическими свойствами вдоль и поперек проката (анизотропия свойств). Промышленность выпускает горячекатаный сортовой прокат (круглый, квадратный, шестигранный и др.), толсто­листовой (толщина от 4 мм до 160 мм), холоднокатаный прокат тонколистовой (толщина 0,2…5,0 мм), ленту холоднокатаную, трубы бес­шовные, поковки и другую металлопродукцию.

Горячая и холодная обработки давлением, в частности, горячая штамповка, широко применяются и на машиностроительных заводах для изготовления заготовок деталей ма­шин. Волокна в них должны располагаться вдоль контура заготовки, совпадая с направлением действия механических сил на деталь.

В процессе обработок возможно образование различных дефектов материалов в виде неоднородности химического состава (ликвация), нарушения сплошности (трещины), крупнозернистого строения и др. Разработаны методы изучения и контроля структуры и возможных дефек­тов материалов, используемые в исследовательских организациях и производственной практике. В настоящей работе рассматриваются два из этих методов: макроструктурный анализ (макроанализ) и фрактография.

Макроанализ - изучение строения шлифованных и протравленных поверхностей материалов невооруженным глазом или с по­мощью лупы при небольших увеличениях.

Исследуемая плоская поверхность предварительно подвергается механической обработке резанием, шлифованию, полированию, а затем травлению специальными химическими реактивами. Наблюдаемое строе­ние называется макроструктурой. При оценке степени развитости макродефектов используют ГОСТ 10243 «Сталь. Метод испытаний и оценки макроструктуры». Макродефект определяют путем сравнения изучаемого макрошлифа материала с набором фотографий стандарта и установления номера балла дефекта.

Фрактoграфия - изучение поверхностей разрушения (изломов) материалов. Исследования проводят без использования при­боров и при небольших увеличениях до 50 (макрофрактография), а также при увеличениях до десятков тысяч кратных с помощью электронных микроскопов (микрофрактография). Методы фрактографии дают ин­формацию о микромеханических разрушениях материалов, используются при анализе повреждений деталей машин, происходящих в процессе их эксплуатации,

Микрофрактография позволяет изучить вид разрушения заготовки или детали машины. Для вязкого разрушения характерен ямочный (чашечный) рельеф разрушения, а для хрупкого разрушения - «ручьистая» поверхность скола, подобная излому хрупких силикатных стекол при комнатной температуре (рис. 1).

Рис. 1. Схемы строения поверхностей разрушения:

а- вязкого; б-хрупкого (´5000)

2. МАТЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

При подготовке образцов для макроанализа в практической части работы используются станок для приготовления шлифов, тиски, наждачная бумага, вытяжной шкаф, травители. Студентам предоставляются готовые микрошлифы, образцы с изломами, а также образцы для практи­ческой части работы.

3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Лабораторная работа состоит из двух частей:

· изучение макроструктуры и поверхностей разрушения металлических материалов по коллекциям образцов;

· выполнение одного из практических заданий по макроструктурному анализу.

По первой части работы студенты просматривают без применения приборов все образцы из коллекций макрошлифов и изломов. Используя данные табл. 1 и 2, схемы строения образцов (рис. 2), устанавливают характерные особенности строения и дефектов каждого образца в связи с их обработкой.

Во второй части работы выполняется одно из нижеприведенных заданий. Студентам выдаются готовые образцы с отшлифованной поверхностью или же предварительно проводится шлифование с помощью наж­дачной бумаги.