Макроскопическое исследование

Итак, макроскопическое исследование объединяет методы визуального выявления поверхностных и внутренних дефектов материала детали и сравнительно грубых элементов его структуры. Оно может быть без разрушения детали или с разрушением для приготовления макрошлифа, либо в форме визуального внешнего осмотра, либо только после обработки анализируемой поверхности соответствующими для того химическими реактивами.

Анализ обычно начинается с тщательного визуального осмотра состояния поверхностей детали (наличие забоин, вмятин, царапин, изношенных участков, раковин, рыхлот, трещин и т.д.) и часто заканчивается получением документального макроснимка.

По поверхности излома, например, аварийной детали можно судить о степени однородности ее материала, установить, хрупок он или пластичен, как произошло разрушение – по границам (межкристаллитное) или по телу зерен (транскристаллитное). Поверхность излома у хрупкого металла кристаллична. По ее рельефу (плоскостям скола отдельных зерен) можно определить размеры и форму зерен, выявить строчечность их взаимного расположения. Поверхность излома пластичного материала характернаволокнистым строением. Здесь форма зерен настолько искажена пластической деформацией, что установить, грубо- или мелкозернист анализируемый металл, практически не удается.

При упругопластической деформации под действием внешней силы необратимо изменяются форма и размеры изготовленной из металла детали или испытуемого образца. Во время этой деформации, которую обычно называют пластической, зерна металла под действием силы P расслаиваются на пачки скольжения. Образующиеся пачки смещаются друг относительно друга, что приводит к вытягиванию зерен в волокна (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема пластической деформации отдельного зерна металла

В волокнистой структуре между волокнами располагаются различные разделяющие волокна включения, из-за которых пластически деформированный металл анизотропен. Его прочность на разрыв вдоль волокон оказывается выше, чем поперек.

Образованию и перемещению пачек скольжения в зернах предшествует лавинообразный процесс передвижения дислокаций по определенным плоскостям-системам скольжения в кристаллической решетке. Системы скольжения включают те параллельные плоскости, по которым могут передвигаться дислокации. Насчитывается до трех действующих систем. Наиболее легкие условия скольжения в первой, самые трудные – в третьей.

У серого чугуна поверхность излома темно-серого цвета (черный излом) из-за присутствия в его структуре включений графита.

Если поверхность излома слегка окислена и окрашена в цвета побежалости (цвет определяется химическим составом и толщиной окисной пленки), разрушение либо сопровождалось окислением, либо началось с трещины, образовавшейся еще после окончательной термической обработки детали.

Сильно окисленная поверхность излома может быть у деталей, работающих при высоких температурах, когда трещина, зародившаяся на каком-нибудь дефекте структуры, медленно разрасталась.

Усталостный излом типичен наличием двух зон разрушения:

1. Зоны собственно усталостного разрушения с мелкозернистойповерхностью, а возможно, и с цветом, словно подвергнутыми шлифовке;

2. Зоны окончательного долома.

При визуальном макроанализе сварных швов выявляются следующие поверхностные дефекты (рис. 2.3):

а) неравномерность ширины и высоты наплавленного металла, наличие углов, наплывов, седловин у стыковых швов и неравная величина катетов у угловых швов. Названные дефекты возникают при ручной дуговой сварке из-за низкой квалификации сварщика, а при автоматической сварке – в результате непостоянства скорости подачи электродной проволоки;

б) подрезы, представляющие собой углубления у кромки шва в основном металле (рис. 2.3, д-ж), возникают при завышенном режиме дуги и уменьшают расчетное поперечное сечение материала, выступая одновременно в качестве концентраторов напряжений. Подрезы опасны и недопустимы, как очаги преждевременного разрушения;

в) кратеры (рис. 2.3, а) возникают при обрывах дуги. Они снижают стойкость металла шва против коррозии и локально уменьшают расчетное поперечное сечение. Поэтому часто являются очагами появления трещин и преждевременного разрушения;

г) прижоги появляются от чрезмерного завышения теплового режима сварочной дуги или в результате неравномерного перемещенияэлектрода. При прижогах металл из-за укрупнения зерна становится недопустимо хрупким.

а б в г

д е ж

Рис. 2.3. Неравномерность ширины шва и наличие кратера (а), наплывы (б-г) и подрезы (д-ж) на швах

Все названные выше дефекты сварных швов могут быть устранены подваркой, если таковая допускается техническими условиями. Однако факт наличия этих поверхностных дефектов служит обычно основанием для предположения о наличии в металле шва опасных внутренних дефектов схематически представленных на рис. 2.4.

Наиболее крупные из них можно выявить, не разрушая сварного соединения, например, с помощью рентгено- н гаммадефектоскопии, магнитным и ультразвуковым контролем.

б в г

Рис. 2.4. Типичные внутренние дефекты: поры и газовые раковины – (а), шлаковые включения – (б), непровары – (в), трещины – (г)

Значительно сложнее – задача выявления мелких внутренних изъянов и особенно дефектов структуры.

К таким типичным недостаткам у сварных соединений относятся:

а) газовые раковины и поры (рис. 2.4, а), возникающие вследствие насыщения газами металла сварочной ванны. Они могут быть и в результате загрязнения свариваемых кромок основного металла, сварки длинной дугой, наличиявлаги в электродном покрытии и т.п.;

б) шлаковые включения возникают из-за плохой зачистки шлака при многослойной сварке и наличия окалины на кромках основного металл.Они опасно охрупчивают металл шва;

в) непровары представляют собой несплошности значительной протяженности по границе расплавленного металла с основным. К появлению непровара приводят загрязнение кромок основного металла,неправильная их подгонка и нарушения режима сварки;

г) трещины – наиболее опасные внутренние дефекты сварки. Они могут быть макроскопическими и микроскопическими, а по происхождениюгорячими и холодными. Первые из них возникают в процессе кристаллизации наплавленного металла под действием растягивающих напряжений. Холодные трещины появляются потем же причинам вуже остывшем металле и до эксплуатации, и в процессе таковой.

Сварные соединения с выявленными в них трещинами обычно отбраковываются и реже подлежат исправлению. Трещины – дефект недопустимый, а обнаружить их не всегда удается.

Для выяснения причин поломки сварного соединения или детали машины из них вырезают макрошлифы таким образом, чтобы анализируемаяповерхность гарантировала достоверность и однозначность заключения. Исследуемая поверхность, например, макрошлифа сварного шва должна пересечь его поперек. Она тщательно шлифуется и полируется,травится соответствующим реактивом. Травление поверхности позволяет выявить макроструктуру (зерна, зоны перегрева, волокна) и установить характер дефектов.

По макроструктуре можно вполне достоверно судить о качестве анализируемого сварного соединения.

Микроскопическое исследование

Метод основан на применении оптических микроскопов, работающихпо принципу отраженного света, с полезным увеличением «60^х-2000^х». Основные элементы микроструктуры: зерно, фрагмент зерна, блоки, микровключения(их форма, размеры, количество и взаимное расположение),границы зерен, линии сдвига, полосы скольжения, микротрещины и микропоры.

Исследование или анализ микроструктуры производится с помощью микрошлифов, рабочие поверхности которых в форме ровной площадки после тщательной шлифовки полируются до зеркального блеска. Затем они подлежат промывке чаще спиртом, и сушке обычной фильтровальной бумагой.

При анализе такой отполированной поверхности под микроскопом выявляются присутствующие в металле неметаллические включения (сульфиды, шлак, окислы, силикаты, графит и др.), рыхлоты и микротрещины. Все они легко выявляются потому, что взаимодействуют со световым потоком иначе, чем зеркально гладкая металлическая поверхность.

Анализ нетравленой поверхности микрошлифа предусматривается стандартами по приемке металла, например, при определении группы чугуна по форме (пластинчатый, хлопьевидный, глобулярный) и количеству графитных включений.

Действительную микроструктуру анализируемого металла можно увидеть лишь после травления поверхности микрошлифа соответствующим реактивом. Реактив растворяет металл, прежде всего, по границам зерен. Дело в том, что здесь в тонком слое, не более 2-3 межатомных расстояний, атомы занимают компромиссное положение относительно кристаллических решеток контактирующих зерен. Меньший порядок взаимного расположения в совокупности с присутствием чужеродных примесных атомов и обусловливаетобычно большую скорость растворения границ зерен химическими реактивами. При этом они, естественно, углубляются, как схематически показано на рис. 2.5, а, и световые лучи, попав на них, рассеиваются. Поэтому в поле зрения окуляра границы зерен выглядят в виде ажурного темного контура, окаймляющего сравнительно светлые зерна (рис. 2.5, б).

а б

Рис. 2.5. Схема отражения световых лучей от поверхности шлифа (а) и видимой при этом зернистой структуры (б).

Сами зерна, если они совершенно однородны и по химическому составу и по структуре, например, в каком-нибудь чистом металле, кристаллографическиотносительно поверхности микрошлифа ориентируется случайно. Благодаря анизотропии свойств, поверхности двух рядов расположенных зерен будут растравливаться реактивом с разной скоростью.Соответственно на каждом из них образуется тончайший микрорельеф с разной рассеивающей способностью лучей света. Это придает каждому зерну индивидуальность тона освещенности.

У чистых металлов и однофазных сплавов разница в тоне освещенности между зернами сравнительно мала, но может быть достаточно велика в сплавах с двухфазным или многофазным строением. Нередко травление производят специальными реактивами, которые окрашивают разные фазовые составляющие структуры в соответствующие цвета.

Возможны случаи, когда обе структурные составляющие одного зерна одинаково хорошо сопротивляются действию реактива и растворяется лишьграница между ними. Примером тому служат в стали зерна перлита, в которых тонкие пластинки феррита и цементита чередуются между собой. Применяющийся обычно для травления стальных микрошлифов 3-5%-ный раствор азотной кислоты в спирте растравливает только границу между ними (рис. 2.6, а). Поэтому под микроскопом их пластинки в перлитном зерне выглядят светлыми, а тончайшая граница между ними темной.Если толщина пластинокферрита и цементита в плоскости шлифа около 0,6 ммк и более, то под микроскопом хорошо видна пластинчатая структура перлитных зерен (рис. 2.6, б). Когда указанные пластинки по размеру меньше 0,6 ммк, т.е. за пределами разрешающей способности оптического микроскопа перлитные зерна выглядят темными сотносительно однородной тональностью фона в пределах границ отдельно взятого зерна.

а б

Рис. 2.6. Схема, иллюстрирующая травление перлитного зерна (а) и зернистую структуру дозвтектоидной стали (6)