Короткі теоретичні відомості. Властивості металів і сплавів визначаються їхнім структурним станом, який залежить від хімічного складу і попереднього оброблен­ня їх

Властивості металів і сплавів визначаються їхнім структурним станом, який залежить від хімічного складу і попереднього оброблен­ня їх. Для вивчення структури металів і сплавів використовують різ­ні методи, найпоширенішими з яких є металографічний (макроструктурний, мікроструктурний), рентгеноструктурний, дилатометричний, термічний, електроопору, внутрішнього тертя та ін.

Макроструктурою називають будову металу, яку видно неозброєним оком або при невеликому збільшенні (до 10–30 крат) за допомогою лупи. При макроаналізі можна одночасно спостерігати велику поверхню заготовки. Це дає уяву про загальну будову металу, дозволяє в багатьох випадках робити висновки про якість металу та визначати умови попередньої обробки, тобто, умови твердіння, характер і якість обробки, що застосовувалися для надання деталі остаточної форми та властивостей (литво, обробка тиском, зварювання), дендритну будову, усадко­ву крихкість, раковини, тріщини, шлакові вкраплення, ліквацію сірки, фосфору і вуглецю, структурну неоднорідність, волокнистість структури, глибину зміцненого шару, зернистість структури тощо. Існують два основних методи виявлення макроструктури металу: зламу та протравлювання.

Метод зламу. По вигляду свіжого зламу можна судити про величину зерна металу, а також про наявність різних дефектів: раковин, тріщин, неметалевих включень. Вид зламу буває кристалічним (зернистим) або волокнистим.

За методом зламів вивчають зломи зразків, деталей, визначаючи харак­тер злому (динаміч­ний, втомний), роз­мір зерен, внутрішні дефекти (пори, трі­щини), дендритну будову, структурну неоднорідність тощо (рис. 1).

У металах і спла­вах залежно від їх попереднього оброблення злами бувають кристалічні (зернисті) (рис. 1, а, б) або волокнисті (рис. 2). Кристалічні злами виникають у крихких сплавах і руйнування відбувається по межах зерен (міжкристалічний, див. рис. 1, а) або через зерна (транскристалічний, див. рис. 1, б).

Рис. 1. Характер зламу: а – міжкристалічний крихкий; б – транскристалічний в'язкий

Коли руйнування відбува­ється в процесі дії циклічних навантажень, то виникають втомні зломи (рис. 3).

Рис. 2. Волокниста будова макро­структури поковки півосі автомобіля

Методом макрошліфа стру­ктуру вивчають на темплеті після його шліфування і протрав­лення спеціальним реакти­вом. Цим методом виявляють волокнистість, ліквацію сірки, фосфору і вуглецю, дефекти зварних швів, усадкові та інші раковини, тріщини, глибину зміцненого шару тощо.

Рис. 3. Макроструктура злому від втомленості: a – зародження тріщини на поверхні; б – зародження тріщини в перехідній зоні

Метод протравлювання. Для визначення макроструктури методом протравлювання необхідно підготувати спеціальний зразок – макрошліф, що вирізається з досліджуваної деталі. Зразок після вирізання заторцьовується на точилі, шліфується наждачним папером і протравлюється. Замість протравлювачів використовують спиртові або водні розчини кислот, солей та лугів. Методом протравлювання можна виявити порушення суцільності металу: усадкові та газові раковини, тріщини, дефекти зварювання, дендритну будову, неоднорідність будови, що викликана обробкою тиском і т.д.

Послідовність виконання роботи:

1. Перед практичним виконанням роботи під керівництвом ви­кладача ознайомитися зі стендами, зразками, деталями, темплетами, хімічними реактивами в лабораторії кафедри. Викладач демон­струє способи виготовлення макрошліфів, їх травлення відповідни­ми реактивами (дод. 2), звертаючи увагу на те, що зразок для макроаналізу вирізається у відповідних площинах заготовки або деталі.

Це залежить від того, що досліджується – відливок, поковка, штам­повка, зварний шов, термічно зміцнена деталь тощо.

2. Поверхні, що вивчаються, піддати ручному шліфуванню (шлі­фувальною шкуркою).

Виявлення неоднорідності (ліквації) сірки. Для виявлення в сталевих і чавунних виробах ліквації сірки використо­вують метод Баумана, який полягає в тому, що на підготовлений макрошліф емульсійним боком при­кладають лист глянцевого бромосрібного фотографічного паперу, попере­дньо змоченого у 5-ти процентному водному роз­чині сульфатної кислоти. Пригладжу­ючи зверху папір рукою, видаляють залишки повітря між папером і поверх­нею макрошліфа. Через 3 хв фотопапір знімають із макрошліфа, промивають у воді й переносять у ванночку з 25-ти процентним водним розчином гіпосульфіту. Через 10–15 хв фотопапір промивають во­дою і сушать.

Отримані на фотопапері ділянки коричневого кольору (рис. 4) позна­чають місця, збагачені сіркою (скуп­чення сульфідів FeS, MnS). Бромисте срібло утворюється в процесі реакцій (1), (2) і (3), які відбуваються під час взаємодії сульфідів із су­льфатною кислотою, що є на змоченому папері:

MnS + H₂SO₄ = H₂S + MnSO₄; (1)

FeS + H₂SO₄ = H₂S + FeSO₄. (2)

Утворений сірководень (H₂S) діє на бромисте срібло емульсійного шару паперу, в результаті чого утворюється сірчисте срібло, що має темно-коричневий колір (див. рис. 4):

2AgBr + H₂S = Ag₂S + 2HBr. (3)

Отриманий фотовідбиток прикладають до звіту, описавши харак­тер розподілення сірки. Приклад виявлення ліквації сірки наведе­но на рис. 4 для темплета рейки.

Рис. 4. Ліквація сірки в сталевій рейці

Наявність у сталі сульфідів заліза негативно впливає на її влас­тивості. Це пояснюється тим, що легкоплавка евтектика заліза з сір­чистим залізом (Fe + FeS) розміщується на межах зерен і плавиться за температури 985...988 °С. При гарячому обробленні тиском таких сталей за температур понад 1000 °С евтектика швидко пла­виться, розділяючи зерна, що призводить до виникнення трі­щин, надривів. Таке явище на­зивають червоноламкістю і во­но підсилюється за нерівно­мірного розподілення (ліквації) сірки.

Рис. 5. Виявлення глибини гарту­вання різального сегмента

Виявлення прогартованості сталевої деталі. Для при­кладу розглянемо виявлення прогартованості сегмента різа­льного апарата косарки або ком­байна.

На поверхню макрошліфа се­гмента ватним тампоном рівно­мірно наносять 5–10-и процентний розчин сульфатної кислоти у воді. Після витримування 1–2 хв поверхня, що піддавалася гартуванню стру­мами високої частоти, матиме темніше забарвлення порівняно з усією поверхнею сегмента (рис. 5).