Содержание письменного отчета

В отчет необходимо включить: понятие о твердости; основные методы определения твердости металлов и области их применения; порядок работы при измерении твердости; протокол результатов испытаний по форме табл. 1.3.

Таблица 1.3 – Протокол результатов испытаний

№ п/п	Образец	Твердость по Роквеллу		Твердость по Бринеллю НВ, МПа
		НRВ	НRС

Рисунок 8 – Влияние содержания углерода на твердость стали

Контрольные вопросы

1. На чем основан метод Бринелля и область его применения?

2. На чем основан метод Роквелла и область его применения?

3. На чем основан метод Виккерса и область его применения?

4. Как обозначаются твердости, определенные методами Бринелля, Роквелла и Виккерса?

5. При каких нагрузках проводят испытания по методу Бринелля?

6. При каких нагрузках проводят испытания по методу Роквелла?

7. Какие используют наконечники при измерении твердости различными методами?

8. Какие факторы влияют на твердость стали?

Таблица 1.4 – Соотношение чисел твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRA, HRB, HRC, HRC_Э) и Виккерсу (HV)

HRCЭ	HRC	HRA	HB	HV	HRCЭ	HRC	HRB	HB	HV	HRB	HB
- - - 67,0 65,0 62,0 61,0 59,0 57,0 56,0 53,0 51,5 50,5 49,5 47,5 46,5 44,5 43,5 42,5 41,5 40,5 39,5 37,5 36,5	72,0 70,0 68,0 66,2 64,1 62,1 60,0 58,0 55,9 54,9 51,8 50,2 49,2 48,2 46,1 45,1 43,0 42,0 41,0 39,9 38,9 37,9 35,8 34,8	87,5 86,7 85,5 84,5 83,5 82,5 81,0 80,0 79,0 78,5 77,0 76,0 75,5 74,5 73,5 73,0 72,0 71,5 71,0 70,5 - - - -	780 745 712 682 653 627 601 578 555 534 514 495 477 461 444 429 415 401 388 375 363 352 341 331	1220 1076 942 854 789 739 695 655 617 598 545 513 498 485 458 446 424 413 403 393 383 373 353 363	35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 23 22 21 19 17 16 13 12 11 9 8 7 6	33,2 32,2 31,2 30,2 29,1 28,1 27,1 26,0 25,0 24,0 23,0 20,9 19,9 18,8 17,0 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 9,0 8,0 7,0 6,0	- - - - - - - - - - 102 101 100 99 98 97 95 94 93 92 91 90 88 87	321 314 307 300 293 285 279 272 266 260 255 235 229 223 217 212 207 201 197 192 187 183 179 174	322 314 307 300 293 285 279 272 266 260 255 235 229 223 217 212 207 201 197 192 187 183 179 174	86 85 84 83 82 81 80 78 77 76 75 73 72 71 70 69 68 67 65 64 63 61 59 58	170 167 163 159 156 152 149 146 143 140 137 134 131 128 126 123 121 118 116 114 111 109 107 105

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомиться с устройство металлографического микроскопа, освоить технологию приготовления микрошлифа, выявить и изучить микроструктуру шлифа.

ЗАДАНИЕ

1. Изучить устройство металлографических микроскопов МЕТАМ РВ-34, МЕТАМ РВ-21 и освоить работу с ними.

2. Определить общее увеличение микроскопа и цену деления шкалы окуляра.

3. Приготовить микрошлиф заданного материала.

4. Посмотреть под микроскопом микрошлиф и зарисовать схему микроструктуры.

5. Определить средний диаметр кристаллического зерна.

Теоретические сведения

Микроанализ применяют для изучения внутреннего строения (микроструктуры) металлов и сплавов с помощью оптического или электронного микроскопа.

Для проведения микроисследования используют микрошлиф, представляющий собой образец из исследуемого материала, поверхность которого специально обработана. Выбор места взятия образца для изготовления микрошлифа проводится после тщательного внешнего осмотра объекта исследования с учетом цели исследования. При выяснении причин выхода из строя деталей машин следует определить микроструктуру в месте излома, ведущую к образованию хрупкой структурной зоны и затем микротрещины.

Для этого образцы следует вырезать так, чтобы сечение излома, поверхность износа или другого дефекта попали в плоскость шлифа. При исследовании неметаллических включений в прокате или поковке необходимо отбирать пробы вдоль и поперек прокатки или направления ковки. Если изделия подвергнуты термической или химико-термической обработке, образцы нужно вырезать так, чтобы в плоскость шлифа попали как поверхностные, так и срединные слои изделия.

Процесс подготовки микрошлифа состоит из следующих этапов:

- Отрезание;

- Запрессовка или заливка в смолу;

- Механическая обработка (шлифование и полирование).

Отрезание должно обеспечивать плоскую поверхность с наименее возможной деформацией. Наиболее подходящий метод - это абразивное мокрое отрезание, при котором происходит минимальное повреждение материала. При абразивном мокром отрезании используются отрезные круги, состоящие из абразива и связующей составляющей. Охлаждающая жидкость омывает круг во избежание повреждения образца из-за перегрева и смывает абразив с разрезаемой поверхности.

В зависимости от отрезаемого материала, могут применяться круги различного состава. Твердость и пластичность материала влияют на выбор отрезного круга. Керамика и спеченные карбиды режутся алмазами в металлической или бакелитовой связке. Для резания черных металлов обычно используется оксид алюминия(Al₂O₃) в бакелитовой связке. Кубический нитрид бора (CBN) используется для более твердых черных металлов. Цветные металлы режутся карбидом кремния (SiC) в бакелитовой связке.

Для облегчения последующей подготовки и улучшения ее результатов образцы могут быть подвержены запрессовке в смолы. Если необходимо хорошее удержание края или имеется поверхностный слой, то для достижения наилучших результатов, такой образец должен быть обязательно запрессован в смолу для дальнейшей подготовки.

Существуют два основных вида запрессовки – горячая и холодная запрессовка.

Горячая запрессовка применяется, когда требуется достижение высокого качества подготовки, стандартного размера и формы, а также минимальное время подготовки. Горячая запрессовка проводится с использованием специальных прессов, в которых образец помещается в запрессовочный цилиндр вместе со специальной смолой для запрессовки. Получение образца происходит при температуре до 200^oС и прилагаемом усилии до 50 кН с последующим охлаждением. Во время нагрева смола расплавляется, принимает форму, а во время охлаждения затвердевает.

Холодная запрессовка (заливка) применяется для образцов чувствительных к нагреву и давлению. Образец помещается в форму. Необходимое количество двух или трех компонентов смолы отмеряются (по весу или объему), затем эти компоненты смешиваются и заливаются в формочку с образцом. Смола затвердевает и залитый образец извлекается из формы.

Затем следует механическая обработка полученных образцов. Она состоит из шлифования и полирования. Первым шагом шлифования является выравнивание поверхности. Выравнивание поверхности обеспечивает достижение одинакового состояния поверхности всех образцов, вне зависимости от их первоначального состояния и предшествующей обработки. Для достижения максимального уровня снятия материала целесообразно использование абразива с большим размером частиц.

Вторым шагом является тонкое шлифование. Результатом тонкого шлифования является поверхность с тем минимумом деформаций, которые могут быть убраны в процессе полирования. Для этого используются диски для тонкого шлифования, или твердые сукна с низкой упругостью. Высокий уровень снятия материала достигается с помощью абразивных частиц размером 9 или 6 мкм. В процессе шлифования усилие на образец должно быть относительно высоким для обеспечения высокого уровня снятия материала.

Как и тонкое шлифование, полирование должно убрать повреждение от предыдущего шага подготовки. Это достигается с помощью нескольких материалографических шагов с использованием определённых абразивных частиц.

Полирование подразделяется на две стадии: алмазное полирование и оксидное полирование.

При алмазном полировании алмазы используются как абразив для более быстрого удаления материала и получения наилучшей плоскостности. Алмазы имеют очень высокую твёрдость, что позволяет применять их для любых материалов.

В процессе полирования желателен более низкий уровень снятия материала, так как целью полирования является получение поверхности образца без царапин и деформаций. Более эластичные сукна используются с частицами небольшого размера (3 или 1мкм) для приближения уровня снятия материала к нулю. Более низкое усилие на образец будет так же снижать уровень снятия материала.

Оксидное полирование применяется преимущественно для мягких и пластичных, материалов. Коллоидальная двуокись кремния с размером зерна 0,04 мкм позволяет получить высокое качество поверхности микрошлифа. Сочетание химической активности и лёгкого абразива приводит к получению поверхности, абсолютно лишённой царапин и деформаций.

Итогом полирования считается состояние поверхности микрошлифа, когда поверхность образца обрела зеркальный вид и под микроскопом не просматриваются риски.

После каждой операции шлиф тщательно промывается водой, спиртом и сушат, прикладывая (промокая) фильтровальную бумагу.

С целью выявления микроструктуры полирования поверхность шлифа подвергается химическому травлению реактивом. Для стали и чугуна чаще всего применяют 2-5 %-ный раствор азотной кислоты (HNO₃) в этиловом спирте. Полированную поверхность шлифа погружают в реактив на 3-15 с или протирают ватой, смоченной в реактиве до появления ровного матового оттенка без наличия каких-либо пятен. Затем шлиф промывают водой, спиртом и просушивают фильтровальной бумагой.

Механизм выявления структуры сплава довольно сложен. Те уча­стки шлифа, которые сильно растравлены, кажутся под микроскопом более темными т.к., чем сильнее растравлена поверхность, тем больше она рассеивает свет и меньше света отражает в объектив.

В образце с однофазной структурой границы между зернами растрав­ливаются сильнее, чем тело зерна, и под микроскопом видны канавки в виде темной сетки (рис. 1.) Разные зерна одной фазы попадают в сечение шлифа различными кристаллографическими плоскостями, которые тра­вятся по-разному. Поэтому зерна одной фазы могут иметь различные от­тенки.

Рисунок 1 - Выявление микроструктуры сплава

В многофазном сплаве различные фазы и структурные составляю­щие травятся по-разному. Смесь фаз подвергается не только простому химическому действию реактивов, но и электрохимическому травле­нию, т.к. смесь фаз является совокупностью микрогальванических элементов. Растворяются частички, являющиеся микроанодами по от­ношению к другим частицам - микрокатодам.

В результате такого сложного действия травителя выявляется микростроение образца. После травления шлиф промывают водой, сушат фильтровальной бумагой и ставят на столик микроскопа.

В результате неодинаковой степени травимости структурных составляющих на поверхности шлифа создается микрорельеф. Этот микрорельеф создает сочетание света и тени при рассмотрении шлифа в микроскоп.