Задание:
Изучить и кратко описать методы выявления макростроения металлов и сплавов.
Исследовать и зарисовать макроструктуру двух литых стальных образцов. Начертить схему строения стального слитка. Объяснить причины образования в слитке трех зон кристаллизации.
Определить неоднородность (ликвацию) распределения серы в двух стальных образцах по методу Баумана. Описать процесс получения серных фотоотпечатков макрошлифов. Дать заключение о пригодности металла методом сравнения с эталонной шкалой серных отпечатков.
Изучить и зарисовать макроструктуру детали после горячей обработки давлением. Указать наименование детали и цель ее обработки.
Выявить характер разрушения двух образцов. Зарисовать вязкий и хрупкий изломы.
Оформить отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами задания.
Лабораторая работа №2 «Микроанализ металлов и сплавов»
Цель работы:
изучить методику выявления микроструктуры металлов;
изучить методику приготовление микрошлифа;
изучить устройство и работу металлографического микроскопа, приобретение практических навыков работы на нем;
проведение микроанализа сплавов и приобретение навыков зарисовки простейших микроструктур;
установить зависимость качества металла от загрязнения неметаллическими включениями и размера зерна.
1. Сущность микроанализа
Микроскопический анализ – метод исследования структуры металлов и сплавов при помощи микроскопа на специально приготовленных образцах. Структура металлов, изучаемая при микроанализе – микроструктура.
Металлографический микроскоп дает увеличение от 50 до 1500 раз.
Наиболее употребляемое увеличение в 500-600 раз. Изучение микроструктуры можно производить визуально или при помощи фотографирования.
Микроанализ позволяет определить:
форму и размеры кристаллических зерен;
строение сплавов после термической и химико-термической обработок;
микропороки металла (микротрещины, раковины);
засоренность неметаллическими включениями.
Можно приближенно определять химический состав сплавов (содержание углерода в стали в равновесном состоянии).
Микроанализ состоит из приготовления микрошлифа и исследования его под микроскопом.
2. Приготовление микрошлифа
Образец металла, приготовленный специальным способом для исследования его структуры под микроскопом, называется микрошлифом.
Особенность металлографического микроскопа: непрозрачный образец (микрошлиф) рассматривается в отраженном свете, поэтому поверхность его должна быть зеркальной.
Заторцовка, шлифование, полирование, травление – стадии приготовления микрошлифа.
Размеры микрошлифов должны быть небольшими (по возможности) (Ø 10÷20 мм или 10x10; 10x20 мм; высота обычно не превышает 15÷20 мм).
Заторцовка. Образец закрепляется в тисках. С помощью напильника одна из его поверхностей (с необходимой стороны) опиливается на плоскость. Зачистка может быть произведена на наждачном круге.
Шлифование. Обработка заключается в шлифовании полученной плоскости на наждачной бумаге различных номеров (60, 80, 100, 120, 140, 180, 280, 320), начиная с крупных (125 мкм) и кончая мелкими (3 - 5 мкм) абразивными зернами. При переходе от более грубого номера бумаги к более тонкому шлиф поворачивают на 90° и шлифуют до тех пор, пока риски от предыдущего номера бумаги не будут полностью ликвидированы. Шлифование выполняется вручную или на специальных станках.
Полирование. Шлифы полируются на вращающемся плоском круге (диске), покрытом сукном (войлоком). Круг смачивается водой с очень мелким абразивным порошком (окись хрома, окись алюминия) и приводится в быстрое вращение. Шлиф слегка прижимается к кругу. Полирование считается законченным, если удалены все риски и поверхность становится зеркальной. Широкое применение находит метод электрохимического полирования, когда образец в качестве анода помещается в электролит.
На полированном микрошлифе в большинстве случаев структура не видна. В микроскопе виден светлый круг, так как все падающие на поверхность шлифа лучи отражаются, если же шлиф имеет риски, то часть лучей, падающих на поверхность, рассеивается и видны темные полосы.
Если металл загрязнен, то обнаруживаются неметаллические включения (оксиды, сульфиды и т. д.), микропороки (поры, раковины, трещины), на поверхности чугуна – графит (рис.1).
Рис. 1. Поверхность микрошлифа после полирования:
а – сталь; б – серый чугун Х 100
Травление. Для выявления микроструктуры полированную поверхность шлифа подвергают травлению различными химическими реактивами (травителями).
Сущность процесса травления заключается в различной растворимости в электролите отдельных химически неоднородных структурных составляющих сплава из-за неидентичности их электродных потенциалов. Зерна чистых металлов, твердых растворов, химических соединений травятся неодинаково.
Структурные составляющие, имеющие меньший электродный потенциал, являются анодами и хорошо растворяются в реактиве (сильно протравленные участки), а имеющие больший электродный потенциал – катодами (слабо протравленные участки). Из-за большого количества анодных и катодных участков на поверхности образуются многочисленные впадины и выступы. Образовавшийся микрорельеф приводит к потускнению поверхности микрошлифа после травления.
Под микроскопом слабо протравившиеся структурные составляющие отразят в поле зрения больше световых лучей и будут светлыми. Сильно протравившиеся структурные составляющие рассеют большее количество лучей и в поле зрения микроскопа будут темными.
Металл является поликристаллическим телом. Если его рассечь плоскостью шлифа, то в ней будут находится различные сечения зерен и их границы, травимость которых неодинакова. Схема, поясняющая видимость границ зерен металла под микроскопом, представлена на рис. 2.
Универсальным травителем для железоуглеродистых сплавов является 2÷5%-й раствор азотной кислоты в спирте.
Рис. 2. Схема отражения световых лучей от протравленной поверхности микрошлифа:
1 – зерна, 2 – граница зерен, 3 – неметаллическое включение
Проводится травление следующим образом:
- отполированный шлиф загружается на несколько секунд полированной поверхностью в раствор;
- вынимается, промывается водой и сушится фильтрованной бумагой.
Если выдержка большая и шлиф сильно потемнел (перетравился), процесс повторяется после предварительной полировки.