7. Теоретические сведения

При макроанализе применяют два метода исследований: метод изломов и метод макрошлифов.

Метод изломов позволяет установить характер предшествующей обработки металлов давлением, величину зерен, виды чугунов, дефекты внутреннего строения (поры, трещины и др.). Изучение изломов производят визуально или с пользованием лупы 10…30-ти кратного увеличения Исследование излома является очень простым и широко распространенным испытанием металла. Излом стали может быть крупно, средне- и мелкозернистым. Чрезвычайно крупнозернистый излом принято называть сахаровидным, а самый мелкозернистый – фарфоровидным. Кроме того, бывают изломы волокнистые, столбчатые и слоистые (шиферные). Излом можно характеризовать по цвету его, – например темный или светлый, а также по степени его однородности.

Сахаровидные, крупнозернистые изломы отвечают или литому, или перегретому металлу, т. е. условиям, способствующим силь­ному росту зерна; мелкозернистые изломы отвечают высокому качеству стали.

Обычно низкоуглеродистая мягкая сталь имеет излом более крупнозернистый, нежели высокоуглеродистая. Большое значе­ние имеет способ получения излома: спокойной нагрузкой, уда­ром или же при усталости; в последнем случае излом очень характерен. В случае местного приложения нагрузки, особенно при ударе надрезанного образца, когда при работе разрушения участвует малый объем стали, излом получается более крупнозернистым.

Метод макрошлифов дает возможность исследовать структуру, образующуюся в процессе кристаллизации или последующей обработки давлением. Этим спосо­бом можно выявить волокнистость, ликвацию серы и фосфора, различного вида дефекты: усадочную рако­вину, газовые пузыри, поры, трещины и др. Макрошлиф приготовляют шлифованием образца. Подготов­ленную поверхность травят соответствующим реактивом для выявления структуры.

Дендриты. При затвердевании стали перпендикулярно внеш­ней поверхности (рис. 3.1) образуются дендритные (древовид­ные – елочные) кристаллы, бедные углеродом и фосфо­ром, остальная же масса обогащается последними. Фо­тографии стали, протравленной на дендриты, показана на рис. 3.1. Эта первичная (дендритная) кри­сталлизация остается и после меха­нической и термической обработки и иногда бывает очень ясно выра­жена. Хорошим реактивом для выявле­ния дендритной структуры является персульфат аммония.

Волокна. При глубоком травлении поверхности шлифа на макроструктуре его появляются во­локна, направление которых соответствует дефор­мации

при прокатке или ковке. Появление волокон обусловливается неоднородностью стали: получившиеся при затвердевании дендриты и нерав­номерное распределение вредных примесей раз­лично поддаются травлению. Одни волокна стойки и очень мало поддаются разъедающему действию кислот, другие, более богатые примесями, разъ­едаются глубоко. Лучшим реактивом для травления макроструктуры стали, особенно для выявления волокон, является раствор 1 части технической (не химически чистой) соляной кис­лоты в 1 части воды. Этот реактив употребля­ется подогретым до 80°.

Рисунок 3.1 – Макроструктура стали, протравленной на дендриты.

При этой температуре реактив действует энергично и не испаряется. Перед травлением образец очищается, нагрева­ется в горячей воде и затем погружается в реак­тив, нагретый до 80°. Время травления опре­деляется практически. После травления образец промывается и сушится. Для предохранения от окисления поверхность покрывается тонким споем вазелина или прозрачного лака.

На рис. 3.2 приведен пример макроструктуры расположения волокон у шестерен. Изучение на­правления волокон позволяет определить метод производства изделия, например, правильно или нет коленчатый вал от­штампован. Для службы изделия чрезвычайно важно, особенно в опасных сечениях, идут ли волокна вдоль направления действия сил или поперек, если они идут поперек, то может произойти по­ломка.

Рис. 3.2 Макроструктура правильно откованной шестерни

На практике поломка коленчатых валов, зубьев шестерен, кулаков и пр. зачастую этим и объясняется. В производстве при установлении про­цессов ковки и штамповки чрезвычайно важно знать расположение волокон в макрострук­туре. Одновременно с выявлением волокон глубокое травление очень хорошо обнаруживает и всякого рода трещины, даже бывшие до травления незаметными (рис. 3.3).

Зоны закалки, цементации. Эти зоны прекрасно обнаружива ются и измеряются по макроструктуре. Лучшим реактивом для выявления закаленных зон является 10°/о водный раствор азотной кислоты. Зоны цементации и обезуглероживания обычно определя ются по излому или же по шлифу, изготовленному и протравлен ному для исследования под микроскопом. В случае определения глу­бины цементации по излому, его можно протравить 10% рас тво­ром азотной кислоты в воде или еще лучше - нагреть на металлическом листе до появления синего цвета побежалости у твер­дого закаленного слоя. Микроанализ. Микроанализ применяют для изучения внутреннего строения металлов и спла­вов на оптическом микроскопе при увеличении от 50 до 1500 раз или на электронном микроскопе при уве­личении порядка 5000...20000 раз.

Рисунок 3.3 – Трещины в поковке, обнаруженные глубоким травлением

(Впервые в мире структуру высококачественной стали исследовал с помощью микроскопа инженер Павел Петрович Аносов в 1831 г.).

Для проведения микроисследования от изучаемой детали или заготовки отрезают образец, который спе­циально обрабатывают для придания одной из его по­верхностей прямолинейности и зеркального блеска. Об­разец, подготовленный к микроанализу, называют ми­крошлифом. На практике приходится изготовлять шли­фы больших размеров (рис. 3.3, а, б) и малых (рис. 3.4, б, г).

Рис. 3.4 Виды металлографических образцов для приготовления микрошлифов:

При изготовлении микрошлифов из образца малых а и б – без приспособлений; в и г – в приспособлениях (1 – образец; 2 – трубка; 3 – пластмасса, легкоплавкий сплав или сера; 4 – струбцина), размеров (проволока, стружка, листы и др.) для их надежного крепления используют специальные струбци­ны (см. рис. 3.3, г) или заливают образцы легкоплавким сплавом Вуда (50% Bi, 25% РЬ, 12,5% Sn и 12,5% Cd) с температурой плавления 68 ⁰С, серой или пласт­массой (см. рис. 3.3, в).

Для проведения микроанализа необходимо: изгото­вить шлиф; изучить под микроскопом структуру на по­лированной поверхности шлифа (до травления); про­травить полированную поверхность; изучить под ми­кроскопом структуру протравленной поверхности шлифа.

Изготовление микрошлифа включает следующие операции: отрезку образца, его торцовку, шлифование и полирование.

Отрезка образца нужных размеров проводится резцом или ножовкой (при твердости металла НВ<300) ли дисковым шлифовальным или отрезным кругом (при твердости металла НВ >300) с охлаждением водой или эмульсией, чтобы образец не нагревался свыше 150° С и его структура не изменялась.

Торцовка шлифа осуществляется с целью придания прямолинейности одной из его поверхностей и прово­дится опиловкой напильником или шлифовальным кругом.

Шлифование необходимо для удаления рисок, оставшихся от торцовки. Это достигается обработкой по­верхности шлифа шлифовальной бумагой различной зернистости (разных номеров). Шлифовальная бумага отечественного производства имеет следующую нумерацию: 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3 (номер обозначает, пример­яю величину зерна в сотых долях миллиметра). Для предварительного чернового шлифования берут бумагу первых четырех номеров. Заканчивают шлифование бу­магой номерами 5...3 с мелкими абразивными зерна­ми. Шлифование проводят вручную или на специаль­ном шлифовальном станке. Вручную образец шлифуют так: наждачную бумагу кладут на толстое стекло, за­тем образец (шлиф) прижимают к бумаге и, удержи­вая его тремя пальцами, перемещают по ней в одном направлении, но обязательно перпендикулярно рискам от предыдущей обработки. Этого правила необходимо придерживаться и при переходе с одного номера шли­фовальной бумаги на другой для удобства наблюдений за выведением рисок и ускорения процесса шлифова­ния.

Полирование проводят на быстровращающемся дис­ке с сукном, которое смачивается водой с взвешенны­ми в ней частицами какого-либо абразива (окись хро­ма или алюминия). Частицы окиси металла весьма тверды, поэтому во время полирования они режут ме­талл образца. Так как эти частицы дисперсные, он спо­собен снимать мельчайшие неровности, делая поверх­ность шлифа зеркального вида, без рисок даже при рассмотрении под микроско­пом. Готовый полированный шлиф последовательно тщательно промывают во­дой, спиртом и сушат, прикладывая (промокая) фильт­ровальную бумагу.

Изучение полированной поверхности шлифа под ми­кроскопом преследует 'цель определить качество изготовления шлифа (отсутствие следов обработки) и устано­вить характер расположения и размеры микроскопи­ческих трещин, неме

таллических включений — графита, сульфидов, оксидов (рис. 3.5) в металлической основе (имеет светлый вид при рассмотрении под микроско­пом)

Структуру металлической основы шлифа после по­лирования выявляют травлением его реактивом. Для стали и чугуна чаще всего применяют 2...5%-ный рас­твор

а – оксиды; б – сульфиды; в – графит.

Рисунок 3.5 – Неметаллические вклю­чения в стали и чугуне

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 спиртом или водой и просушивают фильтровальной бумагой.

Любой металл или сплав является поликристалли­ческим телом, то есть состоит из большого числа раз­лично ориентированных кристаллитов или зерен. На границах зерен (даже чистейших металлов) обычно располагаются различные примеси. Эти примеси и структурные составляющие двухфазного строения (ме­ханические смеси) под действием реактива образуют микроскопические гальванические пары, что способст­вует более быстрому их растворению. Однофазные структуры (чистые металлы, твердые растворы, хими­ческие соединения) травятся медленнее. В результате неодинаковой степени травимости структурных состав­ляющих на поверхности шлифа создается микрорельеф (рис. 3.5).

Изучение протравленной поверхности шлифа под оптическим микроскопом позволяет увидеть микрострук­туру металлической основы. Она обычно состоит из светлых и темных участков. Это объясняется неодина­ковой степенью отражения света от структурных со­ставляющих. Структура, растворившаяся на большую глубину, под микроскопом имеет темный цвет (см. рис. 3.6, а), так как дает больше рассеивающих лучей; струк­тура же, растворившаяся меньше, за счет прямого от­ражения света имеет светлый цвет (см. рис. 3.6, б).

а– зерна во впадинах – темного цвета, выступающие светлого;

б – границы зерен металлов и твердых растворов

Рисунок 3.6 – Схемы, поясняющие видимость под микро­скопом

Границы зерен будут видны в виде тонкой темной сетки (см. рис. 3.5, б). Часто зерна металла одного и того же фазового состава под микроскопом могут иметь различ­ные оттенки. Это объясняется тем, что каждое зерно в плоскости шлифа имеет свое сечение кристаллической решетки с различным количеством в нем атомов, а, сле­довательно, и свойства зерен отличаются одно от дру­гого способностью протравливаться, прочностью и др. Такое явление называется анизотропией.

Строение металла, наблюдаемое в металлографиче­ском микроскопе, называется микроструктурой, кото­рая представляет собой изображение весьма малого участка поверхности, составленное из отраженных от него световых лучей.

Принципиальная оптическая схема металлографи­ческого микроскопа МИМ- 7 показана на рисунке 3.7. Увеличение микроскопа определяется произведением увеличения окуляра на увеличение объектива. Объ­ектив дает обратное увеличенное действительное изо­бражение. Окуляр как обычная лупа укрупняет изо­бражение, полученное объективом.

В результате изучения микроструктуры можно уста­новить: количество структурных составляющих сплава и характер их расположения; величину зерен (путем их сопоставления со специально установленной шкалой или непосредственным измерением, зная величину уве­личения); вид термической обработки и правильность выбора ее режима (температуры нагрева, скорости ох­лаждения); приближенное содержание некоторых эле­ментов, например углерода, в отожженных сталях.

Между структурой и свойствами металлов и спла­вов существует прямая зависимость. Поэтому в практи­ке металловедения микроанализ является одним из основных методов, позволяющих изучить строение ме­таллов и сплавов, получить сведения об их свойствах.

1 – осветитель (лампа); 2 – коллектор; 3 – зеркало; 4, в, 8 – линза; 5 – апертурная диафрагма; 7 – призма; 9 – отражательная пластинка; 10 – объектив; 11 – объект; 12 – ахроматическая линза; 13 – окуляр; 14, 16 – зеркало; 15 – фотоокуляр; 17 – фотопластинка; 18 – полевая диафрагма; 19 – затвор; 20 – линза для работы в темном поле; 21 – кольцевое зеркало; 22 – параболическое зеркало; 23 – заслонка (включается при работе в тем­ном поле); 24 – поляризатор; 25 – анализатор.

Рисунок 3.7 – Оптическая схема микроскопа МИМ-7