Практическое занятие 2 Макроструктурный анализ металла

Практическое занятие №2

" Макроструктурный анализ металла"

Цель: изучить методики макроструктурного анализа и исследовать макроструктуры и макродефекты металла.

1. Общие сведения

Макроструктурным анализом (макроанализом) называют метод исследования строения и различных дефектов металла невооруженным глазом или лупой при небольших увеличениях (до 30…50 раз) на специально обработанных образцах-макрошлифах (темплетах), а также по изломам металла.

Вся предшествующая обработка (выплавка, разливка, горячая пластическая деформация, термическая обработка, сварка), которой подвергается металл, определяет макроструктуру и характер излома. По характеру макроструктуры или излома можно судить о качестве детали, макродефектах (структурная неоднородность, усадочные раковины, пузыри, шлаковые включения), о способе получения заготовок (литье или прокат), о неоднородности распределения вредных примесей в металле. Метод макроанализа имеет большое значение в производстве; его широко применяют для контроля качества слитков, проката, штамповок, деталей, подвергнутых термической и химико-термической обработке, для определения глубины закаленного слоя, контроля качества сварных швов, заклепочных соединений.

Макроструктура металла выявляется химическим травлением поверхности макрошлифа реактивами. Выбор реактива зависит от цели исследования и материала.

Контроль макроструктуры и изломов стали, регламентация макроструктуры и допустимых макродефектов углеродистой и легированной, конструкционных и инструментальных сталей предусмотрены в ГОСТ 10243-75 «Сталь. Методы испытаний и оценки макроструктуры».

Влияние макроструктуры или характера излома на свойства металла так значительно, что во всех соответствующих ГОСТ (стандартах на марки, химический состав, механические свойства сталей и других сплавов) указаны методы контроля макроструктуры.

2. Макростроение литого металла

В производственных условиях при получении слитка расплавленная сталь отливается в земляные, песчано-глинистые и металлические формы. Металл в форме обычно затвердевает не сразу во всем объеме, а по отдельным зонам.

Кристаллизация жидкого металла начинается у холодных стенок формы (рис. 1.1). Здесь металл в первую очередь переохлаждается ниже равновесной температуры кристаллизации и образуется большое количество мелких кристаллов (мелкозернистая корка –1). Ориентация кристаллов в этой зоне разнообразна, так как на их направление существенное влияние оказывают мельчайшие неровности, имеющиеся на внутренних стенках формы.

Рис. 1. Строение стального слитка

1 – зона мелких кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов

(дендритов); 3 – зона крупных равноосных кристаллов

Образование первой кристаллизационной зоны способствует прогреву стенок формы, что уменьшает скорость отвода тепла от внутренних слоев металла. Степень переохлаждения в этот момент существенно уменьшается, и из ограниченного числа центров кристаллизации развиваются крупные кристаллы. Известно, что наиболее благоприятные условия для роста кристаллов создаются в направлении отвода тепла. Так как в этот момент времени тепло отводится преимущественно в направлении, перпендикулярном стенкам изложницы, то образующиеся кристаллы будут вытянуты. Таким образом, в слитке образуется вторая зона – столбчатых дендритных^* кристаллов 2.

Строение дендрита показано на рис..2. Согласно рисунку, дендрит состоит из «ствола» (ось первого порядка), от которого идут «ветви» (оси второго и последующего порядков)

Дендритная макроструктура является характерным признаком литого состояния металла.

По мере роста столбчатых кристаллов с увеличением толщины затвердевшего слоя скорость охлаждения жидкого металла внутренней зоны становится практически одинаковой во всех направлениях, направленный рост кристаллов прекращается и растут равноосные кристаллы 3.

В зависимости от размеров слитка, различной скорости охлаждения, степени перегрева и химического состава отдельные зоны могут отсутствовать. В некоторых условиях зона столбчатых кристаллов (дендритов) может занять все сечение (включая и центр) слитка.

Таким образом, в отливке образуются три структурные зоны:
1– мелкозернистых, 2 – столбчатых и 3 – равноосных кристаллов.

При кристаллизации слитков, вследствие уменьшения объема при переходе металла из жидкого состояния в твердое, в верхней части (она затвердевает последней) образуется усадочная раковина.

Неоднородность кристаллического строения в различных зонах отливок представляет собойдендритную неоднородность, а несплошности металла (усадочные раковины, поры, газовые пузыри, шлаковые включения) – физическую неоднородность литого металла.

Кроме этого, процесс кристаллизации сопровождается возникновением химической неоднородности – ликвации.

Причинами возникновения ликвации являются: последовательный характер кристаллизации (от стенки к центру) отливки, а также разная температура кристаллизации различных компонентов сплава. При кристаллизации в наружных зонах и в осях дендритов всегда кристаллизуется наиболее чистый – тугоплавкий компонент сплава (например, железо в стали), а легкоплавкие (сера, фосфор и их соединения с железом), затвердевающие в последнюю очередь, обогащают межосные пространства дендритов (дендритная ликвация), и центральную часть слитка (зональная ликвация). Ликвация – нежелательное явление. Так, существенная зональная ликвация серы может привести к появлению «горячих» трещин, образующихся при нагреве заготовки («горячеломкость»).

Так как примеси серы имеют низкую температуру плавления и располагаются по границам зерен, то при нагреве они расплавляются, что и приводит к появлению трещин.

Дендритная, физическая и химическая неоднородности существенно снижают механические свойства литого металла.

Рис. 3 Макроструктура клапана ДВС:

а) полученного горячей высадкой; б) полученного точением из проката

Основные дефекты горячедеформированного металла: грубое волокнистое строение, расслоения, надрывы, трещины, волосовины.

3. Методы исследования при макроструктурном анализе

Приготовление макрошлифа. Образец, предварительно обработанный на токарном или фрезерном станке, подвергается шлифованию. Начинают шлифование бумагой с грубым абразивом № 60 и затем переходят постепенно на бумагу с более тонким абразивом, заканчивают шлифование на бумаге номер № 120…140. При переходе с одного номера бумаги на другой направление шлифования меняют на 90  и шлифуют до полного исчезновения рисок от предыдущего шлифования. После шлифовки образец обезжиривается – протирается ваткой, смоченной спиртом..

Исследование волокнистого строения (поверхностное травление).Приготовленный макрошлиф погружается на 2…3 мин. в реактив Гейна, состоящий из 85 гCuCl₂ и 53 гNH₄Cl растворенных в 1 л воды. При этом происходит обменная реакция между ионами Fe, находящимися на поверхности, и ионамиCu в растворе. В результате шлиф покрывается налетом меди. В участках шлифа, где имеются примеси, медь оседает менее интенсивно, и эти места протравливаются хлористо-аммонийной солью. После промывки шлифа под потоком воды (удаления слоя меди) на поверхности видны темные и светлые участки, соответствующие распределению волокон в металле. По характеру расположения волокон можно судить о способе изготовления детали (ковка, штамповка или обработка резанием).

Поломка образцов производится с максимальной скоростью и большой сосредоточенной нагрузкой для исключения смятия поверхности излома и образования ложных расщеплений.

В изломах обнаруживают следующие основные дефекты:

Грубые раскатанные поры и газовые пузыри – отдельные нитевидные полосы с искаженной кристаллической структурой.

Грубая пятнистая ликвация – широкие полосы с иной кристаллической структурой, чаще темные, произвольно расположенные по сечению заготовки.

Остатки усадочной раковины – в осевой зоне в виде темной или светло-серой со шлаком полосы, с искаженной структурой или с заглаженной, притертой, окисленной поверхностью.

Подусадочная рыхлота – одна или несколько темных полос с грубослоистой структурой, часто сопровождается порами и шлаковыми включениями.

Расслоение – широкие полосы с заглаженной, кристаллической, светлой структурой в осевой, реже в краевой зоне заготовки.

Нафталиновый и камневидный излом – результат сильного перегрева перед деформацией или при термической обработке. Нафталиновым называется излом с характерным блеском в сечении крупных зерен, по-различному отражающих свет. Камневидный – матовый излом по границам крупных или мелких зерен, вскрывающих их огранку.

Флокены – тонкие извилистые трещины длиной от 1 до 30 мм и более. Ориентированные беспорядочно, поражают часть или все сечение заготовки. В изломе флокены выявляются в виде светлых пятен круглой или овальной формы с кристаллической поверхностью серебристого или светлого оттенка.

Черновины (трещины, надрывы) – дефекты пережога при нагреве и разрушения при деформации внутренней зоны заготовки. Представляют собой рыхлую, сильно травящуюся внутреннею зону или отдельные темные пятна, часто сопровождающиеся одной или двумя трещинами.

4.. Самостоятельная работа

1. Раскисление стали. Её цель и способы раскисления.

2. Основные отличия в строении слитка кипящей и спокойной стали.

5. Контрольные вопросы

1. Основные задачи макроанализа, его значение.

2. Что такое ликвация, причины ее появления и влияние на свойства металла?

3. Назвать виды неоднородностей в отливках, объяснить причины их возникновения.

4. Как по макроструктуре на шлифе отличить металл литой и горячедеформированный?

5. Каковы свойства металла вдоль и поперек волокон? Какой способ изготовления изделий приводит к лучшему качеству и свойствам детали (литье, ковка, обработка резанием)? Объясните почему.

6. Какие методы выявления макроструктуры, ликвации, волокнистого строения вам известны? Охарактеризуйте коротко эти методы.

7. Какие факторы определяют характер кристаллической структуры отливки (слитка)?

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/586588-prakticheskoe-zanjatie-2-makrostrukturnyj-ana