Материаловедение и термическая обработка сталей. Методы исследования структуры металлов и сплавов
Принято различать структуру металлов и сплавов на: макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру. В зависимости от структуры металлов и сплавов, выделяют три метода их исследования:
- Макроскопический анализ
- Микроскопический анализ
- Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия
Макроскопический анализ.
Макроструктура – это строение металлов и сплавов, что видно невооружённым глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы (макс. до 30 раз). Макроструктура изучается путём макроанализа.
Металлы – это непрозрачные вещества и их строение изучают в изломе или специально приготовленных образцах (макрошлифах). Образец вырезают из определённого места, в определённой плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию (литьё, поковку, штамповку, прокат, сварную или термически обработанную деталь) и что необходимо выявить и изучить (первичную кристаллизацию, неоднородность структуры, дефекты, нарушающие сплошность металла). Поэтому, образцы вырезают из одного или нескольких мест слитка (или заготовки, или детали) как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поверхность образца (темплета) выравнивают на наждачном круге, а затем шлифуют. После шлифования темплет травят в специальных реактивах, которые по-разному растворяют структурные составляющие и растравливают дефекты.
- вид излома (хрупкий, вязкий);
- величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла;
- дефекты в слитках и отливках (усадочные раковины, газовые пузыри, трещины);
- дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины);
- химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой;
- расположение волокон в кованных и штампованных заготовках;
- трещины, возникающие при обработке давлением или термической обработке, дефекты в сварных швах.
Микроскопический анализ
Более тонким методом исследования структуры и пороков металлов является микроанализ, т. е. изучение структуры металлов при больших увеличениях с помощью металлографического микроскопа.
Микроскопический анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов, где увеличение в пределах 50…2000 раз позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.
Металлографический микроскоп рассматривает металл в отражённом свете (главное отличие от биологического микроскопа, где предмет рассматривается в проходящем свете). Значительно большее увеличение можно получить при помощи электронного микроскопа, в котором лучи света заменены потоком электронов (при этом достигается увеличение до 100 000 раз).
Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования.
При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающий рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, что искажает картину.
При прямом методе изучают тонкие металлические фольги толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.
Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов.
Для изучения микроструктуры также приготавливаются шлифы (микрошлифы). Здесь, после шлифования дополнительно производится полирование до зеркального блеска, затем производят травление шлифа.
Микроанализ позволяет выявить:
- величину, форму и расположение зёрен;
- отдельные структурные составляющие сплава, на основании которых можно определить химический состав отожженных углеродистых сталей;
- качество тепловой обработки (например, глубину проникновения закалки);
- различные дефекты (пережог, обезуглероживание, наличие неметаллических включений).
Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия
Рентгеновские лучи имеют ту же природу, что и световые лучи, и представляют собой электромагнитные колебания, с длиной их волн от 2 х10 -7 до 10 -9 см (длина световых лучей от 7,5 х10 -5 до 4 х10 -5 см).
Рентгеновские лучи получаются в рентгеновских трубках в результате торможения электронов при их столкновении с поверхностью какого-либо металла. При этом кинетическая энергия электронов превращается в энергию рентгеновских лучей.
Рентгеноструктурный анализ основан на способности атомов отражать рентгеновские лучи в кристаллической решётке. Отражённые лучи оставляют на фотопластинке (рентгенограмме) группу пятен или колец. По характеру их расположения определяют тип кристаллической решётки, а также расстояние между атомами (положительными ионами) в решётке.
Рентгеновское просвечивание основано на способности рентгеновских лучей проникать в глубину тела. Благодаря чему можно, не разрезая металлических изделий, увидеть на рентгеновском снимке различные внутренние дефекты металла (усадочные раковины, трещины, пороки сварки).
Методы регистрации пороков в материале основаны на том, что рентгеновские лучи частично поглощаются, проходя через металл. При этом, менее плотные части металлического изделия (участки с пороками) поглощают лучи слабее, чем плотные (сплошной металл). Это приводит к тому, что на рентгеновском снимке участки с пороками будут иметь тёмные или светлые пятна на фоне сплошного металла.
Современные рентгеновские аппараты позволяют просвечивать стальные изделия на глубину до 60 – 100 мм.
Для выявления дефектов в металлических изделиях большой толщины применяют гамма-лучи. Природа гамма-лучей аналогична рентгеновским лучам, но длина их волн меньше. Благодаря большой проникающей способности гамма-лучей ими можно просвечивать стальные детали толщиной до 300 мм.
Источник
МАКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ
Структура материала – форма, размер и характер взаимного расположения его составных частей.
Макроструктура – структура материала, выявленная методом макроструктурного анализа (макроанализа). Макроанализ – способ изучения
структуры материала невооруженным глазом или при увеличении до 30 раз с помощью лупы.
Макроанализ позволяет одновременно наблюдать значительную часть исследуемой поверхности материала, но не обеспечивает выявления всех особенностей строения, поэтому часто является предварительным видом анализа, после которого выбранный участок исследуется методами микроанализа, рентгенографии, электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и др.
Основными способами изучения макроструктуры являются изучение макрошлифов и изломов.
При изучении макрошлифов решаются следующие задачи:
— выявление дефектов, нарушающих сплошность металла (трещины, раковины, газовые пузыри и т.д.);
— выявление структуры литых и деформированных металлов, сварных швов;
— выявление химической неоднородности металлов и сплавов (ликвации);
— выявление неоднородности состава и структуры, созданных термической или химико-термической обработкой.
При изучении изломов решаются следующие задачи:
— определение характера разрушения (вязкое, хрупкое);
— выявление дефектов, нарушающих сплошность металла и выходящих на поверхность излома;
— выявление структуры и причин брака металлов после термической и химико-термической обработки;
— определение типа материала.
Макрошлифы изготавливают либо непосредственно на готовой детали, либо на специально подготовленных образцах. Макрошлиф поперечного сечения детали называется «темплетом». Методика изготовления макрошлифа заключается в вырезке образца в необходимом месте и направлении, холодной механической обработке (торцевание, строгание, шлифование) и травлении реактивом для выявления макроструктуры. При исследовании макрошлифов применяются следующие способы выявления макроструктуры:
Сущность метода глубокого травления заключается в обработке поверхности макрошлифа растворами неорганических кислот, в результате чего участки, неоднородные по составу, обладающие более развитой и активизированной поверхностью, протравливаются различно. Образуется макрорельеф с участками поверхности большей и меньшей высоты, которые при большой глубине резкости невооруженного глаза или малых увеличениях могут быть идентифицированы. Составы наиболее распространенных реактивов для глубокого травления стали представлены в таблице.
Рекомендуемые реактивы и режимы
для глубокого травления стали
При анализе макрошлифа слитка спокойной стали наблюдается структура, представленная на рис. 1
Рис. 1. Макроструктура слитка стали
1 – усадочная раковина; 2 – наружная мелкозернистая зона (корка);
3 – зона столбчатых кристаллов; 4 – зона равноосных кристаллов
Процесс кристаллизации жидкого металла в слиток начинается на границе с формой, где возникают большие переохлаждения и, соответственно, большое число центров кристаллизации, направленный теплоотвод не успевает сформироваться и образуется зона мелкозернистых равноосных кристаллов. После образования корки степень переохлаждения уменьшается, уменьшается число центров кристаллизации и в условиях направленного теплоотвода вырастают столбчатые кристаллы 3. В центре слитка отсутствует направленный теплоотвод и при ограниченном числе центров кристаллизации образуется зона равноосных кристаллов 4. В верхней части слитка, которая кристаллизуется позже всего, образуется усадочная раковина 1 за счет разности объемов жидкого (аморфная структура) и твердого (кристаллическая структура) состояний металлов. Вблизи усадочной раковины и по оси слитка также образуется усадочная пористость. При розливе кипящей стали по всему объему слитка распределяются газовые пузыри, содержащие газы, растворимые в жидком состоянии металла и нерастворимые в твердом.
Для деформированного металла характерно волокнистое строение,
представленное на рис. 2.
Рис. 2. Макроструктура деформированного металла:
а – деталь получена из проката резанием; б – деталь получена штамповкой
При обработке металлов давлением их зерна вытягиваются вдоль направления деформации (течение металла), превращаясь в волокна. Одновременно с зернами деформируются участки, содержащие неметаллические включения (сульфиды, оксиды), которые образуют полосчатую структуру, определяемую методом макроанализа. Некоторые механические свойства деформированного металла выше в направлении волокон, поэтому для ряда деталей, работающих с повышенными динамическими нагрузками (коленчатые валы, клапаны двигателей, зубчатые колеса и др.), предпочтительно расположение волокон повторяющих контур детали или ориентированных в направлении наибольших напряжений. Такое расположение волокон может быть получено правильным выбором схемы обработки давлением.
При сварке металл шва имеет литую структуру, поэтому макроанализом выявляются дефекты аналогичные ряду дефектов слитка (рыхлость шва, раковины, газовые пузыри, трещины и т.д.).
При кристаллизации металла или сплава с близкими по плотности компонентами наблюдается явление ликвации на двух уровнях: зональная ликвация в объеме всего слитка и дендритная ликвация в объеме одного зерна (дендрита). Зональная и дендритная ликвации в целом имеют одинаковую природу, которая заключается в оттеснении фронтом кристаллизации примесей в центр слитка или на периферию дендрита. На макрошлифах области, обогащенные примесями выглядят более темными. Если компоненты сплава значительно отличаются по плотности, то наблюдается ликвация по плотности: верхняя часть слитка будет обогащена компонентом с меньшей плотностью, нижняя – с большей.
При термической обработке обезуглероженные поверхностные слои
выглядят более светлыми, а науглероженные слои при цементации – более
Поверхностное травление имеет более ограниченный характер в макроанализе и используется для общего исследования структуры и выявления дефектов непосредственно выходящих на поверхность, а также выявления характера ликвации в металлах. Для общего исследования структуры сталей широко применяется реактив состава: 10-20 г персульфата аммония [(NH4)2S2O8] на 100 мл воды, температура реактива 50-60 °С, время выдержки 5-40 мин. Данный реактив позволяет наблюдать рекристаллизационные явления, неоднородность зёрен по размерам, строение сварных швов.
Одной из наиболее вредных примесей в стали является фосфор, который, обладая большой склонностью к ликвации, располагается в срединных слоях слитка (зональная ликвация) или по границам зерен (дендритная ликвация), что уменьшает вязкость стали, повышает ее хрупкость и температурный порог хладноломкости. Ликвацию фосфора выявляют травителем состава: 85 г хлорной меди (CuCl2), 53 г хлористого аммония (NH4Cl) на 1000 мл воды, выдержка 30-60 с при комнатной температуре. Слой меди с поверхности удаляется струей воды и более тёмные участки макрошлифа являются зонами с повышенным содержанием фосфора.
Преимущество метода поверхностного травления по сравнению с глубоким травлением заключается в возможности лучшего выявления отдельных деталей структуры, а также меньшей агрессивности реактивов и простоты обращения с ними.
Метод отпечатков применяется для определения ликвации примесей в металлах и сплавах. В сталях наряду с фосфором наиболее вредной примесью является сера. Сера также обладает большой склонностью к ликвации, нерастворима в железе и образует с ним химическое соединение – сульфид железа (FeS), который входит в состав легкоплавкой эвтектики Fe-FeS, располагающейся отдельными включениями по границам зёрен. При нагреве до температуры горячей деформации (800-1200 °С) включения эвтектики (температура плавления 988 °С) придают стали хрупкость, либо оплавляются и образуют в материале надрывы и трещины (явление красноломкости стали). Для определения ликвации серы наибольшее распространение получил метод Баумана. В данном методе засвеченную фотобумагу выдерживают в 5 % водном растворе серной кислоты в течение 25-30 мин, просушивают и плотно прикладывают к макрошлифу на 25-30 минут. Снятая с макрошлифа фотобумага промывается, фиксируется в растворе гипосульфита 20-30 мин, промывается и высушивается. Более тёмные участки фотоотпечатка макрошлифа соответствуют ликвации серы в металле.
По излому изучают макроструктуру стали с содержанием углерода более 0,3 %. Для хрупкого разрушения стали характерен кристаллический светлый излом, для вязкого – волокнистый излом пепельного оттенка. По излому могут быть определены элементы литой структуры, дефекты, нарушающие сплошность материала: поры, газовые пузыри, остатки усадочной раковины, флокены, трещины и т.д. При термической и химико-термической обработке по излому обнаруживается обезуглероженный слой белого цвета с крупнокристаллической структурой, а науглероженный слой имеет матовую мелкокристаллическую структуру. Для стали, нагретой под последующую обработку до температуры на 150. 200 °С выше линий Ас3 или Асm, характерен крупнокристаллический белый излом (перегрев стали) – брак, исправимый повторным нагревом до рекомендуемой, более низкой температуры. Для стали, нагретой на 30…100 °С ниже температуры солидуса, характерен грубокристаллический излом синего цвета (пережог стали), брак неисправимый из-за значительной потери углерода, окисления, а иногда и оплавления границ зерен. По излому может быть определен вид чугуна: белый чугун имеет излом белого цвета с характерным блеском; серые, высокопрочные и ковкие чугуны имеют мелкокристаллический излом серого цвета.
Источник
