Макроанализ при помощи макрошлифов.
Более часто макроанализ проводится не на изломах, а на макрошлифах. При этом исследуются химическая и структурная неоднородность металла, волокнистое строение деформированного металла, дендритное строение литого металла, качество сварного соединения, а также выявляются дефекты, нарушающие сплошность строения металла.
Рассмотрим различные методы макроанализа, применяемые при исследовании макрошлифов.
Необходимость определения общей химической неоднородности (ликвации) вызвана тем, что химический состав стали дает представление лишь о среднем количественном соотношении элементов, входящих в металл, но не вскрывает характер их распределения по сечению детали.
Распределение в стали углерода, фосфора и серы зависит как от количества этих элементов, так и от процессов кристаллизации и обработки давлением. Оно оказывает существенное влияние на строение металла, а следовательно, и на его свойства.
Сера вызывает красноломкость стали, т.е. охрупчивание при высоких температурах, а фосфор – хладноломкость, т.е. охрупчиваемость при низких температурах.
Для определения общей ликвации углерода, фосфора и серы одновременно применяют травление исследуемой поверхности в 10 – 15%-ном водном растворе двойной медно-аммиачной соли соляной кислоты (CuNH4Cl2).
При травлении стального макрошлифа железо переходит с поверхности в раствор, а на его место осаждается медь, которая предохраняет поверхность металла от дальнейшего воздействия хлористых солей реактива. В результате места, обогащенные углеродом, фосфором и серой, окажутся менее защищенными медью и будут сильно протравлены. После снятия слоя меди они будут выглядеть темнее участков с меньшим содержанием этих элементов.
Сера является наиболее вредной примесью в стали, её количество строго ограничивается ГОСТами.
Для выявления характера распределения серы по сечению детали применяют метод снятия отпечатка по Бауману.
В стали сера присутствует в виде сульфидов FeS и MnS, распределение которых по сечению макрошлифа можно установить по отпечатку, получающемуся на бромосеребряной фотобумаге, если её наложить на поверхность макрошлифа, предварительно смочив 10%-ным водным раствором серной кислоты. Тогда между сульфидами, серной кислотой и бромистым серебром, которое входит в состав фотоэмульсии, произойдут следующие химические реакции:
FeS+H2SO4=H2S +FeSO4;
MnS+ H2SO4= H2S+ MnSO4;
2AgBr+H2S=Ag2S+2HBr
При этом в местах с повышенным содержанием серы будет выделяться больше H2S, следовательно, и больше Ag2S. Наличие на фотобумаге тёмных включений Ag2S укажет форму и характер распределения сульфидов (серы) по сечению макрошлифа. При равномерной окраске можно говорить о равномерном распределении серы.
В случае повышенного содержания в стали фосфора и его ликвации возможно выпадение фосфида серебра, также темного цвета.
Ликвация химических элементов тесно связана как с волокнистым строением деформированных металлов, так и с дендритным строением литых сплавов.
Для выявления волокнистого строения металла применяют метод глубокого травления, которое обычно проводится в 50%-ных водных растворах концентрированных кислот – соляной для углеродистых сталей и азотной для легированных сталей – при температуре 60-70ºС в течение
15-40мин. Применяют и многие другие реактивы в зависимости от природы металла.
Дендритами называют кристаллы (зерна) литого металла, имеющие древовидную форму. Вредные примеси в виде неметаллических включений (сульфидов, фосфидов, оксидов) и некоторые легирующие элементы скапливаются чаще всего в междендритных пространствах. Продукцией металлургических предприятий, как правило, является металл, претерпевший горячую обработку давлением - ковку или прокатку. При деформировании дендриты, вначале дезориентированные, постепенно поворачиваются и вытягиваются вдоль направления деформации. Вытягиваются и неметаллические включения. В результате этого формируется типичная для прокатного металла полосчатая, волокнистая структура (рис. 4).
Рис. 4. Образование волокнистого строения в результате вытяжки
Так как выявленные волокна представляют собой вытянутые первичные кристаллы (дендриты) металла, направление которых зависит от течения металла при горячей обработке давлением, то, следовательно, глубоким травлением можно установить и способ изготовления изделий - обработка давлением, резание (рис. 5).
Волокнистое строение металла обусловливает резко выраженную анизотропию его свойств (различие их показателей вдоль и поперек волокна).
Пластичность, ударная вязкость и прочность образцов, вырезанных вдоль волокон, выше. Поэтому ответственные детали, особенно работающие при высоких динамических нагрузках (коленчатые валы, шестерни, шатуны, молотовые штампы, клапаны, крюки), изготовляют так, чтобы волокна в них не перерезались, а соответствовали конфигурации изделия. При обработке резанием детали из деформированной стали её волокна перерезаются, что резко снижает прочность детали.
Различные методы макроанализа используются и при исследовании качества сварных соединений. Визуальный осмотр сварных швов позволяет вскрыть отклонения в размерах и форме сварного шва, наличие наплывов, подрезов, газовых пор, непроваров, трещин (рис. 6).
болт кольца
а б а б
шестерни
а б
Рис. 5. Правильное (а) и неправильное (б) направление «волокна» в поковках
Дендритное строение сварного шва, трещины, непровары, поры более четко выявляются после травления исследуемых поверхностей сварного шва в 10-25%-ном водном растворе азотной кислоты.
Рис. 6. Некоторые дефекты сварного шва:
а – непровар, б - прожог, в – подрезы (трещины)
Непроварами называют отсутствие соединения между основным и наплавленным металлом. Причиной непровара может быть загрязнение поверхности свариваемых деталей или недостаточная температура разогрева основного металла.
Прожогобразуется при нарушении сварки сопровождается окислением основного и наплавленного металла. Как правило, по границам зёрен. При этом прочность сварного шва понижается.
Пористостьхарактеризуется наличием газовых пузырей в сварном шве.
Трещинаминазываются большими внутренними растягивающими напряжениями, которые возникают при охлаждении наплавленного металла.