693
.pdf
669
Т462
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (НИИЖТ)
Л.Б. ТИХОМИРОВА, Т.К. ТЮНЮКОВА
МАКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Методические указания к лабораторной работе
Новосибирск 2011
УДК 669.017 Т462
Тихомирова Л.Б., Тюнюкова Т.К. Макроструктурный анализ металлов и сплавов: Метод. указ. к лабораторной работе. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2011. – 19 с.
Приведены общие сведения о возможных макродефектах деталей машин. Даны рекомендации по освоению методов макроструктурного анализа ме-
таллических материалов.
Методические указания предназначены для студентов, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Конструкционные материалы», «Транспортное материаловедение», «Физика отказов».
Рассмотрены и рекомендованы к печати на заседании кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин».
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р канд. техн. наук, доц. кафедры «Технология транспортного
машиностроения и эксплуатация машин» К.А. Медведев
Р е ц е н з е н т проф. кафедры «Материаловедение в машиностроении»
Новосибирского государственного технического университета, д-р техн. наук В.А. Батаев
©Тихомирова Л.Б., Тюнюкова Т.К., 2011
©Сибирский государственный университет путей сообщения, 2011
Учебное издание
Тихомирова Людмила Борисовна Тюнюкова Татьяна Константиновна
Макроструктурный анализ металлов и сплавов
Методические указания к лабораторной работе
Редактор Л.В. Лебедева
Компьютерная верстка Н.Н. Садовщикова
Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98 Подписано в печать 18.07.2011
1,25 печ. л. 1,0 уч.-изд. л. Тираж 80 экз. Заказ № 2449
Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения
630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191 Тел./факс: (383) 328-03-81. E-mail: press@stu.ru
Цель работы: Знакомство с методикой проведения макроструктурного анализа, развитие практических навыков установления характера и причины разрушения конкретных деталей с помощью макроанализа.
1. МАКРОАНАЛИЗ ИЗЛОМОВ
При выполнении лабораторной работы следует использовать атласы и стенды с изломами разрушенных деталей и макрошлифами, представленными на фотографиях и плакатах лаборатории.
Исследование строения металлов и сплавов невооруженным глазом, а также при помощи лупы (увеличение до 30 раз) носит название макроскопического метода исследования (макроанализа). Строение металлов, изучаемое при помощи макроанализа, называется макроструктурой. Макроанализ позволяет наблюдать одновременно большую поверхность и получить представление об общем строении металла и о наличии в нем определенных пороков (трещин, раковин, шлаковых включений).
Макроскопический анализ не определяет тонкостей строения
ичасто является предварительным, но не окончательным видом исследования. Характеризуя многие особенности строения, макроанализ позволяет выбирать те участки, которые требуют дальнейшего микроскопического исследования.
При осмотре поверхности детали макроанализ позволяет судить о характере и качестве предшествующей обработки (литье, обработка давлением, сварка, резание).
Макростроение можно изучать по излому детали (заготовки)
ипосле предварительной подготовки исследуемой поверхности (с помощью макрошлифов).
При макроанализе изломов оценивают:
–вид и характер разрушения металлов по признакам, характеризующим качество металла;
–макронесплошности, имеющиеся в металле (шлаковые включения, поры, расслоения и др.).
3
Исследование изломов невооруженным глазом или при небольших увеличениях позволяет получить общую картину процесса разрушения – это так называемая макрофрактография.
Для фрактографического исследования изломов используются свежеобразованные поверхности разрушения без механических повреждений, следов окисления, грязи и т.п. В случае необходимости изломы очищают, промывая их в каком-либо растворителе. После промывки излом просушивают в струе теплого воздуха. При очистке излома следует очень осторожно применять реактивы, растворяющие металл, так как это может привести к искажению его рельефа. При изучении характера и причин эксплуатационных разрушений очистка производится только после тщательного осмотра излома в нетронутом виде. Наличие окислов, следов масла, краски и так далее может дать дополнительную информацию об условиях возникновения трещин и развитии процесса разрушения.
При макроскопическом анализе излом оценивается и классифицируется по следующим основным признакам: ориентация поверхностей разрушения; макрогеометрия; степень пластической деформации; шероховатость, цвет, блеск.
По ориентации изломы классифицируют на виды: прямой, косой и прямой со скосами – чашечный (рис. 1).
а) |
б) |
в) |
Рис. 1. Характерные виды макроизломов: а – прямой; б – чашечный; в – косой
Прямым называется излом, поверхность которого ориентирована нормально к оси образца или детали. Такая ориентация излома является характерным признаком хрупкого разрушения.
4
Формирование прямого излома со скосами, «чашечного», связано с образованием шейки в деформируемом образце, чаще всего при растяжении. Разрушение здесь вначале распространяется в плоскости, ориентированной нормально к оси образца. В результате изменения напряженно-деформированного состояния при приближении трещины к поверхности образца она меняет свое направление в сторону касательных напряжений с образованием боковых скосов. Наличие боковых скосов по краю излома (чашки) является признаком вязкого разрушения.
Косой излом, т.е. такой, поверхность которого наклонена под углом к оси образца или детали, образуется путем среза в плоскости максимальных касательных напряжений. Наблюдается он чаще всего при разрушении анизотропных материалов с ограниченной пластичностью и сопротивлением разрушению срезом, например, у магниевых и алюминиевых деформируемых сплавов и др.
По цвету изломы делятся на:
–светлый;
–серебристый;
–серый;
–светло-серый;
–темно-серый;
–черный.
Различие по цвету является одним из характерных признаков изломов, связанных со структурой, условиями испытания и, главным образом, легированностью стали.
Излом может быть матовый и блестящий.
По степени пластической деформации при разрушении изломы подразделяются на хрупкие, квазихрупкие и вязкие. Хрупкому излому соответствует относительное сужение площади поперечного сечения не более 1,5 %; квазихрупкому – до 15 %; вязкому – более 15 %. Такое деление является довольно условным и касается, главным образом, изломов кратковременного однократного нагружения.
По шероховатости (наличие неровностей) изломы делятся на кристаллические, волокнистые, камневидные, нафталинистые, волокнисто-полосчатые, фарфоровидные, бархатистые. Шероховатость излома связана с условиями нагружения при разрушении, характером распространения трещин, размером зерен материала, степенью их деформации и т.п.
5
Кристаллический излом (рис. 2, а) образуется в условиях разрушения с малой пластической деформацией, характеризуется наличием на поверхности разрушения блестящих плоских участков (фасеток). Наличие кристаллического излома является одним из характерных признаков хрупкого разрушения.
а) |
б) |
|
|
Рис. 2. Изломы:
а – кристаллический; б – волокнистый
Фарфоровидный излом имеет поверхность разрушения с почти неразличимым мелкокристаллическим строением. Поверхность гладкая, матовая.
Волокнистый излом (рис. 2, б) характеризуется наличием волокон, образующихся при пластической деформации зерен в процессе разрушения. Он имеет, как правило, матовую, шероховатую поверхность.
Волокнисто-полосчатый излом (рис. 3) представляет собой поверхность разрушения, имеющую слоистое строение. Слои располагаются в виде почти параллельных по ориентированию волокон различной длины, заканчивающихся поперечными уступами. Слоистость является признаком анизотропии механических свойств и связана со структурной неоднородностью материалов.
Рис. 3. Волокнисто-полосчатый излом
6
Камневидным называют полностью или частично межзеренный излом, характеризующийся грубозернистым, бугорчатым строением, без металлического блеска. Зерна ограничены криволинейной поверхностью с более или менее острыми ребрами и иногда имеют вид как бы
оплавленных. Камневидный из- Рис. 4. Камневидный излом лом свидетельствует о хрупком разрушении (рис. 4).
Нафталинистый излом отличается крупнозернистым строением и образованием на поверхности гладких блестящих фасеток неметаллического вида. Чаще всего нафталинистый излом образуется в инструментальных сталях при неправильной термической обработке. Образованию нафталинистого излома соответствует большая хрупкость.
По макрогеометрии изломы делятся на:
–однородные;
–неоднородные.
Однородный излом – излом, характеризующийся единой поверхностью разрушения (без геометрических зон, различающихся рельефом).
Неоднородный излом – излом, характеризующийся наличием зон, отличающихся макрорельефом.
Неоднородность в изломе может быть вызвана химической неоднородностью, а именно – присутствием столбчатых кристаллов (дендритов). Дендритный излом наблюдается обычно в отдельных зонах в поверхностных слоях (рис. 5). Причиной могут стать перегрев металла и низкая скорость кристаллизации.
Кроме того, неоднородность излома может быть связана с неоднородностью напряженного и деформированного состояния металла или изменением этого состояния.
Неоднородность макростроения изломов хорошо наблюдается на типичных изломах усталостного разрушения – разрушения от циклических нагрузок (рис. 6).
7
Рис. 5. Дендритный излом
1 2
|
3 |
|
а |
3 |
2 |
|
|
|
б |
1
Рис. 6. Усталостные изломы
Визломе различают очаг разрушения 1, зону развития усталостного разрушения 2 и зону долома 3. Очаг разрушения представляет собой относительно небольшое место зарождения разрушения. Очаги разрушения располагаются в основном на поверхности детали в местах концентрации напряжений или различного рода дефектов.
Взоне развития усталостной трещины различают приочаговую область (а) и область собственно усталостного разрушения с участком ускоренного развития трещины (б) перед окончанием разрушения (доломом). Приочаговая область характеризуется мелкозернистой структурой и малой шероховатостью, имеет блестящий вид. Зона усталостного разрушения отличается дисперсностью строения, гладкой матовой поверхностью с бархатистым оттенком.
Макроскопическим признаком усталостного излома являются усталостные линии, образование которых обусловлено остановкой фронта распространения трещины или снижением его скорости.
8
Участок ускоренного развития трещины (б), отражающий переход от зоны усталостного разрушения к зоне долома, образует более шероховатый микрорельеф излома, соответствующий возрастанию скорости распространения трещины.
Зона долома соответствует заключительной (быстрой) стадии разрушения, связанной с уменьшением сечения образца при росте трещины. В хрупких материалах излом в зоне долома имеет в основном кристаллическое строение, для вязких материалов характерно волокнистое строение долома.
В исследуемых изломах можно наблюдать и некоторые дефекты, например, газовые пузыри, рыхлость, раковины, трещины, плёны.
Газовые пузыри (или пористость) на поверхности излома выявляются в виде небольших темных кратеров, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.
Рыхлость выявляется в виде мелких темных пятен (точек). Газовые раковины имеют вид темных пятен (каналы), ча-
стично или полностью окруженных несплавленным металлом. Плены имеют вид тонких изогнутых пластинок, не сплавлен-
ных между собой и с основным металлом.
Исследование поверхности излома позволяет установить и характер термической обработки. Так можно определить толщину закаленного слоя в крупногабаритных деталях из углеродистых сталей и толщину цементированного (науглероженного) слоя, получающего в отличие от мягкой сердцевины высокие твердость и износоустойчивость после закалки.
Закаленный слой имеет матовый фарфоровидный излом, заметно отличающийся от вида сердцевины детали.
2. МАКРОАНАЛИЗ ПРИ ПОМОЩИ МАКРОШЛИФОВ
Подготовка образца заключается в шлифовании выбранной для исследования поверхности с последующим травлением специальными реактивами. Шлифованный и протравленный для макроанализа образец называется макрошлифом. Существует несколько способов макроанализа, различающихся по задачам, поставленным при исследовании конкретных деталей.
Макроанализ выявляет:
а) усадочную рыхлость, газовые пузыри, пустоты и трещины, образовавшиеся в литом металле;
9