Макро і мікроскопічне дослідження сплавів
МЕТА РОБОТИ: Ознайомитися з методами дослідження металевих сплавів, подготовкою зразків для металографічного дослідження. Набути навички роботи з металографічним мікроскопом.
ПРИЛАДИ Й МАТЕРІАЛИ: Колекції шліфів, зламів, мікроскоп, лупа, наочні приладдя і довідкові матеріали.
Основні положення
Макроскопічний аналіз
При макроскопічному аналізі будову металевого сплаву досліджують неозброєним оком або за допомогою лупи. Звичайно він є попереднім видом дослідження.
Макроаналіз – це аналіз макроструктури матеріалів, досліджуваної неозброєним оком або за допомогою лупи (збільшення до 30 раз). Зрозуміло, що такий метод дослідження дає обмежену інформацію про структуру матеріалу, однак, у силу його доступності й можливості одночасного вивчення великої площі виробу, він широко застосовується в заводській практиці для контролю якості литих, кованих, зварних і термічно оброблених заготовок і виробів.
Розрізняють три способи вивчення макроструктури:
1 огляд контрольованої поверхні готового виробу (заготовки), це - неруйнівний метод контролю;
2 вивчення зламів контрольних зразків або зруйнованих деталей;
3 аналіз структури спеціально приготовлених зразків - макрошліфів.
За допомогою першого виду макроаналізу виявляються дефекти, розташовані на поверхні виробів: це тріщини різної природи (ливарні, деформаційні, гартівні й ін.), нецільності (усадочні порожнечі, газові раковини в литому металі), неметалічні включення (включенні, фрагменти ливарної форми).
Часто навіть такий простий спосіб контролю дозволяє зробити висновок про можливість подальшого використання виробу.
Макробудову сплаву вивчають на зразках або деталях, у зламі або на попередньо підготовленій поверхні, що полягає в шліфуванні й травленні. Такий зразок називають макрошліфом. Якщо макрошліф виготовлений у поперечному перерізі деталі, то його називають темплетом. Макроаналіз широко застосовують в промисловості, тому що він дає можливість виявляти раковини, шлакові включення, тріщини й інші дефекти будови сплаву, хімічну й структурну неоднорідність.
Безпосередньо по виду зламу можна провести макроскопічний аналіз і встановити багато особливостей будови матеріалів, а в ряді випадків і причини їх руйнування. Злам може бути крихким і в'язким.
За формою розрізняють злам рівний або блискучий з виступами, або чашковий. Перший вид зламу характерний для крихкого стану, коли руйнування в умовах розтягання або ударного вигину відбулося без видимої пластичної деформації, а другий – для в'язкого зламу. Крихкий злам має кристалічну будова, руйнування відбувається практично без попередньої пластичної деформації, у ньому можна розрізнити форму й розмір зерен металу. Крихкий злам може проходити по границях зерен (між-кристаллічний) і по зернах металу (транс-кристаллічний).
При грубозернистій будові сплаву крихкий між-кристаллічний злам називають каменевидним.
Характерні ознаки в'язкого й крихкого зламів
Вязкий злам характеризується матово сірим відтінком, звичайно має нерівну форму (виступи, впадини), Усі ці ознаки виникають в наслідок значної пластичної деформації, що передувала руйнуванню металу. У крихкому металі при руйнуванні відсутня помітна пластична деформація, руйнування відбувається по границях зерен або площинам легкого відколу всередині зерен. При цьому поверхні руйнування залишаються практично не ушкодженими й добре відбивають падаюче світло. Тому крихкий злам має зернистий рельєф, що полягає з безлічі блискучих граней (фасеток). Форма зламу відносно рівна, без слідів макроскопічної деформації. На практиці часто спостерігаються змішані злами різного виду. Крихке руйнування найнебезпечніше, тому що виникає раптово (без попередньої пластичної деформації, що сигналізує про початок небажаного процесу) і поширюється з великою швидкістю. Тому причини появи крихкого зламу повинні бути ретельно проаналізовані. При цьому треба мати на увазі, що крім низької пластичності матеріалу, обраного для даного використання, крихкому руйнуванню сприяють також низькі температури експлуатації, динамічні (ударні) навантаження й конструктивні погрішності, наявність у навантажених місцях виробу виточень, жолобків, отворів, що відіграють роль концентраторів напруг. Можливою причиною крихкого руйнування може бути також порушення режиму термічної обробки або його неправильний вибір. Так, при завищеній температурі нагрівання сталі під загартування ("перегріві") значно збільшується зерно, падає ударна в'язкість. У цьому випадку крихкий грубозернистий злам має характерне "нафталіністу" або "каменевидну" структуру.
Вязкий злам має волокнисту будову, форма й розмір зерен сильно перекручені. Йому передує, як правило, значна пластична деформація.
Дослідження зламів (фрактографія) - один з розповсюджених способів аналізу металів. На зламі можна спостерігати тріщини, газові й усадочні раковини, шлакові включення, глибину поверхневої термічної обробки: незагартована зона зовні відрізняється від загартованої. По будові зламу можна зробити висновок про причини поломки деталі, про якість термічної обробки, про крихкий або в'язкий стані металу.
Під дією знакозмінних навантажень можливо виникнення втомного зламу (Рис. 1).
Рис.1. Схематична будова втомного зламу
Він складається з таких зон: вогнища руйнування 1 (місця утворення мікротріщин) і двох зон – втоми 2 і долома 3. Вогнище руйнування примикає до поверхні й має невеликі розміри. Зону втоми формує послідовний розвиток тріщини втоми. У цій зоні видні характерні борозенки, які мають конфігурацію кілець, що свідчить про стрімке розповсюдженні тріщини втоми. Останню стадію руйнування характеризує зона долома.
Макроструктурний аналіз проводиться на макрошліфах. Макрошліфи піддають: глибокому травленню в концентрованих гарячих кислотах для виявлення волокнистої будови сплаву, що важливо для визначення анізотропії властивостей, різних внутрішніх дефектів металу; поверхневому травленню для визначення хімічної неоднорідності сплаву (ліквації).
Найчастіше визначають загальну хімічну неоднорідність сплаву по перерізу деталі.
Конкретно для сталей розподіл C, P, S залежить від кількості цих елементів, процесу кристалізації й обробки тиском. Для визначення загальної ліквації свіжоприготованих макрошліф занурюють на 2 хв. в 10 % розчин подвійної мідно-аміачної солі соляної кислоти (CuNh4Cl2).
При травленні мідь заміщує залізо й осідає на ділянках поверхні, збіднених S, P, C, захищає їх від подальшого роз'ятрення. Місця, збагачені домішками, виявляються сильно протравленими. Потім макрошліф промивають під струменем проточної води й обережно знімають мідь із поверхні ватним тампоном. Отриману картину замальовують або фотографують.
Мікроструктурний аналіз
Мікроструктурний аналіз проводиться з метою дослідження структури металів і сплавів під мікроскопом на спеціально підготовлених зразках. Методами мікроаналізу визначають форму й розміри кристалічних зерен, виявляють зміни внутрішнього будови сплаву під впливом термічної обробки або механічного впливу на сплав, мікротріщини й багато чого іншого.
Мікроструктурний аналіз проводиться на мікрошліфах. При виготовленні мікрошліфів необхідно враховувати що:
- шліф повинен мати мінімальний деформований шар;
- на поверхні шліфа не повинно бути подряпин і ямок;
- шліф повинен бути плоским (без "завалів"), щоб його можна було розглядати при більших збільшеннях.
Шліф, тобто зразок із плоскою відполірованою поверхнею, механічним методом готують таким чином: спочатку роблять обробку зразка по площині (торцювання) за допомогою токарного станка. По краях слід зняти фаску, щоб при наступних операціях не порвати полірувальне сукно. Потім роблять шліфування на спеціальному абразивному папері з різною величиною зерна абразиву, покладеної на скло. При перехід до наступного номера паперу зразок розвертають на 90° і шліфують доти , поки не зникнуть ризики від попередньої обробки. Після шліфування на останньому папері шліф промивають у воді, щоб часточки абразиву не потрапили на полірувальне скло. Після шліфування роблять полірування. Шліф злегка притискають до обертового кола, на яке натягнуте сукно. Полірувальне коло увесь час змочується суспензією – суспензією тонкого абразиву у воді. Абразивами для полірування служать окис алюмінію (білого кольору), окис хрому (зеленого кольору) або інші окисли. Для полірування твердих матеріалів застосовують пасту з алмазним порошком або алмазні кола. Полірування роблять до одержання дзеркальної поверхні. Після полірування шліф промивають у воді або спирті, сушать поліровану поверхню фільтрувальним папером. Його слід прикладати до дзеркала шліфа, а не водити по йому.
Після полірування мікроструктура, як правило, не буває видна. Виключенням є сплави, структурні складові яких сильно різняться по складу й твердості, у результаті чого одні ділянки шліфа споліровуються більше, інші менше, і на поверхні утворюється рельєф.
Для виявлення мікроструктури шліф піддають травленню – короткочасній дії реактиву. Травник і час травлення підбирають дослідним шляхом.
Механізм виявлення структури сплаву досить складний. Ті ділянки шліфа, які сильно розтравлені, видадуться під мікроскопом більш темними тому що, чим сильніше розтравлена поверхня, тим більше вона розсіює світло й менше світла відбивається в об'єктив.
У зразку з однофазною структурою границі між зернами розтравлюються сильніше, чим тіло зерна, і під мікроскопом видні канавки у вигляді темної сітки (Рис. 2.)
Рис. 2. Виявлення мікроструктури сплаву
Різні зерна однієї фази попадають у перетин шліфа різними кристалографічними площинами, які травляться по-різному. Тому зерна однієї фази можуть мати різні відтінки.
У багатофазному сплаві різні фази й структурні складові травляться по-різному. Суміш фаз зазнає не тільки вплив хімічної дії реактивів, але й електрохімічне травлення, тому що суміш фаз є сукупністю мікрогальванічних елементів. Розчині часточки є мікроанодами, а по відношенню до інших часток - мікрокатодам.
У результаті такої складної дії травника виявляється мікробудова зразка. Після травлення шліф промивають водою, сушать фільтрувальним папером і ставлять на столик мікроскопа.