Методика изучения процессов кристаллизации

Непосредственное наблюдение за процессами затвердевания при сварке сопряжено со значительными методическими трудностями, связанными с оптической непрозрачностью расплавленных металлов, высокой температурой и интенсивным излучением сварочных источников энергии, а также малыми размерами кристаллитов. Поэтому для моделирования закономерностей кристаллизации металлов при сварке применяется исследование под микроскопом аналогичных процессов затвердевания оптически прозрачных материалов. Для этой цели наиболее приемлемы соли или солевые системы, кристаллизующиеся по металлическому типу и отличающиеся прозрачностью, сравнительно малой температурой плавления и неокисляемостью.

Установка для наблюдения за процессами кристаллизации собрана на базе биологического микроскопа 1(рис.10.4). На предметном столике 2 смонтирована вращающаяся планшайба 3 с закрепленным на ней стеклянным диском 4. Вращение планшайбы с регулируемой скоростью осуществляется через резиновый пассик 5 от привода постоянного тока 6. На поверхность стеклянного диска наносится смесь нитратов калия и натрия, моделирующая свариваемый металл.

Для образования модели сварочной ванны сплав солей расплавляется путем погружения наконечника низковольтного нагревательного элемента. Количество и характер распределения теплоты, вводимой в ванну, регулируется температурой нагрева, формой и размерами наконечника элемента, а также скоростью вращения планшайбы. Основной металл моделируется стеклянным диском и нерасплавленной солью.

 

 

 

Рис. 10.4. Схема экспериментальной установки

Установка работает по схеме «неподвижный источник теплоты – подвижная ванна». Исследуемая зона ванны совмещается с оптической осью микроскопа и сохраняет свое положение в поле зрения, что обеспечивает непрерывность наблюдения за процессом. Получение четкой картины процесса кристаллизации обеспечивается за счет просвечивания ванны проходящим светом от источника 7 и наводки на резкость подъемным механизмом микроскопа. Процесс кристаллизации может быть зафиксирован фото-, кино- или видеосъемкой.

 

Порядок выполнения работы

1. Установить и зафиксировать стеклянную пластину на планшайбу.

2. Нанести на поверхность пластины ровным слоем 1,0¸1,5 мм смесь 50% KNO₃ + 50% Na NO₃.

3. Включить источник питания нагревателя и поместить нагретый наконечник в смесь солей.

4. После образования ванны расплавленной смеси включить привод вращения планшайбы. Изменяя скорость вращения, подобрать условия кристаллизации, обеспечивающие ячеистый и дендритный рост кристаллитов. Зарисовать полученные схемы кристаллизации.

5. Подобрать параметры режима плавления, обеспечивающие дендритный механизм получения столбчатых кристаллитов. Не изменяя скорости вращения, увеличить температуру нагревателя. Сравнить полученные результаты.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема и описание установки.

3. Методика проведения работы.

4. Схемы типов роста кристаллитов.

5.Выводы.

 

10.7. Контрольные вопросы

 

1. Дайте определение первичной кристаллизации.

2. Укажите условие образования зародышей при кристаллизации.

3. Как влияют градиент температуры, скорость кристаллизации и концентрация легирующих элементов на механизм роста первичных кристаллитов?

4. Укажите пути подавления столбчатой структуры в сварных швах.

5. Как влияют параметры режима сварки на характер первичной кристаллизации?

 

Лабораторная работа №11

ИЗУЧЕНИЕ МАКРО- и МИКРОСТРУКТУРЫ

МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

 

Цель работы

Освоение методики макро- и микроструктурного исследования сварных соединений, изучение структуры металла шва и зоны термического влияния при сварке плавлением.

Введение

Исследование структуры и дефектов сварного соединения входит в задачу металлографического анализа, который делится на макро- и микроскопический.

При макроанализе производится исследование строения металла (макроструктуры) невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (до 5-10 раз).

Макроанализ позволяет определить в металле сварного соедине­ния величину, форму и расположение зерен, дендритность или волок­нистость строения, ликвацию (серы, фосфора и других элементов), различные дефекты: трещины, газовые поры, раковины, шлаковые включения я т.д., параметры шва и зоны термического влияния. По макроструктуре можно установить глубину и форму зоны проплавления, ширину и очертания зоны термического влияния (ЗТВ).

Для выявления структуры сварного соединения образцы подвергаются травлению. На нетравленном образце видны лишь наиболее грубые дефекты; тонкие трещины затерты обработкой абразивной шкуркой и вскрываются только после травления.

Исследование макроструктуры часто сопровождается замером твердости участков образца. Изучение макроструктуры производится на макрошлифе. Макрошлифом называется шлифованный и протравленный образец, предварительно вырезанный из сварного соединения.

Исследование структуры и дефектов металла с помощью микро­скопа (при увеличении в 50-2000 раз) называется микроанализом, наблюдаемая при этом структура называется микроструктурой.

При помощи микроисследования можно установить:

а) форму и размеры кристаллических зерен;

б) изменения внутреннего строения сплава, происходящие под влиянием различных режимов термической и химико-термической обработки, а также после внешнего и механи­ческого воздействия;

в) неметаллические включения - сульфиды, окислы и т.д.;

г) дефекты металла - микротрещины, поры и т.п.;

д) химический состав некоторых структурных составляющих по их характерной форме и характерному окрашиванию специальными реак­тивами.

Микрошлифом называется образец металла, поверхность которого приготовлена специальным образом для микроанализа. Приготовление микрошлифа состоит из вырезки образца, шлифования к полирования. Полирование можно производить механическим, химическим и электро­химическим способом.

Для выявления микроструктуры шлиф после полирования подвер­гают травлению, в результате чего неоднородные участки изучаемого металла или сплава становятся видимыми под микроскопом.

Сущность процесса выявления структуры металлов состоит в том, что при травлении отдельные структурные составляющие по-разному растворяются или окрашиваются. В результате травления на поверх­ности шлифа образуются выступы и впадины, характеризующие струк­туру сплава.

В микроскопе лучи света будут по-разному отражаться от раз­лично протравившихся структурных составляющих. Те структурные со­ставляющие, которые слабо протравятся, отразят больше лучей света и будут казаться светлыми и, наоборот, сильно протравившиеся участки из-за рассеяния света отразят меньше лучей и будут казаться темными. На этой разнице в состоянии поверхности и количестве от­раженных лучей и основано выявление структуры сплавов.

Исследование микроструктуры сварных соединений имеет ряд особенностей, которые определяются следующим: а) структура сварного соединения отличается мелкостью и разнообразием в пределах одного и того же микрошлифа; б) из-за быстрого остывания соеди­нения в большинстве случаев имеет место неравновесный характер структур; в) сварка сопровождается дополнительным химическим влиянием (воздух, присадочные материалы, подгорание подкладок, обгорание неплавящихся электродов и т.д.), что может привести к появлению необычных фаз (аустенит, нитриды, включения меди, вольфрама и др.); г) сварка давлением с нагревом может вызывать механическое разделение тугоплавких и легкоплавких фаз.

 

11.3. Изготовление шлифов

Вырезка образцов

При выборе места и технологии вырезки образцов для макро- и микроанализа сварных соединений необходимо соблюдать следующие требования:

– число образцов для данного сварного соединения должно быть минимальным, но достаточным для решения задач, поставленных на исследование;

– образец должен иметь форму и размеры, удобные для приготовления шлифов;

– образцы должны быть вырезаны с таким расчетом, чтобы сечение будущего шлифа находилось на расстоянии, исключающем влияние условий резки (недопустимый нагрев, наклеп);

– при использовании термических видов резки при вырезке образцов из крупных деталей расстояние от реза до плоскости будущего шлифа должно быть не менее 50 мм.