Макроскопическое исследование литого металла

На рис. 1.6 показано продольный и поперечный макрошлифы литого металла. Макроструктура слитка состоит из трех зон.

1) мягких кристаллов на поверхности, где имеет место высокая скорость охлаждения 2) столбчатых кристаллов, которые растут нормально к поверхности отвода теплоты 3) равноосных крупных кристаллов в центре слитка, где скорость охлаждения мала.

 

Рис. 1.6. Характерные зоны слитка:

1 – корка (зона мелких по-разному ориентированных кристаллов);

2 – зона столбчатых кристаллов, растущих в направлении,

обратном направлению теплоотвода;

3 – зона крупных, произвольно ориентированных кристаллов;

4 – усадочная раковина в верхней части слитка.

 

Первая зона - тонкий слой мелких равноосных кристаллов. Затем идет слой вытянутых, столбчатых кристаллов. В центральной части слитка расположена зона крупных равноосных кристаллов. Наличие трех кристаллических зон в литом металле связано с различной скоростью охлаждения металла при затвердении.

Размер этих зон существенно меняется в зависимости от состава металла и условий кристаллизации.

Аналогичное кристаллическое строение металла существует у любой отливки, меняется лишь соотношение между размерами кристаллических зон.

Обязательным дефектом литого металла является усадочная раковина. При охлаждении и затвердевании объём металла уменьшается. В результате этого в верхней части отливки образуется незаполненное металлом пространство, которое называется усадочной раковиной. В жидком металле может быть много растворенных газов: кислорода, азота, водорода, окиси углерода. При затвердевании газы выделяются из металла и образуют большие и мелкие зоны, заполненные газом - газовые пузыри.

Углерод и вредные примеси в стали: сера и фосфор обладают повышенной склонностью к ликвации. Ликвацией называют неравномерное распределение элементов (в первую очередь примесей) по сечению или объёму затвердевшего металла. В слитке большая часть примесей находится в центральной и верхней областях (рис.1.6). Ликвация, которая возникает при затвердевании металла, сохраняется и в готовых деталях после обработки давлением и резанием. В местах скопления серы и фосфора металл обладает пониженной пластичностью и ударной вязкостью.

Качественную оценку распределения серы в металле можно получить при помощи т.н. метода Баумана. Фотобумагу смачивают в 10% растворе H₂SO₄ в воде, кладут на ровную поверхность слоем эмульсии вверх и на эмульсию ставят готовый макрошлиф. Выдерживают его на бумаге в течение 5 - 10 мин.

Сера присутствует в металле не в чистом виде, а в виде сульфидов железа или марганца. В результате на поверхности металла проходят реакции:

FeS + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂S,

MnS + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₂S.

Образующийся сероводород взаимодействует с бромистым серебром, входящим в состав фотобумаги: H₂S + 2AgBr = Ag₂S + 2НВг. Сульфид серебро имеет коричневый цвет. Отпечаток промывают в воде, фиксируют 20 - 30 мин. в растворе гипосульфида, вновь промывают и сушат. По образующимся на фотобумаге темным участкам можно судить о характере распределения серы в исследуемой стали (или чугуне).

МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛА,
ОБРАБОТАННОГО ДАВЛЕНИЕМ

Литой металл имеет пониженную плотность и прочность из-за наличия дефектов. Для повышения плотности и улучшения механических свойств литой металл подвергают горячей обработке давлением: прокатке, ковке, штамповке.

При обработке давлением металл нагревают до высокой температуры, когда повышается его пластичность и способность к деформации. В процессе деформации кристаллы (зерна) и неметаллические включения (сульфиды, окислы) размельчаются и вытягиваются вдоль направления деформации. Такая структура имеет вид вытянутых волокон, её называют волокнистой структурой.

После обработки давлением механические свойства вдоль волокон выше, чем в поперечном направлении, т.е. возникает явление анизотропии. Поэтому при создании детали необходимо учитывать способ изготовления материала. При этом важно, чтобы волокна в детали повторили её геометрию (конфигурацию) (рис. 1.7). Тогда повысится прочность детали и срок ее службы.

 

 

 

Рис. 1.7. Макроструктура шестерни:
1 - кованной (с правильным расположением волокон);
2 - полученной резанием из прокатанного металла
(неправильное расположение волокон)

Вывод: Волокнистую структуру, соответствующую профилю изделия или направлению наибольших напряжений, используют в деталях, работающих при динамических, циклических нагрузках с высоким напряженным состоянием (шестерни, коленчатые валы, шатуны).

 

Возможным дефектом металла, обработанного давлением, являются флокены - внутренние трещины в металле в виде серебристо-белых пятен (в изломе) или волосовин (в поперечном сечении) диаметром до 40 мм (рис. 1.8).

 

 

Рис. 1.8. Флокены в поперечном сечении металла

 

Флокены возникают при наличии в жидкой стали растворённого водорода, они образуются в процессе охлаждения металла после обработки давлением. При охлаждении водород выделяется и создаёт в пустотах (порах) металла высокое давление, которое разрушает металл. Флокены являются недопустимым дефектом металла.

 

Порядок выполнения работы

1. Зарисовать макроструктуру образцов, показывающую особенности литого состояния. Сравнить макроструктуру слитка с макроструктурой образцов, отлитых различными методами.

2. Зарисовать макроструктуру образцов с волокнистым строением и сделать вывод о правильности изготовления заготовки.

3. Определить различие вязкого и хрупкого изломов.

4. Отметить на рисунке усталостного излома очаг зарождения усталостной трещины и характерные зоны этого вида излома.

 

Содержание отчета

1. Название работы, цель и задание.

2. Зарисовка изломов, макроструктуры.

3. Ответ на индивидуальный вопрос.

1.5. Контрольные вопросы

1. Что называют макроскопическим анализом, макроструктурой, усадочной раковиной, ликвацией, волокнистой структурой, флокенами?

2. Укажите цели применения макроскопического анализа.

3. Какие существуют способы макроскопического анализа?

4. Какая последовательность операций при приготовлении макрошлифов?

5. Какие дефекты металла можно определить при анализе макрошлифов?

6. Какое строение имеет литой металл?

7. Отчего зависит наличие трех зон кристаллов в литом металле?

8. Для чего применяют метод Баумана и как его проводят?

9. Какое соединение в реакциях по методу Баумана окрашивает фотобумагу в коричневый цвет?

10. Перечислите возможные дефекты литого металла.

11. Перечислите возможные дефекты деформированного металла.

Литература

1. Материаловедение: учебник для вузов// Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. 3-е издание – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002, 648 С.

2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1975, 447 С.

Лабораторная работа № 10