Б.С. Троицкий, А.Л. Майтаков

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

Лабораторный практикум

 

Учебное пособие

 

Для студентов вузов

 

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального

образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по

направлениям подготовки 655800 «Пищевая инженерия», 651200 «Энергомашиностроение», 655500 «Биотехнология», 656500 «Безопасность жизнедеятельности», 656900

«Технология полиграфического и упаковочного производства», 657900 «Автоматизированные технологии и

производства», 657000 «Управление качеством»

 

Кемерово 2010

 

 

УДК 621.01:661.78

ББК

Т

 

 

Рецензенты:

А.Н.Смирнов, профессор, д.т.н.;

А.М. Попов, профессор, д.т.н.

 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом

Кемеровского технологического института пищевой

промышленности

 

Троицкий Б.С., Майтаков А.Л.

Материаловедение. Лабораторный практикум: учебное пособие /Б.С. Троицкий, А.Л. Майтаков. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2010. – 250 с.

 

В пособии приведены лабораторные работы по проведению макро- и микроанализа металлов и сплавов, определению твердости, исследованию структур и свойств сталей и чугунов, цветных сплавов и пластмасс и др., рассмотрены теоретические и практические вопросы термической и химико-термической обработки металлов. Особое внимание уделено проблемам обоснования и выбора материалов и способов упрочнения деталей машин пищевого, холодильного и общего машиностроения. Предложены ситуационные задачи для самостоятельной работы студентов. Все лабораторные работы содержат краткое изложение теоретического материала, порядок их проведения и требования к содержанию отчета.

 

УДК 621.01:661.78

ББК

ISBN

ã КемТИПП, 2010

Лабораторная работа № 1

МАКРОАНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомление с методикой проведения макроструктурного анализа; получение практических навыков изготовления макрошлифов, изучения поверхностей деталей, изломов, макрошлифов, выявления макродефектов, неоднородности, причин разрушения металла; приобретение навыков зарисовки макроструктур.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Макроскопический анализ (макроанализ) металлов и сплавов заключается в исследовании их строения невооруженным глазом или при помощи небольших увеличений (до 30 раз). Макроанализ позволяет оценить качество материала, выявить наличие в нем макродефектов, характер его предшествующей обработки (литье, обработка давлением, резание, сварка, наплавка, термическая и химико-термическая обработка и др.), структурную и химическую неоднородность, волокнистость, причины и характер разрушения. Структура материалов, наблюдаемая невооруженным глазом или при небольших увеличениях, называется макроструктурой.

С помощью макроанализа можно дать общую оценку состояния больших поверхностей материала или детали в целом и выбрать небольшие наиболее важные и типичные участки для дальнейшего углубленного изучения. Макроанализ проводят путем изучения изломов, макрошлифов или внешних поверхностей заготовок и деталей.

Наружные, или поверхностные, макродефекты, расположенные непосредственно на поверхности изделий, выявляют исследованием поверхностей этих изделий. Если изделия литые, т. е. получены методом литья, то на их поверхности наиболее часто встречаются следующие дефекты:

1) пригар, представляющий собой трудноотделимую корку, состоящую из смеси металла, формовочного песка и шлака;

2) усадочные пустоты (раковины, рыхлости, пористость), образующиеся в результате усадки металла (уменьшение объема) при его затвердевании (рис. 1.1);

3) газовые раковины (пузыри), возникающие в кристаллизующемся металле чаще всего из-за его большой газонасыщенности;

4) ужимины, возникающие вследствие частичного отслоения внутренних поверхностных слоев песчаной формы, что приводит к образованию в твердом металле полостей, заполненных формовочным материалом;

5) трещины, появляющиеся как результат высоких напряжений в отливках из-за сопротивления формы их усадке, а также неодинаковых скоростей охлаждения различных частей литой заготовки;

6) неметаллические включения, которые по происхождению разделяются на эндогенные и экзогенные. Эндогенные образуются в результате взаимодействия компонентов сплава, например железа, с растворенными в нем кислородом, серой, азотом; экзогенные – шлаковые включения и засоры от разрушающихся стенок формы.

В пластически деформированных изделиях остается часть дефектов литого металла. Оставшиеся дефекты при пластическом деформировании металла видоизменяются. Усадочные пустоты превращаются в расслоения. Некоторые неметаллические включения (а также газовые пузыри), окисленные и потому не заварившиеся в процессе горячей обработки давлением, вытягиваются и образуют прямые тонкие штрихи-трещинки глубиной не более 1,5 мм и длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Такие трещинки, расположенные в направлении деформирования, называются волосовинами. В некоторых легированных сталях выявляются флокены – тонкие трещины, которые в поперечном сечении представляют собой овальные пятна серебристо-белого цвета. Они особенно хорошо наблюдаются на изломах и протравленных макрошлифах. Происхождение флокенов связано с поглощением водорода жидкой сталью, его скоплением в местах больших искажений кристаллической решетки затвердевшей стали. Это приводит к появлению значительных напряжений и, как следствие, трещин при пластической деформации стали, а также при ее неравномерном охлаждении или фазовых превращениях.

 

Рис. 1.1. Газовые пузыри в слитке кипящей стали 08кп.

 

К дефектам пластически деформированного металла относятся также сильно разветвленные, глубоко проникающие в глубь металла трещины и раковины, вызванные пережогом (т. е. окислением металла по границам зерен); надрывы, обусловленные чрезмерно большой степенью деформации; окалина – слои окисленного металла (если она вдавлена в металл, на его поверхности образуется рябизна).

В термически обработанном металле чаще всего обнаруживаются обезуглероживание и закалочные трещины. Обезуглероживание поверхностных слоев стальных изделий является результатом окислительного действия атмосферы печей для термообработки. На поверхности изделий возникают участки с пониженной твердостью – мягкие пятна. Закалочные трещины имеют зигзагообразный характер, часто образуют сетку. Края закалочных трещин, в отличие от трещин горячедеформированного металла, не обезуглероживаются, поскольку такие трещины образуются в процессе закалки при охлаждении изделий до температур ниже 100 ⁰С или после полного охлаждения.

В сварных изделиях основными дефектами являются трещины, как результат внутренних напряжений, и непровар. Непровар – местное отсутствие соединения основного металла и наплавленного. Этот дефект возникает при загрязнении свариваемых поверхностей или недостаточном разогреве основного металла. Возможен также пережог из-за высокой температуры нагрева металла в процессе сварки. Он образуется при нарушении режима тепловой обработки (высокая температура нагрева в кислородсодержащей среде), вызывающем интенсивное окисление металла вдоль границ зерен. Это сильно охрупчивает металл. Дефект неисправим.

По результатам исследования поверхностей изделий делается мотивированное заключение о возможности их дальнейшей эксплуатации.

Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия, выявляются при изучении изломов.

Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разрушения металла. Изломы металлов могут существенно отличаться по цвету. Так, стали и белые чугуны, в которых весь углерод связан в цементите, имеют излом светло-серого цвета. У графитизированных сталей и чугунов, в которых углерод находится преимущественно в виде графита, излом черного цвета.

На поверхности изломов можно видеть дефекты, которые способствовали разрушению. В зависимости от состава, строения металла, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изделий изломы могут иметь вязкий, хрупкий или усталостный характер.

Вязкий (волокнистый) излом имеет бугристо-сглаженный рельеф и свидетельствует о значительной пластической деформации, предшествующей разрушению. По виду вязкого излома нельзя судить о форме и размерах зерен металла.

Хрупкий (кристаллический) излом характеризуется наличием на поверхности плоских блестящих участков (фасеток). Так как разрушение протекает без заметной пластической деформации и форма зерна не искажается, то на хрупком изломе видны исходные форма и размер зерен металла. При этом разрушение может происходить через зерна (транскристаллический излом) либо по границам зерен (интеркристаллический, или межкристаллический излом). Разрушение по границам зерен имеет место при наличии на границах неметаллических включений (фосфиды, сульфиды, оксиды) или других выделений, ослабляющих прочность границ зерна.

Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как происходит чаще всего при напряжениях ниже предела текучести материала. Его возникновению способствуют наличие поверхностных дефектов, конструктивные просчеты (резкое изменение сечения, толстостенность деталей), низкая температура и ударные нагрузки при работе, крупнозернистость металла, выделения по границам зерен хрупких фаз, межзеренная коррозия. Разновидностями хрупкого излома являются нафталинистый, камневидный, фарфоровидный и др.

Нафталинистый излом – транскристаллический с крупным зерном и избирательным блеском, подобным блеску кристаллов нафталина. Он свидетельствует о повышенной хрупкости стали и наблюдается в легированных, преимущественно быстрорежущих сталях. Причиной возникновения такого излома является перегрев стали, вызывающий укрупнение зерен и образование определенной ориентации структурных составляющих (текстура). Внешне в изломе текстура проявляется как одно крупное зерно. Нафталинистый излом устраняется путем многократных повторных фазовых перекристаллизаций металла.

Камневидный излом возникает, если металл имеет крупнозернистое строение, а разрушение носит преимущественно межкристаллический характер. Причина образования такого излома – перераспределение примесей при перегреве металла с выделением их в приграничных участках зерен. Камневидный излом можно устранить путем гомогенизирующего отжига.

Обычно изломы бывают смешанными. При смешанном изломе на его поверхности наблюдаются участки вязкого и хрупкого разрушения.

Фарфоровидный излом характерен для правильно закаленной стали, вид излома матовый, мелкозернистый.

Усталостный излом (рис. 1.2) образуется в результате длительного воздействия на металл циклических напряжений. Излом состоит из трех зон: зарождения трещины, собственно усталостного распространения трещины и долома.

 

 

Рис. 1..2. Усталостный излом (а) и схема развития

трещины усталости (б):

1 - очаг разрушения; 2 - зона стабильного развития трещины;

3 - зона долома; 4 - усталостные бороздки; 5 - начальная стадия

образования трещины; 6 - магистральная трещина

 

Усталостная трещина возникает вместах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты. Первая зона плоская и гладкая. Увеличиваясь при работе детали, трещина образует зону собственного усталостного распространения с характерными концентрическими бороздками или дугами и мелкозернистым, фарфоровидным изломом. Зачастую она имеет отдельные участки гладкой притертой поверхности. Долом происходит внезапно, когда ослабленное трещиной сечение детали не способно выдержать приложенной нагрузки. Долом может быть вязким, хрупким или смешанным.

В практике широко применяют такой метод макроанализа, как исследование макрошлифов. Макрошлиф – это образец с плоской шлифованной и протравленной поверхностью, вырезанный из исследуемого участка детали или заготовки. Его получают следующим образом. На металлорежущем станке или ножовкой вырезают образец, одну из плоских поверхностей которого ровняют напильником или на плоскошлифовальном станке. Затем образец шлифуют вручную или на шлифовально-полировальном станке шлифовальной шкуркой различной зернистости. Шлифование одной шкуркой нужно проводить в одном направлении, после чего следует смыть остатки абразива водой. Переходя на более мелкую шкурку, поворачивают образец на 90^о и проводят обработку до полного исчезновения рисок, образованных предыдущей шкуркой. Образец промывают водой, просушивают и подвергают поверхностному травлению.

Состав некоторых реактивов для травления приведен в табл. 1.1.

Перед травлением образец обезжиривают и очищают, как правило, этиловым спиртом. Травление большинством реактивов, приведенных в табл. 1.1, осуществляют, погружая в них образец. При этом следует строго соблюдать правила техники безопасности.

Реактив, активно взаимодействуя с участками, где имеются дефекты и неметаллические включения, протравливает их более сильно и глубоко. Поверхность макрошлифа получается рельефной. С помощью реактивов для глубокого травления выявляются даже внутренние дефекты (поры, раковины, ликвация, волосовины, трещины, флокены и др.), не выходящие непосредственно на поверхность детали.

 

 

Таблица 1.1

Реактивы для травления макрошлифов

 

Сплавы	Реактив и режим травления	Назначение
Реактивы для глубокого травления
Углеродистые и малолегированные стали и чугуны	10…20 мл серной кислоты, 90…80 мл воды, t = 20…70 ^0С, продолжительность – несколько часов	Выявление ликвации, дендритной структуры, неоднородности, волокнистости
50 мл соляной кислоты, 50 мл воды, t = 20…70 ^0С, продолжительность – 1…60 мин	Выявление ликвации, волокнистости, дефектов сварных соединений
7,5 мл серной кислоты, 10 г хромового ангидрида, 80 мл воды, t = 50…70 ^0С, продолжительность – не менее 10 мин	Выявление общей макроструктуры, дефектов
Высоколегированные и коррозионностойкие стали	10 мл серной кислоты, 50 мл соляной кислоты, 40 мл воды, кипящий раствор, длительность 10…60 мин	Выявление общей макроструктуры, дефектов, ликвации, волокнистости, дендритной структуры
Коррозионно-стойкие хромоникелевые стали	10 мл серной кислоты, 3 г сернокислой меди, 87 мл воды, погружение предварительно нагретой до 625 ^0С стали в кипящий реактив, длительность – 72 ч	Оценка склонности к межкристаллитной коррозии
Медные сплавы	50 мл азотной кислоты, 50 мл воды, температура – 20 ^0С, длительность – несколько минут	Выявление общей микроструктуры
Реактивы для поверхностного травления
Различные стали и чугуны	8 г хлористого аммиаката меди, 100 мл воды (реактив Гейна), температура – 20 ^0С, длительность – 0,5…5 мин	Выявление ликвации серы, фосфора, углерода, полосчатости деформированной стали, грубой зернистости, поверхностных дефектов
Окончание таблицы 1.1
Различные стали и чугуны	8 г хлористого аммиаката меди, 100 мл воды (реактив Гейна), температура – 20 ^0С, длительность – 0,5…5 мин	Выявление ликвации серы, фосфора, углерода, полосчатости деформированной стали, грубой зернистости, поверхностных дефектов
5 мл серной кислоты, 100 мл воды (реактив Баумана). Нефиксированную фотобумагу смачивают реактивом, прижимают эмульсией к макрошлифу на 1…10 мин, промывают, фиксируют, промывают, высушивают	Выявление ликвации серы
3 мл соляной кислоты, 0,2 г хлористой меди, 3 г хлорного железа, 0,1 хлористого олова, 100 г этилового спирта, 100 г воды (реактив Обергоффера). Температура – 20 ^0С, образец полированный	Выявление ликвации фосфора
Медные и никелевые сплавы	5 г хлорного железа, 30 мл соляной кислоты, 100 мл воды. Температура – 20 ^0С, длительность – 1…5 мин	Выявление общей макроструктуры
Алюминий и его сплавы	10 мл соляной кислоты, 10 мл азотной кислоты, 1 мл плавиковой кислоты, 10 мл воды. Температура – 20 ^0С, длительность – 1…5 мин	Выявление общей макроструктуры и макроструктуры сварных соединений

 

Поверхностное травление, проводимое менее агрессивными реактивами, позволяет выявить в сталях, чугунах и цветных сплавах ликвацию, макроструктуру литого или деформированного металла, дефекты сварных соединений, структурную неоднородность материала, подвергнутого термической или химико-термической обработке.

Протравленный макрошлиф промывают водой для удаления травителя, обрабатывают спиртом, высушивают с целью предотвращения коррозии.

Макроанализ макрошлифов позволяет выявить структурную (например, в стали, закаленной токами высокой частоты) или химическую (например, в стали, науглероженной или наплавленной износо- и коррозионно-стойким сплавом) неоднородность, возникшую при обработке готовых изделий.

Химическая неоднородность сплава, возникающая при его производстве, называется ликвацией. Особенно склонны к ликвации в стали углерод, сера и фосфор. Важно знать распределение в стали вредных примесей серы и фосфора, оказывающее существенное влияние на строение металла и его свойства.

Сера вызывает красноломкость стали, т. е. охрупчивание при высоких температурах, а фосфор – хладноломкость, т. е. охрупчивание при низких температурах. Содержание серы и фосфора в сталях строго регламентируется. Характер распределения названных элементов зависит от процесса кристаллизации металла в отливке или в сварном соединении и от вида обработки давлением.

Общую ликвацию углерода, фосфора и серы позволяет оценить обработка макрошлифа реактивом Гейна (см.табл. 1.1). При взаимодействии шлифа и реактива железо из поверхностного слоя стали переходит в реактив, а на его место осаждается медь, которая защищает сталь от дальнейшего воздействия реактива.

Места скоплений углерода, серы и фосфора оказываются в меньшей степени защищенными медью и протравливаются сильнее. После удаления под струей воды слоя меди эти участки выглядят темнее (рис. 1.3).

Ликвацию серы в стали или чугуне можно оценить методом Баумана (см. табл. 1.1). Сера находится в стали в составе сульфидов (FeS и MnS). При взаимодействии их с серной кислотой, оставшейся на фотобумаге, образуется сероводород

 

FeS + Н₂SO₄ ® FeSO₄ + H₂S­.

Сероводород взаимодействует с бромистым серебром фотоэмульсии

2AgBr + H₂S ® 2НВг + Ag₂S.

 

Образующиеся на фотобумаге темные участки Ag₂S выявляют форму и характер распределения серы в исследуемом металле. На рис. 1.4 показан макроснимок (отпечаток по методу Баумана), на котором отчетливо видна ликвация серы по сечению рельса.

 

 

Рис. 1.3. Сварное соединение:

а – до травления; б – после травления реактивом Гейна

 

Для выявления ликвации фосфора целесообразно проводить травление реактивом Обергоффера (табл. 1.1.).

С ликвацией химических элементов также тесно связаны дендритность строения литых сплавов и волокнистость строения деформированных металлов. 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 (рис. 1.5).

Продукцией металлургических предприятий, как правило, является металл, претерпевший горячую обработку давлением – ковку или прокатку. При деформировании дендриты, вначале разориентированные относительно друг друга, постепенно поворачиваются и вытягиваются вдоль направления деформации. Вытягиваются и неметаллические включения.

В результате этого формируется типичная для прокатанного металла полосчатая, волокнистая структура. Такое волокнистое строение металла называют первичной полосчатостью.

 

 

Рис. 1.4. Ликвация серы по сечению стального рельса (по Бауману)

 

 

Рис. 1.5. Дендритная структура стальной отливки

 

Вторичная полосчатость образуется в доэвтектоидной стали (и в некоторых легированных при их охлаждении от высоких температур) в результате выделения избыточного феррита из аустенита на вытянутых неметаллических включениях. Макроанализ позволяет установить и способ изготовления деталей – обработка давлением или резанием (рис. 1.6).

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 (рис. 1.7). При обработке резанием детали из деформированной стали ее волокна перерезаются, что резко снижает прочность детали.

 

 

Рис. 1.6. Макроструктура деталей полученных ковкой и резанием:

Головка болта получена осадкой, а остальная часть – вытяжкой в

холодном состоянии. Резьба была нарезана. Одна из гаек была откована, другая выточена и пруткового проката.

 

 

Рис. 1.7. Макроструктура соединительного крюка

железнодорожного вагона

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями и в случае необходимости, определяемой преподавателем, сдать теоретический зачет по теме.

2. Ознакомиться с методикой приготовления макрошлифов.

3. Изучить коллекцию образцов с основными дефектами, наблюдаемыми на их поверхности. Зарисовать эти дефекты.

4. Исследовать и зарисовать макроструктуру макрошлифов с химической неоднородностью (сварные соединения, детали, упрочненные термической, химико-термической обработкой или наплавкой), деталей, изготовленных резанием и обработкой давлением.

5. Оценить ликвацию на макрошлифе по методу Баумана.

6. Изучить и зарисовать основные виды изломов (вязкий, хрупкий, усталостный).

7. Сделать выводы и составить отчет по работе.

В соответствии с заданиями (в отчете обязательно должны быть указаны тема, цель работы, пояснение к каждой рассмотренной макроструктуре).

 

Контрольные вопросы

1. Что называется макроанализом?

2. Что изучают при макроанализе?

3. Как приготовить макрошлиф?

4. Дефекты литого металла.

5. Дефекты термообработанного металла.

6. Дефекты сварных соединений.

7. Виды изломов.

8. Что называется ликвацией?

9. Как определить ликвацию углерода, серы, фосфора?

10. Метод серного отпечатка по Бауману.

11. Структура деформированного металла.

 

Содержание отчета

1. Тема и цель работы.

2. Краткие ответы на контрольные вопросы.

3. Рисунки изученных макрошлифов и изломов.

4. Пояснения к каждой рассмотренной макроструктуре и излому.

5. Выводы.

 

Лабораторная работа № 2