Лабораторная работа 1. Макроанализ металлов и сплавов

Цель работы – изучить основные приемы макроскопического исследования металлов и сплавов. Научиться выявлять с помощью метода фотоотпечатка ликвацию вредных примесей в стали, а также способ производства стальных изделий.

Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

Для изучения строения и свойств металлов и сплавов необходимо овладеть методами исследования их структуры и свойств. Поэтому первые четыре лабораторные работы посвящены изучению именно этих методов, в целях приобретения практических навыков в исследовании строения и свойств металлов и сплавов.

Макроскопический анализ (макроанализ) – это изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или с помощью небольших увеличений (до 30^х).

Макроанализ позволяет:

1) судить о качестве металла путем внешнего осмотра изделия с целью установить на его поверхности различные несплошности (трещины, литейные поры, усадочные раковины и т.д.);

2) выявить особенности строения металла в слитке после его затвердевания;

3) установить способ производства изделия на машиностроительном предприятии, т.е. выявить процесс формообразования этого изделия (обработка давлением, сварка, резание).

Макроанализ наиболее простой и доступный метод исследования, т. к. для его проведения не требуется специального оборудования. Вместе с тем, этот метод достаточно информативен, т.к. позволяет наблюдать одновременно большую поверхность заготовки (детали).

Макростроение можно изучать не только непосредственно на поверхности металла, но и в изломе заготовки (детали), а также после предварительной подготовки исследуемой поверхности, заключающейся в её шлифова­нии и травлении специальными реактивами. Шлифованный и протравленный образец называют макрошлифом.

Таким образом, в макроанализе можно выделить три основных приема изучения строения металлов и сплавов: осмотр поверхности, анализ изломов и изучение макрошлифов.

В качестве примера проведем макроанализ излома чугунного слитка.

При рассмотрении излома можно выделить три характерные зоны его строения, схематично показанные на рис.1.1.

Неоднородное строение слитка объясняется неодинаковой скоростью его охлаждения по сечению в процессе затвердевания. При заливке чугуна в форму те объемы жидкой фазы, которые соприкасаются с холодными стенками литейной формы, остывают наиболее быстро.

В соответствии с законом кристаллизации Таммана в этих объемах жидкой фазы за единицу времени образуется большое число центров кристаллизации и зерно получается мелким (зона 1).

В ходе дальнейшей кристаллиза­ции слитка отвод тепла осуществляется по направлению от центра слитка к его периферии, а значит, в этом направле­нии будет обеспечена наибольшая скорость роста образующихся центров кристаллизации. Таким образом, возникают зерна вытянутой формы (зона 2).

Последние объемы жидкой фазы, отделенные от стенок литейной формы твердой чугунной коркой (~1см), остывают более медленно и равномерно. В соответствии с законом Таммана в этих объемах жидкой фазы за единицу времени образуется небольшое число центров кристаллизации, которые медленно растут и зерно получается крупным (зона 3).

Как известно, размер зерен сильно влияет на прочность металлов и сплавов. Чем мельче зерно, тем выше прочность и пластичность сплавов. Поэтому в нашем случае, когда основная часть слитка состоит из крупных зерен, чугун будет иметь невысокую прочность.

Таким образом, макроанализ излома чугунного слитка позволил нам сделать качественный вывод о его прочности, не прибегая к более трудоемким методам механических испытаний.

Кроме того, при изучении макрошлифов слитков можно выявить некоторые литейные дефекты, заключающиеся в нарушении сплошности отливки (усадочные раковины, пористость, подкорковые пузыри), которые значительно ухудшают прочностные свойства сплава.

Анализ макрошлифов позволяет установить особенности строения металла или сплава в результате его предшествующей обработки, наличие различных дефектов, а также величину ликвации вредных примесей в сплаве.

Ликвация это неоднородность (неодинаковость) химического состава в заданном объеме сплава.

Так, например, в стали всегда присутствуют в некотором количестве вредные примеси и, прежде всего, сера и фосфор, попадающие в сталь при её выплавке из руды. Взаимодействуя с железом (основным компонентом стали) сера образует сульфид железа (FeS) – хрупкое и непрочное химическое соединение.

При кристаллизации стального расплава сульфид железа образует эвтектику, которая выделяясь по границам зерен значительно ухудшает механические свойства стали: прочность и пластичность.

По этой причине сера в стали является вредной примесью, и её процентное содержание жестко регламентируется стандартом. В зависимости от этого стали делятся по качеству на три группы:

¾ стали обыкновенного качества (содержание серы и фосфора должно быть не более 0,05% каждого элемента);

¾ качественные стали (содержание серы и фосфора должно быть не более 0,04% каждого элемента);

¾ стали повышенного качества (содержание серы и фосфора должно быть не более 0,03% каждого элемента).

Однако даже в качественных сталях, в которых содержание серы не превосходит 0,04%, возможно образование локальных и достаточно крупных её скоплений в виде сульфида железа, что значительно ухудшает её механические свойства.

Таким образом, важно знать не только о количественном содержании серы в стали, но и о том, каков характер её пространственного распределения по сечению заготовки или какова величина ликвации серы в стали.

Концентрацию серы в стали определяют химическим анализом, а величину ликвации – макроанализом.

Для определения величины ликвации серы в стали широко используют метод фотоотпечатка.

Дата добавления: 2014-11-25