Методы исследования и контроля качества металлов и сплавов

Лекция 6

Для исследования строения (структуры) металлов и сплавов и их свойств используют макро- и микроанализ, рентгеновский, термический, дилатометрический и другие методы анализа.

Неразрушающий контроль качества металлов и сплавов выполняют с использованием магнитной, ультразвуковой и рентгеновской дефектоскопии, а также других методов кон­троля.

Макроскопический, анализ (макроанализ) представляет со­бой метод изучения строения металлов и сплавов (их струк­туры) невооружённым глазом или при небольших увеличе­ниях (до 10 раз, например, с помощью лупы). Макроанализ позволяет выявить неметаллические включения, пористость, усадочную раковину, трещины, а также определить располо­жение волокон при прокатке, ковке, штамповке и т. д. 102

Для осуществления макроанализа готовят специальный об­разец—шлиф. После шлифования поверхность шлифа обезжи­ривают, промывают спиртом и подвергают травлению погру­жением шлифа в реактив. Реактивы обычно состоят из кислот и щелочей или их растворов, а также растворов солей, кото­рые по-разному растворяют или окрашивают отдельные составляющие сплава. Для различных металлов и сплавов выбирают разные реактивы. После травления, промывки в холод­ной и горячей воде и сушки шлифа рассматривают строение металла или сплава—структурные составляющие, наличие не­металлических включений или раковин и т. д. На основании этих наблюдений структуры делают качественную оценку ис­следуемого металла.

Микроскопический анализ (микроанализ) — метод изучения строения металлов и сплавов с помощью специального метал­лографического микроскопа при больших увеличениях (до 3000 раз). С помощью микроанализа определяют величину и форму кристаллов и структурные составляющие сплавов, выявляют особенности строения структуры, наличия в ней микродефектов (трещин, раковин, и т.д.) или неметаллических включений и т.п.

Шлиф для микроанализа приготовляют так же, как и для макроанализа, но после шлифования дополнительно произво­дят полирование для получения зеркальной поверхности.

Наличие и характер неметаллических включений определяют по нетравленым шлифам, а для выявления количества и формы тех или иных структурных составляющих шлифы подвергают травлению в специальных реактивах. Наиболее распространённый реактив для выявления структуры углероди­стой стали 4 %-ный_ раствор азотной кислоты в этиловом спирте. После травления, промывки и сушки шлифа его рассматри­вают под микроскопом, работающим с помощью отраженного света. Благодаря различной ориентировке кристаллов металла степень их травимости реактивами также оказывается разной. Когда шлиф рассматривают под микроскопом, свет неодина­ково отражается от различных зерен. Благодаря примесям гра­ницы зерен металла травятся сильнее, чем основной металл, и

более рельефно выявляются.

При травлении шлифа, приготовленного из сплава, его мик­роструктура выявляется вследствие различной травимости структурных составляющих (фаз). В этом случае на микрошлифе образуется рельеф. Все это позволяет определять мик­роструктуру - форму и размеры зерен исследуемого металла или сплава.

Наряду с обычными оптическими микроскопами ши­роко применяют электронные микроскопы, в которых вместо световых используются электронные лучи. Эти лучи испускает раскаленная вольфрамовая спираль. Электронный микроскоп позволяет получить увеличение в 100000 раз и выше.

Рентгеновский анализ позволяет исследовать типы кристаллических решеток металлов и сплавов и определить их параметр. Для анализа используют ренгеновские лучи, получаемые в специальных рентгеновских трубках.

Определение структуры металлов и типа кристаллической решетки при помощи рентгеновских лучей основано на дифрак­ции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов кристал­лической решетки. Зная длину волны рентгеновских лучей можно определить расстояние между рядами атомов и распо­ложение их в пространстве. Установление атомной структуры металлов и сплавов весьма существенно для понимания физи­ческой природы явлений, происходящих при изменении состоя­ния металла в процессе его обработки.

Термический анализ применяют для определения критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов с последующим построением диаграмм состояния (см. рис. 4.8, 4.9, 411).

Кривые нагревания и охлаждения металлов и сплавов по­зволяют определить температуры превращений и выбрать ра­циональный температурный интервал обработки металлов или сплавов.

Дилатометрический анализ основан на изменении объема металла или сплава, происходящем при нагревании или охлаждении. Его применяют для определения критических то­чек и коэффициентов теплового расширения металлических образцов.

При нагревании объем увеличивается плавно или скачко­образно; плавно он увеличивается при отсутствии фазовых превращений в металле и скачкообразно при их наличии. По результатам анализа, выполняемого на специальных приборах (дилатометрах), строят кривые (в координатах тем­пература—удлинение образца), по которым определяют температуру фазовых превращений.

1. Магнитную дефектоскопию применяют для контроля каче­ства готовых деталей, сварных швов и т. д. с целью выявления внутренних дефектов (закалочных и усталостных трещин, не­металлических включений, усадочных раковин и т. д.). На практике используют такие методы магнитной дефектоскопии, как магнитных суспензий, индукционный и др.

Испытание методом магнитных суспензий или сухого порошка состоит из намагничивания контролируемой детали (ток намагничивания до 2000...3000 А), покрытия ее ферромагнит­ным порошком (например, порошком железа), осмотра испы­туемой поверхности и размагничивания детали. У намагниченных деталей, имеющих внутренние дефекты (трещины, неметаллические включения или другие дефекты), образуется неоднородное магнитное поле вследствие того, что магнитные сило вые линии огибают место дефекта. При покрытии изделия магнитным порошком его частицы, располагаясь над дефектом, образуют резко очерченный рисунок, отражающий форму и величину дефекта металла. Для обнаружения дефектов мето­дом магнитных суспензий или сухого порошка в ферромагнит­ных сплавах применяют специальные аппараты—магнитные дефектоскопы.

Этот метод контроля осуществляется быстро, надежно и применим для массового контроля качества продукции.

Ультразвуковую дефектоскопию применяют для контроля качества отливок, поковок и готовых деталей не только из ферромагнитных, но из любых металлов и сплавов и для вы­явления макро- и микродефектов, залегающих на значительной глубине (до 10 м). При проверке качества деталей с помощью ультразвуковых дефектоскопов различной конструкции приме­няют ультразвуковые упругие колебания с частотой 10⁴... 10⁷ Гц.

Ультразвуковой дефектоскоп состоит из генератора элек­трических колебаний, пьезоэлектрических щупов излучателей, усилителя электрических колебаний и индикатора (показы­вающего стрелочного прибора или осциллографа). В промыш­ленности применяют ультразвуковые дефектоскопы с непрерыв­ным излучением и импульсные.

В ультразвуковых дефектоскопах с непрерывным излуче­нием (типа УЗД-6) ультразвуковые волны, направленно рас­пространяясь в металле от щупа-излучателя, не проходят через встречающиеся в нем дефекты (внутренние трещины, усадоч­ные раковины или газовые пузыри, расслоения, неметал­лические включения и т. д.), создавая за дефектом область «звуковой тени», что отмечается на индикаторе усилителя. Ко входу усилителя подключен щуп-приемник, расположенный соосно на противоположной стороне изделия. Это позволяет выявить место и глубину залегания дефекта.

В импульсных ультразвуковых дефектоскопах (типа УЗД-7Н) ультразвуковая волна, распространяющаяся в иссле­дуемом материале, при встрече с препятствием в виде дефекта отражается от него. Отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на показывающий индикатор. Импульс­ные дефектоскопы могут работать с одним или с двумя щу­пами, прикладываемыми к изделию только с одной стороны. Это является одним из важных преимуществ импульсных дефектоскопов, позволяющих производить контроль изделия при доступе к нему только с одной стороны в отличие от теневых дефектоскопов.

При помощи ультразвуковой дефектоскопии, кроме опреде­ления макро- и микродефектов, в металлических телах изме­ряют глубину закаленного или цементованного слоя, опреде­ляют внутренние напряжения, модуль упругости, плотность ме­талла и т. д.

Рентгеноскопия (просвечивание) металлов и сплавов осно­вана на способности рентгеновских лучей проходить через оптически непрозрачные среды и предназначены для выявле­ния внутренних дефектов (пористости, трещин, газовых пузы­рей, шлаковых включений и др.). В местах дефектов рентге­новские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта. Рентгеноскопию, как и уль­тразвуковую дефектоскопию, в настоящее время широко при­меняют в промышленности для поточного контроля массовой продукции.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют виды и порядок испытаний для определения проч­ностных характеристик и твердости металлов, их показатели и размер­ности?

2. Виды и порядок испытаний для определения характеристик пластич­ности, ударной вязкости и предела усталости металла.

3. Какие вы знаете виды разрушения металлов и их сущность?

4. Методы исследования и контроля качества металлов, их сущность и области применения.

Дата добавления: 2014-01-06