МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомиться с методами исследования и контроля металлов и сплавов.

Задачи:

1. изучить методы применяемые при исследовании макроструктуры.

2. изучить методы применяемые при исследовании микроструктуры.

3. проанализировать свойства материалов: механические, физические, химические, санитарно-гигиенические и т.д. и методы их определения.

МАКРОАНАЛИЗ

Макроструктурой называется строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (не более 30).

Макроанализ позволяет выявить величину, форму и расположение кристаллитов в литом металле (дендритное строение), волокно в деформированном металле, усадочную рыхлость, пустоты, трещины и плены, неравномерное распределение в стали серы и фосфора и т. д. Макростроение можно изучать непосредственно на поверхности детали (например, отливок), в изломе металла или, чаще всего, после подготовки исследуемой поверхности путем ее шлифования и последующего травления специальными реактивами, действие которых основано на способности по-разному окрашивать и растворять отдельные составляющие, а также расширять микропустоты, трещины и т. д.

Так, например, для выявления дендритного строения стали применяют персульфат аммония 15 г(NH₄)₂S₂0₈, 100 см³ Н₂0, а для обнаруживания волокна стали в кованых и штампованных деталях, — раствор хромпика в серной кислоте 60 см³ H₂S0₄, 25 г К₂Сr₂О₇ 500 см³ Н₂0.

Макроскопическому анализу обычно подвергают шлифованный и протравленный образец, называемый макрошлифом. На рис. 1 приведена типичная макроструктура литой стали.

Проба на характер распределения серы в стали осуществляется путем наложения бромосеребряной бумаги, смоченной 5%-ным водным раствором серной кислоты, на исследуемый шлиф; в местах скопления серы бумага темнеет за счет образования сернистого серебра Ag₂S.

Частным случаем макроанализа является изучение излома металла, который позволяет судить о величине зерна металла, качестве последнего и причине разрушения. В алюминиевых литых сплавах по характеру излома, кроме того, судят о загрязнении сплава шлаковыми включениями, о наличии крупной пористости и т.д.

Рис. 1. Макроструктура литой стали.

МИКРОАНАЛИЗ

Микроанализом называется исследование структуры металлов и сплавов с помощью микроскопа при увеличении от 75—100 до 1500— 2000. Структура металлов, наблюдаемая при этом исследовании, называется микроструктурой. Микроскопический анализ впервые применил в 1831 г. великий русский металлург П. П. Аносов для исследования стали.

В задачи металлографического исследования входит определение величины и формы кристаллитов, составляющих сплав, выявление структур, характерных для некоторых видов обработки, обнаружение микропороков (засорение металла неметаллическими включениями, микротрещины и т. д.), а в некоторых случаях и определение химического состава сплава (например, для отожженных углеродистых сталей). Зная микроструктуру, можно судить о качестве термической обработки, объяснить причины удовлетворительности или неудовлетворительности механических свойств и т. д.

Для проведения микроанализа из исследуемого металла изготовляют так называемый микрошлиф. С этой целью из испытываемого материала вырезают небольшой образец, например, кубик с ребром 10 мм или шайбу диаметром 10—15 мм и высотой 15 мм.

Рис. 2. Схема установки для электролитического полирования: 1 — ванна с водой; 2 — сосуд с электролитом; 3 — шлиф (анод); 4 — катод из нержавеющей стали.

Одну из граней образца выравнивают напильником или наждачным кругом, а затем шлифуют специальной металлографической наждачной бумагой, помещенной на толстое стекло или закрепленной на быстро вращающемся круге. Начинают шлифование на грубой наждачной бумаге и заканчивают на бумаге с наиболее мелким зерном. После шлифования шлиф подвергается полированию на вращающемся круге с натянутым тонким сукном, фетром или бархатом, на который непрерывно наносится абразивное вещество (окись алюминия, окись хрома и др.) чрезвычайно тонкого помола.

Нередко для изготовления микрошлифов применяют электролитическое полирование (рис. 2). Микрошлиф 3 при этом служит анодом, а катодом пластинка 4 нержавеющей стали. При пропускании через электролит постоянного тока плотностью 0,2—4 а/см² происходит локальное растворение всех неровностей (выступающих элементов) и шлиф приобретает зеркальную поверхность. Электролитическое полирование сокращает время приготовления шлифа и полностью устраняет деформацию поверхностных зон при шлифовании, могущую исказить характер структуры металла.

Для выявления структуры шлиф подвергается травлению специальными реактивами. Для стали и чугуна в качестве реактива для травления наиболее часто применяется 4—5%-ный спиртовой раствор азотной или пикриновой кислоты. Для алюминиевых сплавов широко применяется 0,5%-ный раствор фтористой кислоты в воде, а для медных сплавов — 8%-ный аммиачный раствор СаС1₂ и другие реактивы. Следует отметить, что в последнее время широко применяют электролитическое травление шлифов, основанное на различной скорости электролитического растворения отдельных структурных составляющих сплава.

В результате травления имеет место неодинаковое отражение света отдельными структурными составляющими, что дает возможность выявить их под микроскопом.

На рис. 3 приведены типичные микроструктуры чистого железа (рис. 3, а) и стали, содержащей 0,8% С (рис. 3, б).

В отличие от биологических микроскопов металлографические микроскопы рассматривают изучаемый объект не в проходящем, а в отраженном свете.

Рис. 3. Микроструктура:

а — чистого железа; б — стали, содержащей 0,8% С X 600.

Схема оптической системы металлографического микроскопа приведена на рис. 4.

Рис. 4. Оптическая схема микроскопа МИМ-7:

1 — осветитель (лампа); 2 — коллектор; 3 — зеркало; 4 — линза; 5 — апертурная диафрагма; 6 — линза; 7 — призма; 8 — линза; 9 — отражательная пластинка; 10 — объектив; 11 — объект; 12 — ахроматическая линза; 13— окуляр; 14 — зеркало; 15 — фотоокуляр; 16— зеркало; 17 — фотопластинка; 18 — полевая диафрагма; 19 — затвор; 20 — линза для работы в темном поле; 21 — кольцевое зеркало; 22 — параболическое зеркало; 23 — заслонка (включается при работе в темном поле); 24 — поляризатор; 25 — анализатор

На рис. 5 приведен общий вид отечественного металлографического микроскопа типа МИМ-7.

Рис. 5. Общий вид микроскопа МИМ-7:

а — вид со стороны трансформатора; б — вид со стороны фотокамеры; 1— 25 — см. рис. 33; 26 — плита; 27 — основание или корпус фотокамеры; 28 — фотокамера; 29 — фонарь осветителя; 30 — винты, центрирующие лампу; 31 — диск со светофильтром; 32 — рукоятка для поворота диска с тремя фотоокулярами; 33 — рукоятка для смещения и поворота ирисдиафрагмы 5; 34 — винт, фиксирующий поворот диафрагмы 5; 35 — корпус микроскопа; 36 — предметный столик; 37 — макрометрический винт для вертикального перемещения столика; 38 — стопорное устройство для макровинта; 39 — визуальный тубус; 40 — микрометрический винт. 41 — осветительный тубус; 42 — рукоятка полевой ирисдиафрагмы; 43 — механизм центрировки; 44 — винты для перемещения предметного столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Рис 6. Общий вид и схема электронного микроскопа

1 — электронная пушка; 2 — конденсаторная линза; 3 — люк для смены образцов; 4 — камера объекта; 5— электромагнитная линза объектива; 6 — проекционная электромагнитная линза; 7 - люк для выемки фотопластинок; 8 — световой микроскоп; 9 - насос; 10 — вакуумное распределительное устройство.

Наряду с обычным оптическим микроскопом, для изучения металлов и сплавов в настоящее время применяется электронный микроскоп (рис. 6), позволяющий изучать металл при полезном увеличении до 100 000 раз (наиболее часто применяют увеличение 10 000—25 000).

Источником электронных лучей является так называемая электронная пушка, состоящая из вольфрамовой спирали, которая при нагреве до высокой температуры испускает электроны. При помощи электронного микроскопа изучается не непосредственно поверхность металла, а кварцевый или коллодиевый слепок, полученный с этой поверхности (шлифа) и воспроизводящий детали ее рельефа. На рис. 7 приведен пример структуры металла, полученной под электронным микроскопом.

Рис. 7. Микрофотография железа, полученная под электронным микроскопом. X 8000. (А. И. Гардин.)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: