Макроскопический метод исследования

Макроскопический метод исследования строения материалов

Макроскопический метод исследования

Лабораторнаяработа № 7

Цель работы:ознакомиться с макроструктурой различныхматериалов и способами подготовкиобразцов.

Задание

1. Исследовать инарисовать макроструктуру изломов.

2. Исследовать инарисовать макроструктуру макрошлифов.

Основные положения теории

Макроструктурныманализом (макроанализом)называется метод исследования строенияметаллов и сплавов невооружённым глазомили при небольших увеличениях (до 30раз). Строение метал-лов, изучаемое припомощи макроанализа, называется макрострук-турой.

Исследование макроструктуры позволяет выявить:

– величину и формуусадочных раковин, усадочную рыхлость,

– величину, формуи расположение отдельных кристалловкак результат первичной кристаллизации,дендритную ликвацию, газовые пузыри,макропоры, трещины, засорённость металланеметалли-ческими включениями;

– ликвацию(сегрегацию) отдельных элементов,входящих в состав сплава, флокены,волосовины, закаты;

– расположениеволокон в деталях как результат горячеймеханической обработки давлением;

– для деталей,прошедших термическую или химико-термическуюобработку, глубину закалки, глубинуцементации, глубину обезуглероженнойзоны, имевший место перегрев при отжигеили закалке;

– дляхолоднодеформированного металла –следы пласти-ческой деформации.

При макроанализеприменяют два метода: макроанализ изломаи макроанализ шлифов.

Макроанализпо виду излома

Излом– поверхность, образующаяся послеразрушения образца или изделия.

Различаютизломы: хрупкий (например,у керамики, закаленных сталей); вязкийсо следами местной пластическойдефор-мации на поверхности излома;усталостный – после разрушения врезультате многократного нагружения.

Анализ и правильное “чтение” изломовиграют важную роль при установлениипричин аварий и поломок. Макроскопическийанализ структуры изломов называетсяфрактографией.

Повиду излома можно судить о величинезерна металла или сплава, наличииперегрева, причине разрушения (усталостныйизлом), о наличии расслоения, рыхлостии др. Изломы бывают кристалл-лические(зернистые), волокнистые и смешанные,продольные и поперечные.

Вязкий(волокнистый) излом обычно наблюдаетсяпосле пластической деформации образцас появлением шейки перед разрушением.Волокнистый излом имеет место в отожженныхдоэвтектоидных сталях, а также в сталях,улучшенных термической обработкой(закалка полная, отпуск высокий). Вязкиеизломы не имеют кристаллического блеска,характеризуют доброкачественнуюструктуру металла (рис. 7.1а).

Хрупкие(кристаллические) изломы (рис.7.1б).Хрупкому разрушению подвержены закаленные стали. Поверхности изломовсостоят из множества блестящих площадок.

Различают следующие разновидностихрупких изло­мов: транскристаллический(проходит по телу зерна), межкристалличес­кий(интеркристаллический), крупнозер-нистый(грубозернистый, крупно­кристаллический),мелкозернистый (мелкокристаллический),нафталинистый, камневидный, шиферный,черный, усталостный.

Нафталинистый– транскристаллический излом, повнешнему виду на­поминающий блескнафталина, встречается у быстрорежущихсталей при нарушении режима термическойобработки.

Камневидныйизлом – межкристаллический, имеющийкрупно-зернистое строение, появляетсяв сталях в процессе перегрева при горячеймеха­нической обработке, признакнедоброкачественности структуры.

Шиферный(слоистый) излом – характеризуетсядревовидным расположением волокон впродольных изломах стали. Встречаетсяв среднеуглеродистых сталях, загрязнен­ныхнеметаллическими включе-ниями иперенасыщенных газами.

Черныйизлом является следствием выделенияграфита из сталей с высоким содержаниемуглерода и кремния после длительногоотжи­га при низких температурах илизакалки с отпуском при температуре 700°С.

а б в

Рис.7.1. Строение вязкого (а), хрупкого (б) иусталостного (в) изломов

Усталостныйизлом встречается в деталях, работавшихпри цикли­ческих нагрузках (рельсы,оси, валы, шестерни, штоки, клапанныепружины и др.).

На изломе поверхностиразграничиваются на очаг разрушения(риски, забоины, трещины, неметаллические,газовое включения), зону посте­пенногоразвития усталостной трещины и зонуизлома. Усталостная трещина, развиваясь,постепенно ослабляет поперечное сечениедетали.

Пораженное трещиной сечение неможет противодействовать нагрузке надеталь и разрушается. Зона излома можетиметь признаки или хрупкого, или вязкогоразрушения (рис. 7.1в).

Изломсзакалочной трещинойимеет два характерных участка: тем­ный– окисленная поверхность закалочнойтрещины и светлый – мелкозернистыйхрупкий излом.

Закалочная трещинавозникает при чрезмерно высокой скоростиохлаждения стали.

Например, обра-зованиепопереч­ной закалочной трещины врельсе связано с местным нагревом рельсдо закалочной температуры при буксованииколеса локомотива и последующим оченьбыстрым отводом тепла.

Нагреваниебуксы вызывает излом шейки оси (рис.7.2). В сечении излома отломившейся частивыделяются следующие слои: 1 слой –основной металл, 2 – слой имееткрупнозернистую структуру и явные следыскручивания металла, 3 слой – «сердцевина»,более темная по цвету.

Рис.7.2. Характерные признаки излома шейкиоси

врезультате нагревания буксы а– отломившаяся часть;

б– оставшаяся часть

Макроанализпри помощи макрошлифов

Исследованиена макрошлифах с применением реактивовпроводят с целью выявления направленияволо­кон в детали, определения местанаплавки после ремонта дета­лей,равномерности распределения углерода,серы, фосфора в сечении, выявления пор,раковин, трещин и других дефектов, а всварных соединениях – исследуются особенности структуры сварного шва.

Макрошлиф– это образец, одна поверхность которогоспе-циально подготавливается дляпроведения исследований.

Нарис. 7.3 показана макроструктура болтас правильным (рис. 7.3б) и неправильным(рис. 7.3а) расположением волокон в детали.Волокна болта, изготовленного ковкойс высадкой, соответствуют его конфигурации.Волокна болта, выточенного из заготовки,расположены параллельно его оси, чтовлечет за собой резкое снижение ударнойвязкости в месте перехода от головки кстержню.

Химическаянеоднородность стали может быть выявленанаиболее наглядно только при помощимакроанализа, так как общий химическийсостав стали дает представление лишьо среднем количественном содержанииэлементов, входящих в металл, но нехарактеризует распределения их посечению.

Нарис. 7.4 представлена структура блокашестерён, на которой видно направлениеволокон .

Выявлениеобщей ликвации углерода, фосфорапроизводят травлением шлифованнойповерхности реактивом Гейне. Напродоль­ных макрошлифах наблюдаютсятемные полосы в виде волокон – этоликвационные зоны, обогащенные углеродоми фосфором (рис.3.5 и 3.6). На поперечныхшлифах волокон нет.

Рис.7.3. Макроструктура болта, изготовленногорезанием (а)

иковкой с высадкой (б)

Рис. 7.4. Макроструктураблока шестерён.

Глубокое травлениена волокно соляной кислотой

(50 мл Нсlна 50 мл воды)

а) б)

Рис.7. 5. Общая ликвация в стали:

болт(а) с небольшим и болт (б) с большимсодержанием углерода и фосфора

Рис. 7. 6. Макроструктура стальной накладки.Выявление степени ликвации углерода ифосфора реактивом Гейна (10% – ным растворомдвойной хлорной меди и аммония в воде)

Ликвациюсеры определяют методом серного отпечаткана фотобумаге (по Бауману). По результатамисследований отмечается, как распределена(равномерно или неравномерно) сера посечению детали. Неравномерное распределениесеры ускоряет разрушение металла впроцессе экс­плуатации. На рис.6макрошлиф имеет ярко выраженнуюликвационную зону.

Нарис. 7.7 видна структура валика, подвергнутогоповерхностной закалке токами высокойчастоты. Легко заметить и определитьглубину закалённой зоны.

Рис. 7.7 Макроструктуравалика, закалённого

с нагревом токамивысокой частоты

Качествосварных соединений определяетсяразличными методами макроанализа.Визуальный осмотр сварных швов позволяетвскрыть отклонения в размерах и формесварного шва. Дендритное строениесварного швa , зону термического влияния,мелкие трещины и поры обычно выявляютпри травлении исследуемых поверхностейсварного шва реактивом Гейне (рис. 7.8).

Рис.7.8. Макроструктура сварного шва:

шов(а), участок перегрева (б), участок мелкогозерна (в),

учас­токперекристаллизации (г), исходная сталь(д)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯЧАСТЬ

1.Подготовить макрошлифы. Одна поверхностьобразца шлифуется наждачной бумагойразличных номеров в последовательностиот более крупного до более мелкого №220 – 320. При этом водят по шлифу бумагой,а не наоборот. Подготовлен­нуюповерхность протирают ватой, смоченнойспиртом для обезжирива­ния передтравлением. Травление макрошлифапроизводят крепкими и сильнодействующимиреактивами.

2.Выявить в темплетах трещины, поры,раковины глубоким травлением подогретымдо 60 – 70 оСводным раствором соляной кислоты (по50 см3HCl и H2O).Время травления 10-45 мин. Поверхностьпосле травления промыть, обработать 15% раствором азотной кислоты и просушить.Выявленные видимые дефекты зарисовать.Этим методом выявляют и направления врасположении волокон.

3.Выявить ликвацию серы, применяя методБаумана, на двух образцах.

Листыфотобумаги, замоченные в 5 % растворесерной кислоты наложить на подготовленнуюповерхность эмульсионной стороной (недопускать сдвига и поглаживанием удалять выделяющийся газ), выдержать3-4 минуты.

Бумагу промыть, зафиксироватьотпечаток, выдержав в течение 20-30 мин в20 % растворе гипосульфита, после чегоснова промыть и просушить.

4.Выявить ликвацию углерода, фосфоратравлением отшли-фованной поверхностив реактиве, состоящем из 85 г хлорноймеди и 53 г хлористого аммония в 1000 см3воды (реактив Гейна).

Образец подготовленнойповерхностью погрузить в реактив ивыдержать 1-2 мин. Образовавшийся наповерхности слой меди смыть струейводы, макрошлиф протереть мокрой ватойи просушить.

Темные (глубоко протравленные)участки характеризуют распределениеуглерода, фосфора.

5.Рассмотреть, зарисовать поверхностьизломов образцов и охарактеризоватьих по размеру зерна (мелкозернистая,крупнозернистая структура) и другимосновным признакам.

Источник: https://StudFiles.net/preview/6180220/

Металлографические исследования металла

Макроскопический метод исследования

Металлография исследования – это комплекс испытаний и аналитических мероприятий, направленный на изучение макроструктуры и микроструктуры металлов, исследование закономерности образования структуры и зависимостей влияния структуры на механические, физико – механические, электрические и другие свойства металла.

Металлографические методы исследования металлов и сварных соединений позволяют определить размеры, форму и взаимное расположение кристаллов, а также неметаллические включения, трещины, раковины, поры, свищи и т. д.

Различают макроскопический и микроскопический методы изучения строения металлов.

Макроскопический метод — исследование строения металлов и сварных соединений невооруженным глазом или с применением лупы, дающей увеличение в 5—30 раз.

Макроанализ дает возможность выявлять раковины, шлаковые включения, нарушение сплошности металла, трещины и другие дефекты строения сплава, химическую и структурную неоднородность.

Микроскопический анализ металлов заключается в исследовании их структуры с помощью оптического или электронного микроскопов, на специально подготовленных образцах. Методами микроанализа определяют форму и размеры кристаллических зерен, обнаруживают изменения внутреннего строения сплава под влиянием термической обработки или механического воздействия на сплав, микротрещины и многое другое.

Так как все металлы непрозрачны, то их строение можно исследовать на изломах или специально подготовленных шлифах.

Исследование строения методом фактографии по изломам часто применяют при анализе причин разрушения деталей машин, аппаратов и элементов стальных конструкций.

Макроструктурный метод используется также для ориентировочного определения глубины закаленной зоны инструментальных сталей, глубины цементованного слоя и т. д.

Изучение макроструктуры металла обычно проводят на специально подготовленных шлифах. В этом случае деталь или изделие разрезают. Поверхность, которую необходимо исследовать, тщательно обрабатывают под плоскость на металлорежущем станке.

Если деталь разрезали при помощи газовой горелки, то необходимо снимать весь слой металла, в котором произошло изменение структуры в результате нагрева пламенем горелки. Обычно глубина этого слоя для сталей, применяемых в котло- и турбиностроении, не превышает 10—12 мм.

Затем поверхность следует отшлифовать на плоско-шлифовальном станке и наждачной бумагой. Для выявления структуры металла его необходимо подвергнуть травлению. В процессе травления кристаллы растворяются с различной скоростью, так как они по-разному ориентированы относительно исследуемой поверхности.

Свойства же кристаллов, в том числе и растворимость в химических реактивах, разные в разных направлениях. Границы между кристаллами содержат повышенный процент примесей, поэтому они растворяются быстрее кристаллов. Иногда травлением получают различную окраску структурных составляющих сплава.

Поэтому в результате травления можно получить четкую картину кристаллического строения металла.

Травитель сильнее разъедает трещины, закатанные плены, пористые участки и слабее — основной металл.

В теплотехнике принято исследовать макроструктуру сварных соединений паропроводов, по которым транспортируется перегретый пар с температурой выше 450° С независимо от давления и трубопроводов, по которым транспортируется вода или насыщенный пар при температуре свыше 120° С и давлении более 8 Мн/м2 (80 am). Контроль макроструктуры сварных соединений обязателен также для остальных элементов парового котла, работающих при температуре стенки свыше 450° С и независимо от температуры стенки при давлении свыше 4 Мн/м2 (40 am).

В процессе металлографического исследования выявляют макро- и микроскопические дефекты сварного шва: непровары, трещины, поры, шлаковые включения, а также устанавливают структуру металла.

Образец для металлографического исследования вырезают из сварного соединения- поперек оси шва. Образец должен включать в себя как шов, так и зону термического влияния.

Трещины в основном металле шва, несварившиеся слои, крупные шлаковые включения, непровар сверх нормы не допускаются. Непровар не должен превышать при односторонней сварке без подкладного кольца 15% толщины стенки; если толщина стенки превышает 20 мм — не более 3 мм.

Допускаются видимые невооруженным глазом мелкие поры и шлаковые включения в количестве не более пяти штук на 1 см2 площади поперечного сечения шва. Максимальный линейный размер отдельного дефекта по наибольшей протяженности не должен быть более 1,5 мм, а сумма максимальных линейных размеров всех дефектов — не более 3 мм.

Микроскопический анализ строения металлов и сварных соединений позволяет наблюдать непосредственно их строение при увеличении до 2000 раз. Обычно пользуются увеличением от 100 до 800 раз.

Изучение структуры металла проводят при помощи микроскопа в отраженном свете. Образец металла тщательно обрабатывают под плоскость на металлорежущем станке, шлифуют и полируют. После такой подготовки он отражает лучи как зеркало.

На нетравленом шлифе видны трещинки, поры, неметаллические включения. Чтобы выявить границы зерен и отдельные структурные составляющие, шлиф травят.

Для травления микроструктуры стали и сварных соединений часто применяют 3—5%-ный раствор азотной кислоты в спирте.

Исследования и фотографирование микроструктуры проводят с помощью специального стационарного металлографического микроскопа. На фото 1, а показан микроскоп Neophot 2 представляющий собой, инвертированный фотомикроскоп отраженного света, предназначенного для металлографической микроскопии. С компьютеризированной системой воспроизведения результатов.

На тепловых электростанциях необходимо проводить контроль за структурой металла паропроводов как в исходном состоянии, так и после различных сроков эксплуатации. Такой контроль осуществляют по образцам, вырезанным из паропровода, при помощи переносных микроскопов, устанавливаемых непосредственно на паропроводе, а также при помощи оттисков.

В случае использования двух последних способов отпадает необходимость в вырезке для металлографических исследований образцов из паропровода. Подготавливается шлиф непосредственно на трубе (на объекте исследования).

Окалина и поверхностный обезуглероженный при термической обработке слой металла глубиной 0,5—1 мм снимаются при помощи переносного наждачного круга, который приводится во вращение от пневматического или электрического привода.

Подготовка микрошлифа: обработка поверхности проводится последовательно тремя кругами: крупнозернистым электрокорундовым, мелкозернистым электрокорундовым с вулканитовой связкой и войлочным или фетровым, покрытым пастой ГОИ на половине круга по ширине.

Если отсутствует мелкозернистый круг, то тонкую шлифовку проводят при помощи шкурки вручную. При переходе от одного круга на другой направление обработки меняется на 90°. При этом легче выводятся риски от предыдущего круга.

При полировке пастой ГОИ ее остатки снимаются чистой половиной войлочного или фетрового круга.

Подготовленная поверхность шлифа обезжиривается ватным тампоном, смоченным этиловым спиртом.

Травление проводят чаще всего 4%-ным раствором азотной кислоты в спирте. Для лучшего выявления микроструктуры процесс полировки и травления обычно повторяют несколько раз.

Подготовленный таким образом шлиф можно изучать либо непосредственно на объекте при помощи переносного оптического микроскопа, либо, сняв слепок со шлифа и исследуя уже его при помощи стационарного микроскопа, в лаборатории.

Имеется переносной металлографический микроскоп типа ММУ-3У (фото 2), позволяющий проводить исследования микроструктуры при увеличении до 400 раз.

Для снятия слепков со структуры чаще всего используют полистирол. Его размягчают при помощи бензола, в котором он легко растворяется. На кусочек полистирола в виде кубика со стороной 10—20 мм или цилиндра такого же диаметра и высоты кисточкой наносят бензол.

Им смачивают только ту грань или торец, которые в дальнейшем прижмут к предварительно подготовленному шлифу. Между моментом нанесения бензола и прижатием кусочка полистирола должно пройти 3—5 секунд. За это время полистирол успеет размягчиться.

Далее кусочек полистирола плотно прижимают к шлифу и выдерживают в течение 5— 10 сек при помощи миниатюрного ручного пресса или рукой. Затем он прилипает к шлифу. Его оставляют в таком положении на 1,5— 2 ч. За это время полистирол затвердевает, а кусочек легко отделяется рукой.

Оттиск должен просохнуть и окончательно затвердеть, после чего его помещают на металлографический микроскоп. Методика исследования оттиска на металлографическом микроскопе ничем не отличается от методики исследования обычного шлифа. Для исследования оттисков удобно использовать косое освещение.

При исследовании причин разрушения различных деталей в процессе эксплуатации образцы для анализа вырезают вблизи места разрушения и в отдалении от него, чтобы можно было определить наличие каких-либо отклонений в строении металла. Кроме того, изучают структуру в продольном и поперечном направлениях.

1. Результаты макроисследования

(на примере наплавки дистанционное кольцо нижнего отвода реактора, установки каталитического реформинга).

При макроисследовании в наплавке дистанционного кольца выявлена магистральная трещина глубиной ~ 11мм рис.1, 2. Раскрытие трещины до 0,19мм. Характер растрескивания трещины показан на рис.3. Края трещины острые, рваные, что свидетельствует о динамике ее развития.

Трещина в металле наплавки распространяется по всему периметру кольца. Длина трещины ~2160мм. Из наплавки трещина переходит в основной металл, см. рис. 4.

При определенном насыщении водородом аустенитные коррозионные стали, в нашем случае наплавка, подвержены водородному охрупчиванию, что объясняет процесс трещинообразования в металле наплавки.

https://www.youtube.com/watch?v=M5D64EQi5ig

Излом ударных образцов хрупкий, кристаллический. Согласно «Шкалы изломов» доля хрупкой составляющей в образцах – 100%, сам излом представляет собой однородную поверхность хрупкого разрушения с мелкокристаллическим строением без признаков макропластической деформации см. рис.5.

Рис.1.  Растрескивание в наплавке дистанционного кольца. Увеличено в 3 раза.

Рис. 2. Характер трещины в наплавке.

Рис. 3.Внешний вид излома ударного образца.

2. Результаты микроисследования

Характер микроструктуры по линии сплавления основной металл кольца – наплавка показан на рис. 8. Микроструктура основного металла кольца, см. рис. 5а отпущенный бейнит + феррит. Линия сплавления сформирована нормально, см. рис. 5б. В металле наплавки выявлены микротрещины см. рис.8в. Структура металла наплавки аустенитная, литая, см. рис. 5г.

Микроструктура металла дистанционного кольца по сечению, см. рис.6а, 6б отпущенный бейнит+феррит. Различий в структурах наружной и внутренней поверхности кольца не выявлено. Обезуглероживания либо науглероживания в основном металле дистанционного кольца не выявлено. Межкристаллитной коррозии (МКК) в основном металле кольца и наплавке не выявлено.

Рис. 4. Микроструктура ОМ – наплавка

Рис. 5.Микроструктура ОМ по сечению

Источник: http://www.tuev-dieks.com/services/technical-diagnosis/methods-of-survey/metallograficheskie-issledovaniya-metalla/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.