Металлы и сплавы (стр. 6 из 24)
Без предварительного травления могут быть выявлены дефекты или особенности структуры: поверхностные - трещины, шлаковые раковины, плены; внутренние - газовые пузыри, усадочные раковины, крупные непровары в сварных соединениях, а также определены вид, характер и предварительные причины изломов.
Для анализа изломов необходимо знать их типы и характеристику.
Вязкое разрушение имеет матовый оттенок без ярко выраженного металлического блеска (рис. 3.1). Образец или деталь перед разрушением приобретает значительную местную пластическую деформацию, сопровождающуюся образованием шейки.
При больших увеличениях в электронном микроскопе в изломе видны сферические ячейки, представляющие собой локальные очаги разрушения с удлинением перемычек вокруг них. Микроструктура такого разрушения называется чашечной.
Рис. 3.1. Вязкое разрушение
Чисто вязкие разрушения встречаются довольно редко (в свинце, тантале). Цилиндрические образцы в месте образования шейки имеют, как правило, зону отрыва в центральной части и зону скольжения в виде чаши в периферийной части. Материал с вязким разрушением обеспечивает большую надежность конструкции. При разрушении вязкого материала требуется затрата значительной работы. В местах концентрации напряжений в результате локальной микродеформации материал упрочняется и разрушение предотвращается или оно происходит при более высоких напряжениях.
Хрупкое разрушение характеризуется малой работой разрушения, затрачиваемой только на упругую деформацию (рис. 3.2). Теоретически такого рода разрушения могут происходить при напряжениях, значительно больших пределов текучести (для идеальных кристаллов, не содержащих концентраторов напряжений). В реальных условиях при наличии в металлах дефектов кристаллического строения, концентраторов напряжений, неблагоприятного сочетания температурно-скоростных факторов нагружения хрупкие разрушения могут наблюдаться при напряжениях, равных 0,7 ss (предела текучести), а иногда и при 0,4…0,5 ss . Хрупкие разрушения происходят без заметной пластической деформации путем отрыва или скола.
Поверхность излома ориентирована перпендикулярно максимальным растягивающим напряжениям. Излом имеет кристаллический характер и металлический блеск. Разрушение может происходить по телу зерен (транскристаллический излом) или по границам зерен (межкристаллический излом). При больших увеличениях в электронном микроскопе хрупкие разрушения имеют «ручьистое» строение поверхности излома. Они часто являются причиной аварий крупных судов, мостов и других конструкций и сооружений.
Рис. 3.2. Хрупкое разрушение
Квазихрупкие разрушения характеризуются отсутствием шейки и наличием равномерной деформации. Они наблюдаются во всех литейных алюминиевых и магниевых сплавах, в деформированных сталях и других сплавах.
Усталостное разрушение является причиной около 30…90% всех авиационных аварий (рис. 3.3). Оно развивается под действием растягивающих напряжений при знакопеременных нагрузках.
Рис. 3.3. Усталостное разрушение
Излом имеет две зоны. Первая зона – зарождение и постепенное распространение трещины с гладкими притертыми стенками, причем разрушение начинается от ярко выраженного фокуса. Вторая зона – окончательное хрупкое разрушение. Поверхность излома имеет кристаллическую шероховатую структуру. Так как усталостные разрушения наблюдаются в плоскости, нормальной к приложенным нагрузкам, то все причины, способствующие образованию или увеличению дефектов на поверхности (низкая чистота поверхности, наличие концентраторов напряжений, трение, монотонный или циклический нагрев), вызывают снижение усталостной прочности.
Усталостную прочность повышают:
а) термическая обработка сплавов, создающая более однородную дисперсную структуру с благоприятным распределением микронапряжений;
б) обдувка дробью или обкатка роликом, создающие напряжения сжатия в поверхностном слое;
в) азотирование, также создающее в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия;
г) другие факторы.
Исследование макроструктуры сплавов с применением травления
Для исследования применяют поверхностное и глубокое травление. Поверхностное травление не создает рельефа и сопровождается окрашиванием отдельных зон с различной интенсивностью. Его применяют для исследования макрошлифов, в которых наблюдается резкая разнородность в химическом составе или структуре (сварка, химико-термическая обработка и др.). Температура травления – комнатная, время – 10–100 с, реактивы –относительно слабые (для сталей – 5%-ный раствор HNO3, CuCl2, для алюминиевых сплавов – 10%-ный раствор NaOH).
Глубокое травление, создающее на поверхности микрорельеф, применяется для деталей и макрошлифов с однородной структурой (литье, кованые детали). Время травления – до двух часов, температура травления – 80…100°С, реактивы – концентрированные.
Поверхностным травлением макрошлифов выявляют:
– химическую неоднородность на сечениях сварных швов; на сечениях деталей, поверхностный слой которых подвергнут диффузионному насыщению различными элементами: углеродом (цементация), азотом (азотирование), кремнием (силицирование), алюминием (алитирование), бором (борирование) и др.;
– структурную неоднородность (на макрошлифах, имеющих сварные швы, поверхностную закалку и др.);
– величину зерна макроструктуры (в тех случаях, когда зерно очень крупное и может быть рассмотрено невооруженным глазом, например, при неоднородной пластической деформации и последующей рекристаллизации алюминиевых и некоторых других сплавов);
– газовую пористость слитков или литых деталей.
Глубоким травлением макрошлифов выявляют:
– структуру слитков и кованых деталей (размер и направление дендритных (древовидных) первичных кристаллов и др.);
– волокнистость в строении металлов и сплавов, которая чаще всего появляется в результате вытяжки (раскатки) примесей и неметаллических включений. По характеру волокнистости можно определить способ производства детали.
Выполняя отпечаток на фотобумаге по методу Баумана, можно установить распределение серы в сталях. С помощью этого метода можно сделать качественный анализ распределения серы и определить, где располагается место скопления серы и каково относительное количество серы (много, мало). Его применяют для контроля технологического процесса производства полуфабрикатов и выборочного контроля качества готовых деталей.
Задание и методические рекомендации
1. Ознакомиться с описанием лабораторной работы и согласно разработанной форме записать в журнал-отчет основные положения.
2. Изучить виды изломов. Пользуясь комплектом изломов, плакатами и фотографиями, ознакомиться с различными изломами, дать их характеристику и зарисовать.
3. Определить структурную или химическую неоднородность в цементированных деталях или в деталях с поверхностной закалкой.
Макрошлиф зачищают на наждачной шкурке, протирают сухой ветошью и опускают в реактив или протравливают ваткой с помощью пинцета в течение 10-20 с. Чаще всего применяют такие реактивы: 5%-ный раствор HNO3 или 10%-ный раствор персульфата аммония (NH4)2S2O8. После травления, пока шлифы мокрые, запомнить и сразу же зарисовать структуру. Указать в отчете название детали, марку стали, толщину и природу слоя, режим травления и реактив. Дать заключение о качестве детали.
Если необходимо сохранить результаты анализа детали, ее промывают, быстро просушивают и покрывают лаком.
4. Изучить структуру и качество сварных соединений.
Макрошлиф зачистить и протравить 5%-ным раствором HNO3 или реактивом, состоящим из смеси CuCl2 и NH4Cl. Медь, восстановленная железом, покрывает поверхность шлифа. В тех местах, где медное покрытие имеет меньшую плотность или несплошность (рыхлоты, микротрещины, газовые пузыри), хлористый аммоний лучше проникает в поверхностный слой макрошлифа и интенсивнее протравливает зоны дефектов. Шлиф промыть ватным тампоном, сделать вывод о виде и качестве сварного соединения.
В отчете следует зарисовать внешний вид протравленного макрошлифа, описать тип сварного соединения по способу разделки кромок (V- , Х-, )
Т-образные, сварка встык и др.), записать размеры зоны термического влияния (если она обнаружена), дать заключение о качестве сварного соединения.
5. Выявить разнозернистость структуры сплавов после горячей обработки давлением с неоднородной деформацией.
Приготовить макрошлиф, протравить реактивом для поверхностного травления, зарисовать эскиз детали с разнозернистой структурой, указать размеры зоны макрошлифа с крупным зерном и максимальный размер зерен, дать заключение о качестве детали. Как правило, разнозернистость выявляется в алюминиевых сплавах.
6. Установить волокнистость строения в деталях, полученных штамповкой или изготовленных механической обработкой. Подготовить макрошлиф, протравить (стали – 10%-ным раствором (NH4)2S2O8, алюминиевые сплавы - 10%-ным раствором NaOH в воде), нарисовать схему распределения волокон, записать название детали. Дать заключение о способе производства и качестве детали (качество детали считается неудовлетворительным, если волокно подходит близко к поверхности или выходит на нее, а также, если волокно слишком ярко выражено).
7. Определить наличие и распределение серы в стальной детали.
Зачистить, протереть (промыть) и установить макрошлиф на фотобумагу, смоченную предварительно 5%-ным раствором серной кислоты. Держать в прижатом положении 2–3 мин. Между материалом макрошлифа, серной кислотой и фотобумагой протекают следующие реакции: