Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

Задачи

Л? /. Выполнить макроанализ образцов (макрошлифы

двух

ва-

ликов *) и определить, какой из валиков был изготовлен из стали

более высокого качества (с меньшим содержанием серы и фосфора).

Зарисовать макростроение стали, обнаруженное в образцах,

описать способы макроанализа, использованные при решении за-

дачи. Объяснить, почему макроанализ позволяет определить сте-

пень

чистоты стали.

№

2. Образцы углеродистой стали вырезаны из катаной штанги,

причем один — по длине штанги (в продольном направлении),

другой

— по

диаметру

штанги (в поперечном направлении).

Зарисовать макростроение исследованных образцов.

Определить, какой из образцов вырезан в продольном направле-

нии,

и объяснить, почему макроанализ позволяет решить этот во-

прос.

№

3. Выполнить макроанализ

двух

стальных болтов, изготовлен-

ных из проката неодинаковыми способами.

Определить: а) какой

болт

изготовлен штамповкой и какой ре-

занием;

б) какой из них имеет более однородные механические свой-

ства

(ударную

вязкость) в продольном и поперечном направлениях;

в) почему макроанализ позволяет решить эти вопросы.

№

4. Трубопровод на заводе изготовлен сваркой

труб.

Указать

качество сварного шва в образцах, взятых из

двух

проверявшихся

участков, и зарисовать обнаруженное макростроение.

Объяснить, почему макроанализ позволяет решить этот вопрос,

описать способы макроанализа, использованные для решения за-

дачи.

№

5. Провести макроанализ

двух

образцов и на основании полу-

ченных данных определить, какой из них изготовлен сваркой

двух

полос стали и какой вырезан из стальной заготовки.

Зарисовать макростроение образцоз.

Описать способы макроанализа, использованные при решении

задачи, и объяснить, почему применение их позволяет установить

способ изготовления образцов.

№

6. Определить макростроение

двух

зубчатых

колес и на осно-

вании

данных анализа объяснить, какое из них более пригодно

для работы при значительных динамических нагрузках.

Зарисовать макростроение и объяснить, на чем основаны спо-

собы макроанализа, позволившие определить макростроение стали

готовых

деталях.

№

7. Провести макроанализ сварного соединения стали и опре-

делить, какие зоны этого соединения — из электрода или основного

металла являются более качественными.

Зарисовать макростроение стали в исследованном образце и

объяснить, какой способ макроанализа

следует

применять для ре-

шения

поставленной задачи.

В задачах №

—19 указаны детали, удобные для

выполнения

макроанализа.

Можно

подобрать и другие детали.

№

8. Выполнить макроанализ

двух

образцов стали и определить,

какой

из них изготовлен из сплошной заготовки и какой представ-

ляет сварное соединение.

Зарисовать макростроение стали в образцах.

Указать способы изготовления каждой детали и качество сварки.

№

9. В технике применяют различные способы получения свар-

ных соединений (сварных швов). Определить типы швов

двух

свар-

ных заготовок.

Зарисовать обнаруженное макростроение, описать использован-

ные способы макроанализа и объяснить, почему они позволяют сде-

лать данное определение.

№

10. Характеризовать тип сварного шва и качество сварки

двух

сварных соединений.

Зарисовать макростроение стали исследованных образцов.

Объяснить, какие способы макроанализа надо применять для

решения этой задачи и почему они позволяют характеризовать

качество стали, способ изготовления деталей и качество сварки.

№

11. Провести макроанализ

двух

образцов, вырезанных из

стальных деталей, и зарисовать макростроение.

Определить, какая

деталь

была изготовлена из литой стали и

какая

из катаной.

Объяснить, почему макроанализ позволяет характеризовать

строение металла и способ изготовления деталей.

№

12. Исследовать макрошлифы

двух

зубчатых

колес, изготов-

ленных из латуни, и зарисовать обнаруженное макростроение.

Определить, какое

зубчатое

колесо было изготовлено из отливки

какое из катаной латуни.

Объяснить, какие способы макроанализа надо применять для

медных сплавов.

№

13. Провести макроанализ

двух

втулок, изготовленных из

оловянной

бронзы, и зарисовать макростроение.

Определить, какая

втулка

изготовлена литьем и какая из прес-

сованного прутка бронзы.

Указать способ макроанализа, необходимый для решения этой

задачи.

№

14. Выполнить макроанализ

двух

отливок из алюминиевого

сплава (силумина): одной — отлитой в землю,

другой

— отлитой

в кокиль.

Объяснить по данным исследования характерные особенности

первичной кристаллизации, протекавшей в каждой отливке, и объяс-

нить различие в их строении.

Указать реактив, необходимый для решения этой задачи.

№

15. Выполнить макроанализ

двух

отливок из алюминиевого

сплава (силумина), отлитых в кокиль при разных

температурах

жидкого металла (разница

температур

100—200°

С).

Описать особенности первичной кристаллизации в отливке и

объяснить влияние температуры жидкого металла на макрострое-

ние

сплава.

№

16. Выполнить макроанализ

двух

деталей из алюминиевых

сплавов.

Определить, какая деталь была изготовлена литьем и какая

ковкой

(штамповкой).

Указать способ макроанализа, использованный в задаче.

л АВ A in

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДАМИ

МИКРОАНАЛИЗА

ХАРАКТЕРИСТИКА

МИКРОАНАЛИЗА

Микроскопический

анализ заключается

исследовании струк-

туры материалов

при

больших увеличениях

помощью микроскопа.

Наблюдаемая структура называется микроструктурой.

В зависимости

от

требуемого увеличения

для

четкого наблюдения

всех присутствующих

фаз, их

количества, формы

распределения,

т.

е.

структуры

целом,

микроскопах используют:

1. Белый свет

обычные оптические системы, меняющиеся

ком-

бинацией

стеклянных линз

призм (оптическая микро-

скопия).

2. Электронные лучи

или

точнее поток электронов,

для

созда-

ния

оптических систем,

для

которых необходимо применять элек-

тромагнитные

или

электростатические линзы (электронная

микроскопия).

Применение

различного излучения

поэтому различных

кон-

струкций микроскопов

—

оптических

электронных

—

требует

раз-

личной специальной подготовки объектов

особых методов

рас-

шифровки

наблюдаемых изображений.

МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

Исследование структуры методом оптической микроскопии, пред-

ложенное П. П. Аносовым в 1831 г., широко используется для изу-

чения

строения металлов и для технического контроля их качества

промышленности.

Это объясняется тем, что между структурой металла, видимой

оптическом микроскопе (при использовании белого света), и мно-

гими его свойствами существует, как указывалось в гл. I, доста-

точно определенная, хотя и качественная связь. Микроанализ поз-

воляет во многих случаях объяснить причины изменения свойств

сплавов в зависимости от изменения химического состава и условий

обработки.

Применение

белого света позволяет наблюдать структуру ме-

талла при общем увеличении от нескольких десятков до

2000—

3000

раз. Однако полезное увеличение, определяемое условиями

дифракции

света, как

будет

показано, не может быть выше 1500 раз.

При

таком увеличении можно обнаружить элементы структуры раз-

мером не менее 0,2 мкм, что в большинстве случаев достаточно для

определения размеров многих фаз, присутствующих в сплавах. Это

позволяет успешно применять метод оптической микроскопии для

наблюдения структуры многих металлических сплавов.

Выбор увеличения в пределах, допускаемых оптическим микро-

скопом,

решается в зависимости от структуры сплавов. В одних

случаях нет необходимости (и

даже

нецелесообразно) применять

большие увеличения; для

других

сплавов изучение структуры при

большом увеличении является необходимым.

Рис. 6.

Макроструктура

однофазной

латуни

после

прокатки

отжига.

X 150

На

рис. 6 показана микроструктура однофазной латуни после

прокатки

и отжига при увеличении в 150 раз. Рассмотрение струк-

туры

этой же латуни при значительно большем увеличении, напри-

мер в 1500 раз, не показывает новых характерных особенностей,

но

вместе с тем представление об общем кристаллическом ее строе-

нии

может оказаться менее отчетливым, так как в поле зрения не

будет

находиться достаточного числа зерен, а только одно зерно,

а при еще большем увеличении

даже

часть зерна.

На

рис. 7 показана микроструктура шарикоподшипниковой

стали после окончательной термической обработки, т. е. в состоя-

нии,

в котором эта сталь имеет высокую твердость и износоустойчи-

вость, необходимую для готовых шарико- или роликоподшипников.

На

рис. 7, айв микроструктура дана при увеличении в 100 раз,

на

рис. 7, б и г — в 500 раз. В обоих случаях микроанализ показы-

вает, что сталь состоит из

двух

фаз: основной темной составляющей

(мартенсит),

которая обладает высокой твердостью, и белой состав-

ляющей карбиды) еще более твердой и дополнительно упрочняю-

щей

основную массу. Шарико- или роликоподшипники обладают

значительно более высокими эксплуатационными свойствами, если

сталь имеет мелкие карбиды, равномерно распределенные в основ-

ной

металлической массе (мартенсите), и, наоборот, меньшей стой-

костью в работе, если крупные карбиды сосредоточены в отдельных

участках стали. Микроанализ позволяет отчетливо установить рас-

пределение карбидов. Однако просмотр структуры при увеличении

Рис. 7. Микроструктура хромистой шарикоподшипниковой стали (1% С, 1,5% Сг):

а — сталь с незначительной карбидной неоднородностью, X 100; б — то же,

Х500;

в — сталь

со значительной карбидной неоднородностью, X 100; г — то же, X 500

100 раз

дает

более отчетливое представление о характере распре-

деления карбидов (карбидной полосчатости), в то время как увели-

чение в 500 раз ясно обнаруживает размеры и форму отдельных

карбидов.

Иногда

необходимо получить определенное представление о строе-

нии

металлической основы стали — в данном

случае

мартенсита.

Установлено, что если

структура

металлической основы

будет

пред-

ставлена мелкими кристаллами мартенсита, то механические свой-

ства шарикоподшипниковой стали

будут

выше, чем в случае, когда

кристаллы мартенсита

будут

крупными. Однако ни мелкокристал-

лический,

ни крупнокристаллический мартенсит выявить невоз-

можно,

если наблюдение структуры проводят при малом увеличении

(100—200

раз). Для того чтобы определить в

структуре

стали при-

сутствие мелко- или крупнокристаллического мартенсита, необхо-

&ЗД?

ПНИ

Рис. 8.

Микроструктура

закаленной

хромистой

шарикоподшипниковой

стали

(1%

С и 1,5% О):

- Х100; 6 — X 1000

димы большие увеличения (до 1000 раз и больше), так как размер

кристаллов весьма невелик. Результаты изучения микроструктуры

шарикоподшипниковой

стали, получаемые при больших увеличе-

ниях,

показаны на рис. 8,а и б.

Как

правило, микроанализ проводят сначала при небольшом

увеличении, а затем в зависимости от строения обнаруживаемой

структуры и целей исследования — при больших увеличениях,

просматривая в каждом

случае

ряд участков шлифа.

Определение

фазового

состава

структуры

сплавов

условиях

равновесия

Чистые металлы и однофазные сплавы (твердые растворы) имеют

литом состоянии характерную дендритную

структуру,

а после

пластической деформации и отжига, приводящего металл в равновес-

ное

состояние,

структура

состоит из сравнительно одинаковых по

форме зерен (равноосных полиэдров). На рис. 9 показана микро-

структура

меди, а на рис. 6 — однофазной латуни после литья,

обработки давлением и отжига.

Применяя

глубокое травление,

этих

структурах

можно

выя-

вить

так

называемые фигуры травления

—

геометрически правиль-

ные углубления

или

выступы, ограниченные определенными

кри-

сталлографическими плоскостями. Измеряя

углы

между

гранями

или определяя направления ребер

на

фигурах травления, можно

установить ориентировку каждого кристаллита

и,

следовательно,

ориентировку всей совокупности кристаллитов. Наконец,

на

одно-

фазных сплавах можно выявить дислокации, представляющие собой

особый

вид

линейных дефектов кристалла.

Они

выявляются

по

специальным фигурам травления—группировкам пятен травления.

Эти пятна связаны

более силь-

ной

травимостью металла

обла-

сти выхода скопления дислокаций

на

поверхность,

также

со ско-

плением примесей

на

дислокациях.

Для выявления пятен травления

применяют различные реактивы,

зависящие

от

природы металла

требующие особенно тщательной

подготовки поверхности микро-

шлифа, исключающей механиче-

ское воздействие.

По

расположе-

нию пятен травления можно опре-

делить особенности тонкого строе-

ния

кристалла

—

размеры блоков

степень

их

дезориентации.

По

числу пятен травления можно

в ряде случаев вычислить плот-

ность дислокаций

Многофазные,

в том

числе двухфазные, сплавы имеют

более сложную

структуру,

состоящую

из

различного сочетания

фаз,

например

виде эвтектики, эвтектоида

и др.

На

рис. 10

показана

структура,

типичная

для

эвтектики,

в дан-

ном

случае

системы

Си—Си

(рис. 11). Для

сравнения

на рис. 12

приведена

структура

эвтектоида железоуглеродистых сплавов.

Обе

структуры имеют тонкое строение, однако эвтектоид является более

дисперсным,

так как

образуется

при

распаде твердого раствора,

когда процессы диффузии протекают более замедленно.

В многофазных сплавах,

не

соответствующих

по

химическому

составу точно эвтектической концентрации, наряду

эвтектикой

выделяется также избыточная фаза, например

сплавах, концентра-

ция

которых находится

между

точками

cud

диаграммы

(рис. 13).

При

этом

сплавах

концентрацией

между

точками

а и b

избыточ-

ная

фаза выделяется

из

жидкости,

а в

сплавах, отвечающих

по со-

ставу

заштрихованным областям диаграммы, избыточная фаза

вы-

Пятна, являющиеся следами

выхода

дислокаций, сохраняют свое положение

после повторной электрополировки.

результате

пластической деформации

или на-

грева пятна, выявляемые

на

поверхности шлифа, после переполировки должны изме-

нить свое положение.

Рис.

9. Микроструктура меди. X 100

деляется только из твердого раствора при уменьшении растзори-

мости.

Избыточная

фаза, кристаллизующаяся из жидкости, имеет

обычно форму крупных зерен или дендритов; это связано с особен-

1200

JOOO

«a 800

600

200

—"

~~—

(жидкость)

70S'

^fi,2

0,5

18°

P+m

в,г%

a.*Cu

13,5

г Ь 6 8 10 12 /4

СодержаниеР,

Рис. 10. Микроструктура эвтектики си-

стемы

Си—Си,Р.

Х600

Рис. 11. Диаграмма состояния сплавов

Си—Си

d В

Рис. 12. Микроструктура отожжен-

ной

углеродистой стали эвтектоид-

ного состава (0,8% С).Х6ОО

Рис. 13. Диаграмма состояния сплавов из

двух

компонентов с ограниченной и умень-

шающейся с понижением температуры рас-

творимостью в твердом состоянии

ностями

рвста избыточной фазы в процессе застывания сплава в ин-

тервале температур

между

ликвидусом и солидусом (рис. 14).

Избыточные фазы, выделяющиеся из твердого раствора, имеют

разнообразную форму (рис. 15), например игольчатую, зернистую

или

весьма часто в виде оторочки (сетки) по границам зерен. Формы

выделений и свойства избыточной фазы в значительной степени

влияют на свойства всего сплава. Если, например, избыточная

Рис. 14. Заэвтектический сплав систе-

мы свинец—сурьма (20% Sb, 80% РЬ).

Крупные светлые зерна — кристаллы

избыточной фазы (сурьма), темный

фон

— эвтектика. X 100

Рис. IS. Заэвтектоидная сталь, выделение избыточного (вторичного) цементита:

а — в зернистой форме.

Х600;

б — в виде сетки по границам зерен.

Х200;

в — в виде игл.

хбоо

Рис. 16. Структура перитектики в сплаве

Sn —Sb; выделение второй фазы вокруг

первичных кристаллов, X 500

фаза

является твердой и хрупкой, то выделение ее в виде сетки

(рис.

15, в) значительно

ухудшает

пластичность и вязкость всего

сплава; равномерное распределение избыточной фазы в виде мел-

ких включений зернистой формы

основной фазе повышает проч-

ность сплава, не вызывая резкого

снижения

пластичности.

На

рис. 16 показана двухфаз-

ная

структура,

полученная в ре-

зультате

перитектической реак-

ции.

Округлые участки представ-

ляют собой фазу а, образованную

начале кристаллизации, а об-

ласть вокруг этих участкоз—фа-

зу р, полученную в

результате

перитектической реакции. Опреде-

ление структуры перитектики пред-

ставляет больше затруднений, чем

определение

других

многофазных

структур, поскольку в условиях

охлаждения сплавов, применяе-

мых на практике, перитектическая реакция, как проходящая на

поверхности раздела фаз, обычно не протекает до конца.

Тройные

и более сложные сплавы также имеют подобные формы

структурных составляющих — однофазных твердых растворов и

избыточных фаз. Несколько

иную форму имеют сплавы,

содержащие эвтектику. На-

пример,

при кристаллизации

тройного сплава, не соответ-

ствующего точно эвтектиче-

скому составу, сначала выде-

ляется избыточная фаза, за-

тем двойная эвтектика и в

последнюю очередь при

окон-

чании

застывания — тройная

эвтектика.

Двойная эвтек-

тика

в сплаве из

трех

ком-

понентов

кристаллизуется

интервале повышенных тем-

ператур, в то время как трой-

ная

эвтектика кристалли-

зуется при постоянной и бо-

лее низкой температуре. По-

этому выделения двойной эв-

тектики

более крупные и лег-

че различаются при микроанализе, чем выделения тройной эвтектики.

На

рис. 17 показана микроструктура тройного сплава системы

РЬ—Bi—Sn, соответствующего по составу линии двойных эвтектик.

Рис.

17.

Структура сплава

—Bi—Sn

двой-

ной

тройной эвтектикой

(Б. И.

Кример).

XI00