КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ. Властивості металів і сплавів визначаються їхнім структурним станом, який залежить від хімічного складу і попереднього оброблення їх

Властивості металів і сплавів визначаються їхнім структурним станом, який залежить від хімічного складу і попереднього оброблення їх. Для вивчення структури металів і сплавів використовують різні методи, найпоширенішими з яких є металографічний (макроструктурний, мікроструктурний), рентгеноструктурний, дилатометричний, термічний, електроопору, внутрішнього тертя та ін.

Макроструктурою називають будову металу, яку видно неозброєним оком або при невеликому збільшенні (до 10–30 крат) за допомогою лупи. При макроаналізі можна одночасно спостерігати велику поверхню заготовки. Це дає уяву про загальну будову металу, дозволяє в багатьох випадках робити висновки про якість металу та визначати умови попередньої обробки, тобто, умови твердіння, характер і якість обробки, що застосовувалися для надання деталі остаточної форми та властивостей (литво, обробка тиском, зварювання), дендритну будову, усадкову крихкість, раковини, тріщини, шлакові вкраплення, ліквацію сірки, фосфору і вуглецю, структурну неоднорідність, волокнистість структури, глибину зміцненого шару, зернистість структури тощо. Існують два основних методи виявлення макроструктури металу: зламу та протравлювання.

Метод зламу. По вигляду свіжого зламу можна судити про величину зерна металу, а також про наявність різних дефектів: раковин, тріщин, неметалевих включень. Вид зламу буває кристалічним (зернистим) або волокнистим.

За методом зламів вивчають зломи зразків, деталей, визначаючи характер злому (динамічний, втомний), розмір зерен, внутрішні дефекти (пори, тріщини), дендритну будову, структурну неоднорідність тощо (рис. 1).

У металах і сплавах залежно від їх попереднього оброблення злами бувають кристалічні (зернисті) (рис. 1, а, б) або волокнисті (рис. 2). Кристалічні злами виникають у крихких сплавах і руйнування відбувається по межах зерен (міжкристалічний, див. рис. 1, а) або через зерна (транскристалічний, див. рис. 1, б).

Рис. 1. Характер зламу: а – міжкристалічний крихкий; б – транскристалічний в'язкий

Коли руйнування відбувається в процесі дії циклічних навантажень, то виникають втомні зломи (рис. 3).

Рис. 2. Волокниста будова макроструктури поковки півосі автомобіля

Методом макрошліфа структуру вивчають на темплеті після його шліфування і протравлення спеціальним реактивом. Цим методом виявляють волокнистість, ліквацію сірки, фосфору і вуглецю, дефекти зварних швів, усадкові та інші раковини, тріщини, глибину зміцненого шару тощо.

Рис. 3. Макроструктура злому від втомленості: a – зародження тріщини на поверхні; б – зародження тріщини в перехідній зоні

Метод протравлювання. Для визначення макроструктури методом протравлювання необхідно підготувати спеціальний зразок – макрошліф, що вирізається з досліджуваної деталі. Зразок після вирізання заторцьовується на точилі, шліфується наждачним папером і протравлюється. Замість протравлювачів використовують спиртові або водні розчини кислот, солей та лугів. Методом протравлювання можна виявити порушення суцільності металу: усадкові та газові раковини, тріщини, дефекти зварювання, дендритну будову, неоднорідність будови, що викликана обробкою тиском і т.д.

Послідовність виконання роботи:

1. Перед практичним виконанням роботи під керівництвом викладача ознайомитися зі стендами, зразками, деталями, темплетами, хімічними реактивами в лабораторії кафедри. Викладач демонструє способи виготовлення макрошліфів, їх травлення відповідними реактивами (дод. 2), звертаючи увагу на те, що зразок для макроаналізу вирізається у відповідних площинах заготовки або деталі.

Це залежить від того, що досліджується – відливок, поковка, штамповка, зварний шов, термічно зміцнена деталь тощо.

2. Поверхні, що вивчаються, піддати ручному шліфуванню (шліфувальною шкуркою).

Виявлення неоднорідності (ліквації) сірки. Для виявлення в сталевих і чавунних виробах ліквації сірки використовують метод Баумана, який полягає в тому, що на підготовлений макрошліф емульсійним боком прикладають лист глянцевого бромосрібного фотографічного паперу, попередньо змоченого у 5-ти процентному водному розчині сульфатної кислоти. Пригладжуючи зверху папір рукою, видаляють залишки повітря між папером і поверхнею макрошліфа. Через 3 хв фотопапір знімають із макрошліфа, промивають у воді й переносять у ванночку з 25-ти процентним водним розчином гіпосульфіту. Через 10–15 хв фотопапір промивають водою і сушать.

Отримані на фотопапері ділянки коричневого кольору (рис. 4) позначають місця, збагачені сіркою (скупчення сульфідів FeS, MnS). Бромисте срібло утворюється в процесі реакцій (1), (2) і (3), які відбуваються під час взаємодії сульфідів із сульфатною кислотою, що є на змоченому папері:

MnS + H₂SO₄ = H₂S + MnSO₄; (1)

FeS + H₂SO₄ = H₂S + FeSO₄. (2)

Утворений сірководень (H₂S) діє на бромисте срібло емульсійного шару паперу, в результаті чого утворюється сірчисте срібло, що має темно-коричневий колір (див. рис. 4):

2AgBr + H₂S = Ag₂S + 2HBr. (3)

Отриманий фотовідбиток прикладають до звіту, описавши характер розподілення сірки. Приклад виявлення ліквації сірки наведено на рис. 4 для темплета рейки.

Рис. 4. Ліквація сірки в сталевій рейці

Наявність у сталі сульфідів заліза негативно впливає на її властивості. Це пояснюється тим, що легкоплавка евтектика заліза з сірчистим залізом (Fe + FeS) розміщується на межах зерен і плавиться за температури 985...988 °С. При гарячому обробленні тиском таких сталей за температур понад 1000 °С евтектика швидко плавиться, розділяючи зерна, що призводить до виникнення тріщин, надривів. Таке явище називають червоноламкістю і воно підсилюється за нерівномірного розподілення (ліквації) сірки.

Рис. 5. Виявлення глибини гартування різального сегмента

Виявлення прогартованості сталевої деталі. Для прикладу розглянемо виявлення прогартованості сегмента різального апарата косарки або комбайна.

На поверхню макрошліфа сегмента ватним тампоном рівномірно наносять 5–10-и процентний розчин сульфатної кислоти у воді. Після витримування 1–2 хв поверхня, що піддавалася гартуванню струмами високої частоти, матиме темніше забарвлення порівняно з усією поверхнею сегмента (рис. 5).