«макроанализ металлов и сплавов» методические рекомендации к выполнению практической работы

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ

«ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИМЕНИ П.А. ОВЧИННИКОВА»

«МАКРОАНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

по дисциплине ОП.04 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

специальность 23.02.03

Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта

(базовая подготовка среднего профессионального образования)

2022

Методические рекомендации по выполнению практической работы №1«Макроанализ металлов и сплавов» по дисциплине ОП.04 Материаловедение составлены в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом СПО (приказ Министерства образования и науки от 22.04.2014 №383), рабочего учебного плана ГБПОУ ПК им. П.А. Овчинникова, типовой программы учебной дисциплины, разработанной Борисовой Г.А., преподавателем ГБОУ СПО Колледж автомобильного транспорта № 9, рекомендованной Методическим советом ГБОУ ДПО (повышения квалификации) специалистов города Москвы УМЦ по профессиональному образованию Департамента образования города Москвы, протокол № 9 от 20.09.2012 г. по специальности 23.02.03. Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта базовой подготовки среднего профессионального образования с учетом технического профиля.

Методические рекомендации содержат рекомендации для обучающихся по проведению и обработке результатов практической работы. Данные методические рекомендации помогут студентам более глубоко усвоить теоретический материал. приобрести практические навыки обработки экспериментальных данных. В методических рекомендациях определены цели и задачи практической работы, описание каждой работы включает в себя необходимые для выполнения работы теоретические сведения, указания по обработке результатов и их представлению в отчете.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1.

МАКРОАНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

При исследовании металлических материалов изучают химический состав, структуру, механические, физические и другие свойства. Используя какой-либо один метод, нельзя получить полную информацию об изучаемом материале. Поэтому обычно применяют несколько методов анализа, взаимно дополняющих друг друга.

1. Структурные методы исследования металлов и сплавов

Для изучения структуры применяют:

а - макроскопический; б - микроскопический; (оптическая микро­скопия); в - электронная микроскопия; r - рентгеноструктурный; д - фрактографию в другие методы анализа.

а) Макроскопический анализ (макроанализ). Метод макроструктурного анализа заключается в изучении строения металлов к сплавам на поверхности, и внутри летали, слитка или поковки. Изучение макроструктуры часто дополняют исследованиями излома металла

б) микроскопический анализ (микроанализ). Метод оптической микроскопии — это изучение строения металлов и сплавов при помощи оптических металлографических микроскопов яри относительно больших увеличениях - обычно от 100 до 1000 раз (предел - до 2000).

При таких увеличениях можно обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.

Под микроскопом на полированном микрошлифе можно увидеть микротрещины, неметаллические включения (оксиды, сульфиды, графит в чугунах). Микроанализ позволяет установить величину, форму и ориентировку верен и характер распределения фаз.

в) Электронная микроскопия. При необходимости рассмотрения деталей структуры за пределами разрешающей способности оптических металломикроскопов применяется электронный микроскоп, в ко­тором изображение формируется при помощи потока быстролетящих электронов. Различают косвенные и прямые методы исследования структуры. Косвенные методы основаны на специальной технике при­готовления тонких слепков-пленок (реплик), отображающих рельеф травленого шлифа. Исследуя полученную реплику, можно наблюдать детали структуры, минимальный размер которых равен 20-50 А.

При прямых методах исследуют тонкие металлические фольги толщиной до 3000 А на просвет с помощью электронных микроскопов высокого разрешения до 3-5 А (микроскопы УЭМВ-1OO).

Этот метод дает возможность наблюдать различные несовершенства кристаллического строения: дислокации, дефекты упаковки, скопление вакансий и т.д.

г) Рентгеноструктурный анализ. Для изучения атомно-кристаллической структуры твердых тел широко применяют рентгенографические методы исследования, позволяющие установить связь между химическим составом вещества, его кристаллической структурой и свойствами.

Рентгеноструктурный анализ позволяет определять степень совершенства кристаллов, тип твердых растворов, определять величину микронапряжений. Он дает возможность детально изучать те структурные изменения, которые имеют место в сплавах при термической обработке, пластической деформации, определять концентрации дефектов упаковки, плотность дислокаций и т.п. Разрешающая способность установок очень велика и достигает 10^-3А. Кроме изучения структуры рентгеновские методы также применяют для выявления внутренних дефектов металла (трещин, дефектов сварки и т.п.).

д) Фрактография (изучение изломов). Изучение изломов нередко позволяет судить о причинах разрушения детали (усталостный излом, закалочные трещины, флокены). Зернистый излом характеризует хрупкое разрушение; пластичному (вязкому) разрушению соответствует волокнистый излом.

Изучая излом, можно выявить зоны, где наиболее неблагоприятно сочетались условия нагружения, что нельзя выявить другими методиками; получить сведения о том, как протекал процесс разрушения.

МАКРОАНАЛИЗ

I. Цель работы

Ознакомление с возможностями макроанализа и методикой контроля качества металлов и сплавов при помощи макроанализа.

2. Объект исследования

Макроанализом называется изучение строения металлов и сплавов (их макроструктуры) невооруженным глазом или при небольшом увеличении через лупу (до 10 раз).

Макроструктуру обычно изучают на макрошлифах, получаемых разрезкой детали на части, что позволяет наблюдать большую поверхность. Исследуемую поверхность подвергают шлифованию и травлению специальными реактивами.

В изучение макроструктуры входит также исследование изломов металла.

Макроанализ не позволяет определить всех особенностей строения металла. Поэтому часто макроанализ является не окончательным, а предварительным методом исследования. На основании макроанализа можно определить участки детали, которые следует подвергнуть дальнейшему, более подробному исследованию, напри­мер, микроанализу, электронной микроскопии и т.д.

3. Задачи макроанализа

I. Определение кристаллического строения металлов и сплавов после первичной кристаллизации

2.Макроанализ по виду излома

По виду излома можно судить о величине зерна металла, крупных дефектах материала причине и характере разрушения металла, степени однородности структуры. Анализ полученных данных дает возможность выявить качество металла.

Зерно – объем металла, состоящий из отдельных кристалликов, одинаково ориентированных в пространстве и отделенных от других от другого объема поверхностью раздела – границей зерна.

Величина зерна влияет на механические свойства металла, особенно на его сопротивление динамическим нагрузкам, на его вязкость. Чем крупнее зерно, тем хрупче металл.

Величина зерна зависит от многих факторов: химического состава сплава, условий его кристаллизации, условий последующей пластической деформации, термической обработки.

При ускоренном охлаждении жидкого металла или введении в жидкий металл специальных присадок – модификаторов сталь получается мелкозернистой.

При последующем высокотемпературном и длительном нагреве металла, зерна могут увеличиваться до значительных размеров.

Введение в сталь легирующих элементов (хром, никель, вольфрам, ванадий) уменьшают склонность стали к росту зерна.

Пластическая деформация (прокатка, ковка, штамповка), термическая обработка (отжиг, нормализация и закалка) могут вернуть сплаву мелко зернистое строение, разрушить зерно, не нарушая сплошности металла.

Хрупкий и вязкий излом.

При анализе необходимо указать произошло хрупкое или вязкое разрушение металла.

Хрупкий излом характеризуется четкими выраженными границами зерен, без видимых следов их пластической деформации. Металл, склонный к хрупкому разрушению, может разрушится под действием небольших внешних сил.

Вязкий излом характеризуется большей или меньшей степенью пластической деформации, предшествующей его разрушению. Границы отдельных зерен при этом не просматриваются.

Усталостный излом.

Характер излома, полученного в результате разрушения деталей машин, может указать, произошло ли данное разрушение мгновенно или процесс разрушения развивался постепенно, во времени.

При постепенном процессе разрушения образуется характерный излом, называемый усталостным. Процесс разрушения металла начинается у поверхности металла (зона А) и постепенно распространяется вглубь, давая сглаженную поверхность в местах зарождения трещин (т.к. происходит трение двух поверхностей образовавшейся микротрещины). Когда сечение детали значительно ослабевает, происходит мгновенное полное разрушение детали с кристаллическим строением второй части излома (зона Б).

Если деталь работала при нормальных нагрузках, а металл обладает достаточной пластичностью, то зона медленного разрушения по площади сечения излома значительно больше зоны хрупкого разрушения. И наоборот, если работа детали сопровождалась временными перегрузками или металл имел высокую твердость и низкую вязкость, то зона медленного разрушения занимает малую площадь в сечении излома, а зона мгновенного излома – большую.

Хрупкий излом Вязкий излом Усталостный излом

3. Определение дефектов, нарушающих сплошность металла.

3.1 Пористость.

Сплошность слитка нарушает усадочная раковина. Усадочная раковина образуется в верхней части слитка, где металл кристаллизуется в последнюю очередь. Здесь концентрируются пустоты и газовые пузыри. Эту часть слитка отрезают и отправляют в переплав.

В свою очередь в оставшейся, здоровой части слитка, которая в последующем отправляется на горячую обработку давлением, также имеются нарушения сплошности.

Так уменьшение растворимости газов в твердом металле приводит к выделению газов в процессе кристаллизации и образованию газовых пузырей.

3.2 Трещины и волосовины.

Гладкий металл обладает большим удельным объемом, чем твердый. Поэтому в процессе затвердевания слитка может происходить неравномерная усадка металла, что может привести к образованию трещин. Наличие газовых пузырей и неметаллических включений может привести к образованию волосовин. Трещины и волосовины могут служить очагом разрушения в деталях машин, особенно при работе деталей с переменными нагрузками.

3.3 Флокены.

Флокены образуются в поперечном сечении проката в виде тонких извилистых волосных трещин длиной от долей до нескольких десятков мм. Флокены могут выявляться в поперечном долевом изломе в виде серебристых пятен по цвету резко отличающихся от цвета основного металла. Причиной возникновения флокенов является выделение из стали водорода, растворившегося в ней в процессе выплавки.

3.4 Неметаллические включения.

Ухудшает свойства слитка присутствие неме­таллических включений.

В стали это: оксиды, сульфиды, нитриды и др. ( , , , и др.).

Эндогенные включения образуются в результате химических реакций, протекающих в процессе плавки, раскисления, разливки, и разливки стали. Они бывают мелкие и обнаруживаются только под микроскопом.

Эндогенные включения

Экзогенными называют включения глины, песка, попадающие в сталь в результате размывания футеровки печи, желоба ковша, а также включения шлака. Крупные экзогенные включения можно наблюдать невооруженным глазом

Наличие скоплений неметаллических включений приводит к возникновению расслоя в готовом изделии

3.5Химическая неоднородность (ликвация)

Слиток металлического сплава имеет неодинаковый химический состав по объему. Химическая неоднородность получила название ликвации. При этом различают три вида ликвации:

а) Дендритная ликвация (внутрикристаллитная). Это химическая неоднородность по зерну. Происходит в пределах отдельных кристалликов как результат разной растворимости того или иного компонента в твердой фазе. Этот вид ликвации может быть устранен высокотемпературным длительным нагревом (диффузионным отжигом).

б) Ликвация по удельному весу. Это химическая неоднородность в вертикальном направлении слитка. Она наблюдается в сплавах, у которых компоненты - составляющие сплава резко отличаются по удельному весу. Последующий нагрев, обработка давлением не устраняет этого явления.

Микроструктура по высоте медленно охлажденного сплава

системы свинец – сурьма с 20 % сурьмы

Методы устранения ликвации по удельному весу

1. Быстрое охлаждение 2 Ввод дополнительного компонента

в) Зональная ликвация. Это химическая неоднородность по кристаллизационным зонам слитка. В первой зоне примесей меньше, чем во второй, а во второй меньше, чем в третьей. Так, в стальном слитке от поверхности к центру и снизу-вверх увеличивается количество серы, фосфора и углерода. Это очень нежелательно, так как сера и фосфор являются вредными примесями в стали.

Зональная ликвация в слитке спокойной стали

Сера допускается в стали не более 0,05%. Она практически не растворима в железе и образует сульфид железа ( ), который, располагаясь по границам зерен, снижает пластические свойства. Помимо этого вызывает явление красноломкости.

Фосфор вызывает в стали явление хладноломкости и допускается также в количестве не более 0,05%. Растворяясь в железе, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку, уменьшает пластичность и ударную вязкость, особенно при пониженных температурах.

Горячей обработкой давлением можно добиться перераспределения и измельчения примесей, создающих зональную ликвацию, тем са­мым частично её устранить.

4. Определение неоднородности строения сплава, созданной обработкой давлением.

При обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке) неме­таллические включения дробятся и вытягиваются вдоль направления деформации, образуя характерную полосчатость. При этом также измельчаются и вытягиваются зерна металла, образуя характерную волокнистость. Ударная вязкость и пластичность различны в зависимости от направления полосчатости и волокнистости. Они выше в образцах, вырезанных вдоль направления полосчатости, волокон и меньше у образцов, вырезанных поперек.

Регулируя технологический процесс изготовления деталей, можно рационально использовать направление полосчатости и волокнистости в деформированном металле. Это особенно важно, если такая деталь работает в условиях динамического нагружения.

5. Определение способа изготовления детали

Характерное дендритное строение, выявленное макроанализом, свидетельствует о том, что деталь изготовлена литьем.

Наличие полосчатости на макрошлифе вдоль направления деформации говорит о том, что деталь изготовлена прокаткой.

Если не­металлические включения воспроизводят очертания детали, то деталь изготовлена ковкой или штамповкой из катаной заготовки.

Штампованная заготовка для зубчатого колеса Крюк, изготовленный ковкой

Если полосчатость (волокна) перерезаны, то деталь изготовлена из проката резанием.

На рисунки приведены продольные сечения двух болтов.

Первый болт изготовлен резанием на токарном стан­ке из катаной заготовки, а головка второго болта выполнена тоже из катаной заготовки со следующей высадкой в штампе. Расположение полосчатости во втором болте соответствует более равномерному распределению механических свойств. В частности, значение ударной вязкости в направлении I и 2 будет различаться в болте 2 гораздо меньше, чем в болте 1.

Метод макроанализа дает возможность составить мнение о технологическом процессе изготовления детали: литье, штамповке, ковке, прокатке, обработке резанием и выявить правильность осуществления технологического процесса. Если ликвационная зона расположена правильно, симметрично или имеет конфигурацию детали и не выходит на ее поверхность, то технологический процесс был правильным.

Применяя метод макроананализа можно составить мнение о качестве детали в целом, о соответствии ее технологическим и эксплутационным требованиям.

6. Определение неоднородности химического состава и структуры, созданных термической и химико-термической обработкой

Современное машиностроение широко использует для направленного изменения свойств металлов и сплавов термическую, химико-термическую и термопластическую обработку. При этом изменяется структура металла и его свойства; резко повышается его прочность и работоспособность, сопротивление износу и динами­ческим нагрузкам,

Макроанализ позволяет определять в стали:

1) толщину закаленной зоны

2) толщину цементованного (науглероженного) слоя.

Для этого можно использовать не только макрошлифы, но и изломы.

Методы макроанализа.

В зависимости от поставленной задачи используют конкрет­ный метод макроанализа (химический реактив).

I. Метод поверхностного травления по Гейне, позволяющий качест­венно судить о ликвации всех примесей , , (более темные участки). Этот метод позволяет также судить о нарушении сплош­ности металла, о предшествующей обработке металла (литье, про­катка, ковка, сварка), о качестве сварного соединения, о типе шва.

II. Метод травления по Бауману.

Этот метод позволяет определить неоднородность в распре­делении серы (ликвацию серы) по сечению изучаемой заготовки.

Отчет о работе должен включать:

• Что такое макроанализ

• Перечислите основные виды макроскопического исследования металлов.

• В таблице приведите рисунки и описание следующих видов дефектов: усадочные раковины, флокены, волосовины, пористость, неметаллические включения, трещины.

Перечень учебных изданий, дополнительной литературы, Интернет-ресурсов

Основные источники:

1. Моряков О.С. Материаловедение - М: Издательский центр Академия, 2016.

2. Фетисов Г.П., Гарифулин Ф.А. Материаловедение и технология металлов. учебник, 2-е изд., испр. - М.: Оникс, 2014.

3. Солнцев Ю.П., Вологжанинова С.А. Материаловедение: учебник для учреждений СПО. - М.: Академия, 2016.

4. Заплатин В.Н., Ю.И. Сапожников, А.В. Дубов, Е.М. Духнеев Основы материаловедения (металлообработка): учебник для студ. учреждений сред. проф. образования; под ред. В.Н. Заплатина. – М.: Издательский центр «Академия», 2018. - 272с.

Дополнительные источники:

1. Бернштейн М.Л., Займовский В. А. Структура и механические свойства металлов.–М.,1980.

2. Механические свойства металлов: учебное пособие/ М. Л. Берштейн, В. А. Займовский. – М., 1979. – 495 с.

3. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов – М., 1983. – 352с.

4. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов. - М.: Высшая школа, 2008.

5. Схиртладзе А.Г., Ярушин С.Г. Технологические процессы машиностроительного производства. - М.: Высшая школа, 2009.

6. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Машиностроение, 2010.

7. Стуканов В.А. Материаловедение: учебное пособие. - М.: ИНФРА – М, Форум, 2008.

8. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение - М.: Машиностроение, 1990.

Интернет ресурсы

1. Информационно-коммуникационные технологии в образовании // система федеральных образовательных порталов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ict.edu.ru

2. Материаловедение [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ttp://materiology.info

3. Материаловедение [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.materialscience.ru