2020-10-10
143
Материаловедение
И технология
конструкционных материалов
Учебно-методическое пособие
Киров
2018
УДК 620.22
С601
Допущено к изданию методическим советом института химии и экологии ВятГУ в качестве учебно-методического пособия для студентов направления 18.03.01 «Химическая технология» всех профилей подготовки
Рецензент:
Кандидат химических наук, доцент, заведующая кафедрой
неорганической и физической химии ВятГУ, Ю.Н.Ушакова
Лихачев, В.А.
С6012 Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебно-методическое пособие / В.А. Лихачев. – Киров: ВятГУ, 2018. –?с.
УДК 620.22
Учебно-методическое пособие предназначено для оказания помощи студентам при прохождении практических занятий и лабораторного практикума по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
Авторская редакция
|
|
|
Тех. редактор?
© ВятГУ, 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Основы металлографического анализа 4
2. Контроль качества металла по его механическим характеристикам 18
3. Литье и пайка металлов 38
4. Перечень практических занятий 46
5. Варианты заданий практических занятий 47
6. Контрольная работа (для студентов заочного обучения) 58
7. Перечень вопросов по курсу «Материаловедение и ТКМ» 67
8. Библиографический список 69
1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Теоретические предпосылки
Металлографический анализ является одним из самых распространенных методов как входного, так и межоперационного контроля качества металла, широко использующихся на заводах разного профиля.
Именно металлографический анализ позволяет ответить на вопрос, почему металл имеет плохие механические характеристики и найти нарушения в технологическом процессе обработки металла и изготовления из него изделий.
Металлографический анализ заключается в исследовании структуры металла с помощью невооруженного глаза или микроскопа. Структура металлов во многом определяет его механические, технологические и эксплуатационные свойства. При этом под структурой металла понимают тип, форму, размеры, конфигурацию, взаимное расположение областей твердого тела, отделенных друг от друга поверхностями раздела. Примерами областей твердого тела являются: зерно, фаза, трещина, раковина, пора, неметаллическое включение, газовый пузырь, коррозионное поражение и т.д.
|
|
|
Структура металла, видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении до 100х, называется макроструктурой. Увеличение при исследовании макроструктуры может быть обеспечено лупой, биологическими и металлографическими микроскопами.
При исследовании макроструктуры металла прежде всего исследуются различные макродефекты: трещины, пузыри, поры, раковины, разрывы, неметаллические включения, коррозионные поражения и т.д., так как именно макродефекты прежде всего ухудшают качество металла. Исследование макроструктуры проводится на образцах металлов, которые называют темплетами. В зависимости от величины и вида изучаемых дефектов темплеты могут подвергаться или не подвергаться специальной обработке (шлифованию, полированию, травлению).
Структура металла, наблюдаемая с помощью металлографического микроскопа при увеличении от 100х до 2000х, называется микроструктурой. При исследовании микроструктуры выделяют, прежде всего, следующие ее элементы: зерно в металле; фазы, присутствующие в данном образце металла; их количественное соотношение; размер зерна каждой фазы; конфигурация зерен различных фаз и их взаимное расположение. Исследование микроструктуры проводится на специально подготовленных образцах, которые называют шлифами.
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ
(Лабораторная работа 1)
Цель работы: познакомиться с понятием микроструктуры металлов и отдельными элементами микроструктуры, научиться исследовать микроструктуру металла с помощью металлографического микроскопа.
Теоретические предпосылки
Изготовление шлифов, на которых проводится исследование микроструктуры – трудоемкий и длительный процесс, включающий в себя целый ряд операций. Основной операцией при изготовлении шлифов является шлифование, которое всегда осуществляется в несколько переходов с использованием абразивных материалов со все более мелким зерном. Следующей механической операцией изготовления шлифов является полирование. Полированный шлиф позволяет выявить в металле только количество и величину неметаллических включений, а также некоторые дефекты макроструктуры (пузыри, трещины, следы от абразивного материала и т.д.)
Мягкие неметаллические включения на полированном шлифе рис.1.1 выглядят в виде черных точек и пятен неправильной формы с темными лучами, появляющимися за счет действия на них полировального круга. Все остальные фазы на полированном шлифе выглядят одинаково, так как одинаково отражают свет.
| 2 |
| 1 |
Рис. 1.1. Микроструктура полированного шлифа:
1. - неметаллические включения (НВ);
2.- дефекты обработки;
3.- раскатанные неметаллические
| 3 |
Для выявления микроструктуры металла шлиф необходимо протравить в растворе соответствующего состава, зависящего от природы исследуемого металла (табл.1.1.). Различные фазы металла травятся по-разному, поэтому после травления эти фазы по-разному отражают свет, и в микроскопе появляется картина микроструктуры, в которой различные участки твердого тела имеют различные оттенки – от черного до светлого (рис 1.2).
| 1 |
| 2 |
1 - фаза 1;
2 - фаза 2;
| 3 |
|
|
|
Наблюдаемая в микроскоп картина зависит от вида, качества металла и технологии его обработки. В этой связи металлографический анализ используется на производстве для контроля за состоянием металла и за правильностью выполнения технологических операций при изготовлении изделий.
При рассмотрении картины микроструктуры металла анализируют величину зерна (ГОСТ 5639-82), наличие, конфигурацию и процентное содержание различных фаз с помощью эталонов микроструктуры (ГОСТ 8223-56, ГОСТ 5640-68), наличие, вид и количество неметаллических включений (ГОСТ 1778-70) и других дефектов микроструктуры.
Ход работы
Исследование микроструктуры проводится на металлографическом микроскопе (ММУ-3, ММР-4), с устройством которого перед исследованием необходимо ознакомиться.
Исследование микроструктуры металлов производится на заранее подготовленных шлифах различных металлов. Количество исследуемых шлифов определяется заданием.
В ходе работы студент обычно выполняет один, два или три задания. Их вид и количество определяется преподавателем.
1. Оценить размер зерна в соответствии с ГОСТ 5639-82 на 5 – 8 шлифах.
2. Рассмотреть картину микроструктуры, описать и оценить количественный состав фаз в предложенных для исследования образцах металлов. Например, в отожженных доэвтектоидных сталях (ГОСТ 8223-56).
3. Изготовить, рассмотреть, зарисовать и описать микроструктуру полированного и травленого шлифа металла, предложенного преподавателем. (Например, шлифа литейной латуни).
Определение размера зерна
Определение размера зерна на 5 – 8 предложенных образцах проводится в соответствии с ГОСТ 5639-82 в следующей последовательности:
- ознакомиться с ГОСТ 5639-82;
- с помощью сменных объектива и окуляров установить на металлографическом микроскопе (ММУ-3, ММР-4) увеличение 100х ;
- рассмотреть первый шлиф (3872) в микроскоп, найти место на шлифе, где зерна и границы зерен видны особенно отчетливо;
- сравнить видимую в микроскоп картину с эталонной шкалой № 1 (ГОСТ 5639-82) и определить балл зерна;
|
|
|
- зная балл зерна по таблице 1 (ГОСТ 5639-82), определить средние параметры зерна, в частности его средний диаметр;
- взять другой шлиф и повторить операции;
- если зерно на исследуемом шлифе слишком мелкое, его балл определяется с помощью дополнительной шкалы №1 для определения величины мелкого зерна;
- если, напротив, зерно слишком крупное, то его балл определяется с помощью дополнительной шкалы №2 для определения величины крупного зерна (ГОСТ 5639-82).
При использовании дополнительных шкал картина микроструктуры рассматривается при увеличении, отмеченном на этих шкалах в ГОСТ 5639-82.
При смене увеличения необходимо заменить объектив и окуляр металлографического микроскопа или перейти на другой вид микроскопа, например, на микроскоп МБС-9, подобрав на нем соответствующие объектив и окуляр.
Результаты исследования записать в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Определение величины зерна
| Маркировка шлифа, исследуемый металл, | Увеличение | Используемая шкала | Балл зерна | Средний диаметр зерна |
Определение процентного содержания фаз
в металлических образцах
В этом задании предлагается рассмотреть, описать микроструктуру 3 - 4 образцов, (выполненных, например, из сталей 20, 40, 60) и определить в них процентное содержание отдельных фаз.
Перед анализом микроструктуры сплавов железа, зная условия получения металла, необходимо с помощью диаграммы состояния «железо – углерод» или диаграмм «ТТТ» определить фазы, которые должны находиться в предложенных для исследования образцах. По ГОСТ 8233-56 найти эталонную шкалу, которая может быть применена для исследования заданных сталей. Далее при увеличении, указанном на применяемой шкале, с помощью металлографического микроскопа рассмотреть микроструктуру предложенных для исследования шлифов, выделить на них все ожидаемые фазы, определить их количество с помощью соответствующей эталонной шкалы.
Разберем для примера микроструктуру углеродистых сталей 20, 40, 60, если известно, что шлифы выполнены из отожженных сталей. Все эти стали согласно диаграмме состояния «железо – углерод» относятся к группе доэвтектоидных сталей. Структура отожженных сталей, полученная при медленном охлаждении, соответствует структуре сталей на диаграмме Fe-C При обычных температурах в отожженных сталях 20, 40. 60 согласно, диаграмме Fe-C должны присутствовать две фазы: феррит и перлит. На травленом шлифе перлит выглядит под микроскопом в виде темных зерен, феррит – в виде светлых зерен, чем больше углерода в стали, тем больше в ней перлита. Количество феррита и перлита в доэвтектоидных сталях может быть приблизительно определено в соответствии с ГОСТ 8233-56 по шкале 7 «Соотношение перлита и феррита» (см. приложение к ГОСТ 8233-56).
Таким образом, исследование предложенных образцов необходимо проводить в следующей последовательности:
- ознакомиться с ГОСТ 8233-56 «Эталоны микроструктуры»;
- взять из коробки для шлифов в соответствии с их маркировкой образцы, предназначенные для испытаний;
- если образцы подвергались отжигу, то на диаграмме «железо – углерод» найти эти стали и определить фазы, которые могут в них присутствовать при обычной температуре;
- найти шкалу, которая может быть использована для исследования этих сталей (ГОСТ 8233-56);
- установить на микроскопе необходимое значение увеличения, подобрав соответствующие объектив и окуляры;
- установить образец на предметном столике микроскопа (при использовании микроскопа ММУ-3 образец с помощью пластилина и ручного пресса устанавливается на специальной подставке так, чтобы его поверхность была строго параллельна предметному столику);
- с помощью ручек настройки на резкость получить в поле микроскопа четкую картину рассматриваемого шлифа;
- передвигая образец в поле зрения микроскопа, найти наиболее качественную и среднюю по характеристикам часть шлифа. Сравнивая ее микроструктуру с эталонами микроструктуры, определить количество фаз в металле;
- результаты испытаний занести в табл. 1.4.
Таблица 1.4.
Определение соотношения фаз в сталях
| Маркировка шлифа, исследуемый металл, | Фазы в исследуемых образцах | Внешний вид фаз на шлифе | Соотношение фаз, % |
- сделать выводы о соответствии соотношения фаз в исследованных образцах теоретическим представлениям.
Исследование микроструктуры
полированного и травленого шлифов
Выполнение третьего задания производится в следующей последовательности:
- шлиф предложенного металла отполировать на полировальном круге или вручную на войлоке с использованием полировальной пасты ГОИ;
Промыть шлиф в содовом растворе для удаления с него остатков полировальной пасты и обезжиривания поверхности, далее в воде;
Удалить воду со шлифа тряпочкой или фильтровальной бумагой;
- удалить с поверхности шлифа ватным тампоном с этиловым спиртом остатки воды, шлифовальной пасты и абразива;
- с помощью металлографического микроскопа ММУ-3 или ММР-4 при увеличении в 100х раз рассмотреть макро- и микроструктуру полированного шлифа, зарисовать и описать ее;
- протравить шлиф с помощью соответствующего раствора. Раствор выбирается по табл. 1.1, исходя из вида исследуемого металла или сплава.
Активность раствора для травления зависит от времени его использования, поэтому время травления и его технологию приходится подбирать опытным путем в рамках рекомендаций табл. 1.1. Если время травления выбрано неудачно, операцию полирования необходимо провести вновь.
Травление шлифа выполняется по разному: либо протиркой шлифа ваткой смоченной в травящем составе (при не длительном травлении сталей), либо помещением шлифа в чашку Петри на необходимое время травления;
Например, при травлении шлифа из меди или медного сплава травящий раствор наливается в чашку Петри, шлиф опускается в раствор, а не ставится на дно чашки. Полированный шлиф после травления становится матовым.
Таблица 1.1
Состав растворов для травления шлифов
| Материал | Состав для травления | Технология травления |
| Алюминий и его сплавы | HF (35-40%) –1,0 мл HCL(35-38%) – 1,5мл HNO3 (61-68%) –2,5мл H2O – 95мл | 1.Нанесение реактива на поверхность ватным тампоном. 2.Окунание поверхности шлифа в реактив. Выдержка 15 –30 сек |
| Углеродистые и низколегированные стали | HNO3 (61-68%) – 3-5мл C2H5OH (96%) – 95 мл | То же |
| Медь и ее сплавы | (NH4)S2O8 – 10 г H2O – 100 мл | Травление 1- 3 мин |
| Высоколегированные мартенситные и быстрорежущие стали | HNO3(61-68%)– 10-15мл C2H5OH(96%)– до100 мл | Травление от нескольких секунд до 30 мин |
- удалить с поверхности шлифа травящий раствор промывкой его в воде с использованием соды.
- просушить шлиф с помощью фильтровальной бумаги или чистой мягкой фланели;
- протереть шлиф этиловым спиртом;
- рассмотреть микроструктуру травленого шлифа. На травленом шлифе должны быть четко выделены зерна металла и различные фазы. Если при рассмотрении шлифа окажется, что микроструктура выявлена плохо (шлиф недотравлен или перетравлен), то шлиф должен быть снова отполирован, а операцию травления необходимо повторить вновь с другим временем травления. Эти операции повторяют до получения четкой картины микроструктуры. После того как на шлифе будет получена хорошая картина микроструктуры, зарисовать ее и описать.
Результаты занести в табл. 1.2.
Таблица 1.2.
Протокол исследования микроструктуры металлов
| Маркировка шлифа, исследуемый металл, | Внешний вид полированного шлифа (рисунок) | Описание дефектов полированного шлифа | Внешний вид травленого шлифа (рисунок) | Описание травленого шлифа |
Техника безопасности
При травлении шлифов необходимо выполнять правила безопасной работы с кислотами. При попадании растворов на кожу, их следует смыть струей воды. Случайные проливы растворов на лабораторные столы должны быть также смыты.
Со шлифами обращаться аккуратно, они всегда должны находиться изолированно друга от друга в специальной коробке, и проложены ватой.
