Основные теоретические сведения

РАБОТА № 2. МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ

 

Введение

Материаловедение – это такая наука, которая изучает связь между химическим составом, структурой (по-другому – строением) и свойствами материалов, а также их изменения под воздействием внешних факторов. Для определения различных свойств материала (механических, физических и химических) разработано большое количество методик испытаний.  Для определения химического состава материала используются термические, химические и физические методы. Получение информации о структуре материала возможно двумя путями:

1) методами, основанными на существовании связи между структурой и свойствами материала; они позволяют определять превращения (изменения в структуре) в материале по изменению его физических свойств.

2) методами, которые позволяют непосредственно наблюдать структуру материала; эти методы называют структурными.

Структурные методы исследования материалов подразделяются на микроскопический анализ и макроскопический анализ. О последнем и пойдёт речь в данной лабораторной работе.

Объектами работы служат макрошлифы и изломы металлических материалов

Задачей проведения работы является ознакомление с характерными видами макроструктур металлических материалов, оценка качества металлических материалов и предшествующей обработки, а также ознакомление с характерными видами макроструктур изломов металлических материалов и оценка поведения металлических материалов при разрушении.

 

Основные теоретические сведения

Макроскопический анализ (по-другому, макроанализ) применяется для выявления макроструктуры. Макроструктура – это строение материала, видимое без увеличения или с небольшим увеличением (до 30 раз) с помощью лупы. В качестве изучаемых объектов при макроанализе выступают поверхности заготовок (деталей), например, после литья, обработки давлением, поверхности изломов и поверхности макрошлифов (или темплетов).

    Макрошлифом называется образец металлического материала, поверхность которого предварительно была подготовлена (отшлифована и прошла травление специальными химическими реактивами). При этом различают также и темплеты – макрошлифы, изготовленные в поперечном сечении детали.

    Методом макроанализа изучают:

 – поверхность излома;

 – поверхность макрошлифа литого металла;

 – поверхность макрошлифа деформированного металла;

 – поверхность макрошлифов, имеющих нарушения сплошности металла после литья, деформирования, сварки и термической обработки (или химико-термической обработки, или термомеханической обработки);

 – поверхность макрошлифов со структурной и химической неоднородностью металла после литья, деформирования, сварки и термической обработки (или химико-термической обработки, или термомеханической обработки).

    Для того, чтобы понять, что можно увидеть на макрошлифах выше указанных поверхностей нужно рассмотреть некоторые аспекты процессов литья, пластической деформации, сварки и др. процессов.

1) Краткие сведения о разрушении металлических материалов

Разрушение металлических деталей – это неизбежный процесс. Разрушение металлической детали происходит при разделении её на части в результате зарождения и развития в металле микротрещин в местах скопления перед препятствием (границы зёрен, микропоры, неметаллические включения и др.) скоплением дислокаций (линейные дефекты), которые приводят к концентрации напряжений.

Существует три вида разрушения металлических деталей:

 – при статическом и динамическом нагружении металлической детали возможно хрупкое или вязкое разрушение.

    Хрупкое разрушение является быстрым. Оно происходит вследствие отрыва в результате действия нормальных напряжений и не сопровождается протеканием пластической деформации (т.е. металл не сопротивляется разрушению). При таком разрушении характерна острая ветвящаяся трещина, распространяющаяся с очень высокой скоростью.

    Вязкое разрушение происходит не так быстро как хрупкое вследствие среза под действием касательных напряжений. Разрушению предшествует пластическая деформация (т.е. металл сопротивляется разрушению). Для такого разрушения характерно медленно растущая тупая раскрывающаяся трещина.

    Стоит заметить, что нельзя путать вид разрушения и механизм разрушения. Механизм разрушения можно выявить, применяя только методы такой науки как фрактография.

– при переменном нагружении (циклическом) металлической детали происходит усталостное разрушение.

Усталостное разрушение является длительным разрушением с постепенным накоплением повреждаемости. В процессе переменного нагружения на поверхности детали образуется большое количество трещин. При этом начинает расти только та, у которой большая длина и маленький радиус надреза. На схеме усталостного разрушения это зона 1 (рис. 1). Далее в процессе нагружения ведущая усталостная трещина продвигается вглубь образца; при каждой смене периода цикла у вершины трещины протекает пластическая деформация. На схеме усталостного разрушения это зона 2, в которой можно наблюдать концентрические линии, похожие на «следы на раковине моллюска». Когда при росте ведущей усталостной трещины напряжения превысят критические, то происходит быстрое разрушение металлического материала (зона 3 на рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение, иллюстрирующее внешний вид типичного усталостного разрушения вала при низкой концентрации номинальных напряжений: 1 – очаг разрушения (зона зарождения трещины)» 2 – зона развития разрушения (зона распространения трещины); 3 – зона долома.

 

2) Краткие сведения о формировании макроструктуры металлов в процессе литья.

При отливке металлических полуфабрикатов происходит процесс кристаллизации – т.е. процесс перехода жидкого расплава металла в твёрдое состояние (примем, кристаллическое состояние). Жидкое состояние, как известно, характеризуется ближним порядком (т.е. упорядоченностью во взаимном расположении частиц, повторяющейся на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между соседними частицами). Кристаллическое состояние характеризуется дальним порядком (упорядоченность во взаимном расположении частиц, которая повторяется на неограниченно больших расстояниях). Для перехода жидкого состояния в кристаллическое нужен стимул (выигрыш в энергии). Выигрыш в энергии обеспечивается при переохлаждении жидкого расплава на ΔT (разницу между теоретической и фактической температурами кристаллизации).

Благодаря дальнему порядку структура кристаллического тела состоит из зёрен (рис. 2), т.е. структурных единиц кристаллического тела. Само зерно представляет собой кристаллит (это кристалл, т.е.  совокупность частиц, расположенных в определённой последовательности, повторяющаяся периодически в пространстве, с неправильной формой и несовершенствами кристаллического строения, которые называют дефектами).

Рис. 2. Трёхмерное изображение зёренного строения поликристаллического тела.

 

    Кристаллическое тело может состоять из множества зёрен (такое строение называется поликристаллическим) и из одного зерна (такое строение называется монокристаллическим).

    Согласно основам термодинамики, количество и размеры образующихся зёрен зависят от условий кристаллизации (рис. 3). Наибольшее влияние на количество и размеры образующихся зёрен оказывает степень переохлаждения расплава ΔT. При большой степени переохлаждения ΔT образуется большое количество центров кристаллизации (мест, из которых начинается рост зерна), при этом скорость роста каждого кристалла небольшая. Наоборот, при малой степени переохлаждения ΔT образуется небольшое количество центров кристаллизации, но при этом скорость роста каждого кристалла большая.

Рис. 3. Зависимость скорости зарождения центров кристаллизации (с.з.ц.) и скорости роста каждого центра кристаллизации (с.р.ц.) в зависимости от степени переохлаждения ΔT.

 

    Первоначальное строение образующихся зёрен представляет собой разветвлённое (древовидное) строение (рис. 4а). Такие кристаллиты называются дендритами. Развитие кристаллита идёт в направлениях, перпендикулярных к плоскостям в кристаллите с максимальной укладкой частиц, и направлениях кристаллита с максимальным отводом тепла. Вначале растёт ось первого порядка (I) – главная ось дендрита, затем со временем при её удлинении на неровностях оси зарождаются и растут перпендикулярные к ней такие же оси второго порядка (II), на осях второго порядка – оси третьего (III) и т.д. В некоторых случаях (например, в усадочной раковине отливки) можно обнаружить отдельно выросшие дендриты (рис. 4б). В реальности же конечная форма зёрен при кристаллизации металлов (сплавов) зависит не только от степени переохлаждения, но и от других факторов (например, времени, степени загрязнённости расплава и др.). И в результате формируются зерна различной конфигурации: сфероидальные, пластинчатые, игольчатые, столбчатые и др.

а)	б)

Рис. 4. а) – схема роста дендритного кристаллита по Д.К. Чернову; б) – стальной кристалл в форме дендрита из усадочной раковины 100-тонного слитка – подарок подполковника Ф. Берсенева своему учителю Д.К. Чернову. Длина кристалла – 39 см, масса – 3,45 кг. Находится в музее истории Военной академии РВСН им. Петра Великого.

 

     Для макроструктуры слитка из металла характерно 2 типа форм зёрен: равноосная (в двухмерной проекции форма зерна стремится к   (пяти-) шестиугольнику с углом в стыке зёрен равным ~120°) и столбчатая (вытянутая). Наличие второй формы (столбчатой) объясняется тем, что при кристаллизации зарождение всех зёрен происходит не одновременно, поэтому при кристаллизации в структуре слитка находятся и образующиеся зёрна, и уже образованные зёрна. С другой стороны, для того чтобы зерно выросло, ему необходимо быстро отдать лишнее тепло, и передача этого тепла через другие зёрна будет быстрой при его передаче по нормали к границам образованных зёрен.

    Процессом зарождения зёрен и их роста, а также их количеством можно управлять. Например, количество зёрен в отливке можно увеличить при искусственном увеличении количества центров кристаллизации. Этот процесс носит название модифицирование. Для осуществления процесса модифицирования в расплав вводят специальные вещества – модификаторы. Регулировать параметры кристаллизации (в первую очередь, степень кристаллизации ΔT) можно применяя различные методы литья (в песчаную форму, в металлическую форму и др.), регулируя толщину отливаемой детали, температуру расплава, используя специальные методы литья для получения монокристаллов (метод Бриджмена, Чохральского) и т.д.

Стоит заметить, что заполняемость макроструктуры слитка зернами той или иной формы сильно влияет на свойства конечной отливки. Так, например, большое количество столбчатых зёрен (стыки между которыми являются хрупкими) приводит к увеличению хрупкости отливки (рис. 5). Наличие в макроструктуре большого количества мелких зёрен увеличивает прочностные характеристики отливки.

Рис. 5. Структура алюминиевого слитка, состоящая из большого количества столбчатых зёрен вследствие сильного перегрева и высокой скорости охлаждения (литьё в металлическую форму).

 

3) Краткие сведения о формировании макроструктуры стали в процессе пластической деформации.

Известно, что в стали имеются неметаллические включения (сульфиды, оксиды, шлаки) и ликвационные участки, которые неоднородны по химическому составу и структуре. При обработке давлением (прокатке, штамповке и др.) неметаллические включения и ликвационные участки дробятся и вытягиваются вдоль направления деформации. В результате формируется характерная продольная волокнистость, по-другому, первичная полосчатость (рис. 6).

Рис. 6. Схематическое изображение продольной волокнистости (первичной полосчатости) в поковке, полученное с помощью метода конечных элементов.

Продольная волокнистость сильно влияет на конечные механические свойства полуфабриката после деформации, в особенности на ударную вязкость и пластичность (они выше в направлении волокон при условии, что волокна не перерезаны). Направление волокон можно регулировать, выбирая способ ковки и штамповки.

4) Краткие сведения о нарушениях сплошности металла и химической неоднородности.

К нарушениям сплошности металла относятся: усадочная рыхлость, пористость, подкорковые пузыри, межкристаллитные трещины, флокены. Также нарушения сплошности (дефекты сварки) возникают в процессе сварки (рис. 7), и к ним, относят: термические трещины, непровары, газовые пузыри, остатки флюса, пережог, и др.

непровар между слоями	поры	шлаковые включения
наплыв	трещина, резвившаяся от стянутого непровара	перегрев (пережог) металла

 

Рис. 7. Схематическое изображение некоторых дефектов сварного соединения.

Химическая неоднородность (она же ликвация) возникает в металле (сплаве) в процессе кристаллизации. Различают два вида ликвации: дендритную, в пределах одного зерна, и зональную (рис. 8), в пределах порции отливки. Оба вида нежелательны, т.к. приводят к уменьшению механических свойств металлического изделия.

Рис. 8. Сильная зональная ликвация серы (тёмные участки) в поперечном макрошлифе стального рельса.

 

Таким образом, макроанализ (в отличие микроанализа) позволяет выявить особенности строения металла лишь частично. Для более детального изучения структуры материала после проведения макроанализа выбирают наиболее интересующие участки и подвергают их более подробному микроанализу. Однако даже частичное выявление особенностей строения материала позволяет использовать макроанализ для корректировки методов изготовления и обработки детали, а также выявлять вид разрушения.