ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
МАКРОСТРУКТУРА И ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы: Изучить макроструктуру, макродефекты и строение поверхностей разрушения материалов в литом и деформированном сос­тояниях.

1. 
   КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
   

От выплавки в жидком состоянии сплава заданного химического состава до получения готовых деталей машин материалы на металлур­гических и машиностроительных заводах подвергаются целому ряду различных обработок. Основными из них являются кристаллизация и получение литого металла, обработка давлением, термическая обра­ботка, механическая обработка резанием, иногда проводится сварка материалов. Обработка материалов изменяет их внутреннее строение (структуру) и механические свойства.

Основным металлическим материалом для машиностроения являются стали. Это материалы на основе железа с добавкой углерода не более 2,14 % и во многих случаях с введением дополнительно других легирующих элементов (хром, кремний, марганец, никель и др.). Мировой объём производства стали достиг в 2003 году 952 млн. тонн. Предприятия Российской Федерации выплавили в 2003 году 61 млн. тонн стали.

Сталь и большинство других металлических материалов поступает на машиностроительные и другие предприятия преимущественно в виде проката. Это деформированный металлический материал, получаемый способами горячей и холодной прокатки во вращающихся валках прокатных станов.

Исходным сырьем для получения сталей являются железные руды, представляющие собой горную породу с содержанием 30…60 % железа. В результате длительной многостадийной обработки из руды получают концентрат с повышенным содержанием полезного металла. Далее проводят окускование способом агломерации – спекания или получение спеченных окатышей, т.е. превращение мелких частиц концентрата в более крупные пористые частицы размером от 5…8 до 10…20 мм.

Из окускованных концентратов с добавками топлива (кокса) и флюсов в особых крупных шахтных (доменных) печах высотой до 30 метров в результате сложных физико-химических процессов получают жидкий передельный чугун (3,6…4,5 % С; 0,5…1,3 %), литейный чугун с повышенным до 0,8…3,6 % Si, ферромарганец (Fe-Mn) и ферросилиций (Fe- Si).

Передельный чугун, а также стальной лом и ферросплавы являются сырьем для выплавки стали. В процессе плавки решаются задачи уменьшения количества примесей с помощью окислительных процессов (первый период). Далее проводят второй, восстановительный период плавки по уменьшению FeO, т.е. раскисление с введением раскислителей: марганца, кремния, алюминия.

Для выплавки стали преимущественно используются два способа:

• 
  кислородно-конверторный процесс получения стали в конверторах грушевидной формы;
  
• 
  плавка стали в дуговых электрических печах. Этот способ широко применяется для выплавки качественных сталей с низким содержанием вредных примесей.
  

Все более широкое применение получает последующая внепечная обработка стали, служащая для уменьшения содержания вредных примесей и газов. Это обработка жидкой стали синтетическими шлаками или выдерживание ковша со сталью в вакууме.

Применяются и методы повторного переплава затвердевшей стали в особых условиях: электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав и др.

После завершения плавки жидкую сталь заливают в ковши и подают для разливки на установки непрерывной разливки стали (УНРС) или в особые чугунные литейные формы вертикального типа (изложницы). На УНРС жидкая сталь поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор, а затем в зону вторичного охлаждения. Непрерывно подаваемый слиток разрезается на мерные части.

Металлический материал в виде слитка или отливки, получаемый при затвердевании залитого в полость литейной формы жидкого металла, обычно имеет строение из разветвленных кристаллов древовидной формы, называемых дендритами. Макроструктура слитка, как правило, состоит из двух основных широких зон и небольшой зоны мелких неориентированных кристаллов у поверхности (корковая зона).

Наружная зона имеет удлиненные малоразветвленные столбчатые крис­таллы, располагающиеся примерно перпендикулярно к охлаждающимся поверхностям слитка. Во внутренней части слитка располагается зо­на более или менее равноосных разветвленных кристаллов-дендритов. Такое строение имеют, в частности, слитки хорошо раскисленной сильными восстановителями (Mn, Si, Al) спокойной стали. Иногда зона столбчатых кристаллов образуется в большей части объема слитка. В верхней части слитка спокойной стали расположена усадочная ракови­на конусной формы.

В случае выплавки стали с пониженным содержанием такого раскис-

лителя, как кремний, при затвердевании слитка выделяется значительное количество газов (FеО + С = Fе + СО ). Большая часть газовых пузырей остается в слитке такой кипящей стали и располагается ближе к поверхности. Усадочная раковина в этих слитках не образуется.

В металлургических производствах слитки далее подвергаются нес­кольким горячим и холодным прокаткам, иногда ковке (обработке дав­лением). При этом дендритные кристаллы сплющиваются и вытягиваются по направлению деформации, превращаясь в волокна. Газовые пузыри завариваются. Следовательно, деформированный с большими обжатиями материал получает волокнистую макроструктуру с различ­ными механическими свойствами вдоль и поперек проката (анизотропия свойств). Промышленность выпускает горячекатаный сортовой прокат (круглый, квадратный, шестигранный и др.), толсто­листовой (толщина от 4 мм до 160 мм), холоднокатаный прокат тонколистовой (толщина 0,2…5,0 мм), ленту холоднокатаную, трубы бес­шовные, поковки и другую металлопродукцию.

Горячая и холодная обработки давлением, в частности, горячая штамповка, широко применяются и на машиностроительных заводах для изготовления заготовок деталей ма­шин. Волокна в них должны располагаться вдоль контура заготовки, совпадая с направлением действия механических сил на деталь.

В процессе обработок возможно образование различных дефектов материалов в виде неоднородности химического состава (ликвация), нарушения сплошности (трещины), крупнозернистого строения и др. Разработаны методы изучения и контроля структуры и возможных дефек­тов материалов, используемые в исследовательских организациях и производственной практике. В настоящей работе рассматриваются два из этих методов: макроструктурный анализ (макроанализ) и фрактография.

Макроанализ - изучение строения шлифованных и протравленных поверхностей материалов невооруженным глазом или с по­мощью лупы при небольших увеличениях.

Исследуемая плоская поверхность предварительно подвергается механической обработке резанием, шлифованию, полированию, а затем травлению специальными химическими реактивами. Наблюдаемое строе­ние называется макроструктурой. При оценке степени развитости макродефектов используют ГОСТ 10243 «Сталь. Метод испытаний и оценки макроструктуры». Макродефект определяют путем сравнения изучаемого макрошлифа материала с набором фотографий стандарта и установления номера балла дефекта.

Фрактoграфия - изучение поверхностей разрушения (изломов) материалов. Исследования проводят без использования при­боров и при небольших увеличениях до 50 (макрофрактография), а также при увеличениях до десятков тысяч кратных с помощью электронных микроскопов (микрофрактография). Методы фрактографии дают ин­формацию о микромеханических разрушениях материалов, используются при анализе повреждений деталей машин, происходящих в процессе их эксплуатации,

Микрофрактография позволяет изучить вид разрушения заготовки или детали машины. Для вязкого разрушения характерен ямочный (чашечный) рельеф разрушения, а для хрупкого разрушения - «ручьистая» поверхность скола, подобная излому хрупких силикатных стекол при комнатной температуре (рис. 1).

Рис. 1. Схемы строения поверхностей разрушения:

а- вязкого; б-хрупкого (5000)

2. МАТЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

При подготовке образцов для макроанализа в практической части работы используются станок для приготовления шлифов, тиски, наждачная бумага, вытяжной шкаф, травители. Студентам предоставляются готовые микрошлифы, образцы с изломами, а также образцы для практи­ческой части работы.

3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Лабораторная работа состоит из двух частей:

• 
  изучение макроструктуры и поверхностей разрушения металлических материалов по коллекциям образцов;
  
• 
  выполнение одного из практических заданий по макроструктурному анализу.
  

По первой части работы студенты просматривают без применения приборов все образцы из коллекций макрошлифов и изломов. Используя данные табл. 1 и 2, схемы строения образцов (рис. 2), устанавливают характерные особенности строения и дефектов каждого образца в связи с их обработкой.

Во второй части работы выполняется одно из нижеприведенных заданий. Студентам выдаются готовые образцы с отшлифованной поверхностью или же предварительно проводится шлифование с помощью наж­дачной бумаги.

ЧАСТЬ 1. ИЗУЧЕНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ И ПОВЕРХНОСТЕЙ

РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ.

Данные об изучаемых образцах представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Коллекция макрошлифов металлических материалов

№№ образца	Наименование образца	Описание макроструктуры
1.	2.	3.
Литая и деформированная сталь
1. 2. 5.	Макрошлиф продольного разреза слитка «спокойной» стали Макрошлиф поперечного разреза слитка «кипящей» стали Макрошлиф образца, подвергнутого горячей обработке давлением	Две основные зоны из кристаллов дендритного строения: столбчатых кристаллов и равноосных кристаллов. В верхней части расположена усадочная раковина; центральная часть имеет темные мелкие усадочные поры. Слиток имеет большое количество газовых пузырей, которые сплющиваются и завариваются при последующей многократной горячей прокатке. Волокнистая макроструктура. Волокна расположены по конфигурации заготовки.
Ликвация в литой стали
3.	«Серный» отпечаток на фотобумаге с продольного разреза слитка стали	Светло- и темно-коричневые участки, характеризующие неравномерное распределение в стали сульфидов MnS, т.е. серы.
Макродефекты деформированных материалов
6. 7. 8. 9. 10.	Макрошлиф рельса с ликвационной зоной Макрошлиф стали с крупной ковочной трещиной Образец стали с надрывами Образец стали с расслоением Образец стали с волосовинами	В верхней части рельса имеются несплошности и ликвационная зона с повышенным содержанием серы и фосфора, образовавшаяся при литье и сохранившаяся в прокатанном рельсе. В центре крестообразная трещина, образовавшаяся при горячей ковке литой стали с повышенной пористостью (усадочной рыхлостью). По краям проката из недостаточно раскисленной стали образовались надрывы (рванины). Образец расслоился на две части. Причиной является наличие шлаковых включений, газовых пузырей с загрязненной поверхностью, усадочной рыхлости. На поверхности проката мелкие «волосные» трещины, образовавшиеся из различных несплошностей литого металла.

Окончание табл. 1.

МАКРОШЛИФЫ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
16. 17.	Макрошлиф образца, подвергнутого поверхностной индукционной закалке Макрошлиф образца, подвергнутого химико-термической обработке (цементации)	Видна разная степень потемнения закаленной зоны у поверхности и незакаленной внутренней зоны вследствие различий в микроструктуре. Видны две зоны, отличающиеся по степени потемнения: поверхностный слой с повышенным содержанием углерода и структурой, отличающейся от структуры сердцевины образца, имеющей пониженное содержание углерода.

Таблица 2. Коллекция изломов поверхностей разрушения металлических материалов

№№ образца	Вид излома	Описание поверхности разрушения
1.	2.	3.
4. 11. 12. 13. 14. 15.	Излом образца литого металла небольшого размера Продольный излом прокатанной стали с флокенами Камневидный излом Нафталиновый излом Шиферный излом Усталостный излом вала	Столбчатые кристаллы по всему сечению излома. На темно-серой поверхности разрушения видны небольшие светлые участки овальной формы («флокены»). В этих участках разрушение произошло по поверхности образовавшихся в стали небольших внутренних трещин. Хрупкое разрушение по границам крупных зерен, образовавшихся при сильном перегреве стали (высокой температуре нагрева). Хрупкое разрушение по объему зерен перегретой быстрорежущей стали (Fe-C-W-Mo-Cr-V) Гладкая поверхность разрушения с характерным блеском плоскостей крупных зерен. Поверхность разрушения имеет слоистое строение вследствие наличия повышенного количества неметаллических включений при недостаточном раскислении стали (излом вдоль волокон деформированной стали). Две зоны поверхности разрушения: гладкая фарфоровидная поверхностная зона усталости и более крупнокристаллическая внутренняя зона «долома» хрупкого или вязкого разрушения.

Рис. 2. Схемы макроструктур и поверхностей разрушения

металлических материалов.

Продолжение рис. 2.

ЧАСТЬ 2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

Задание 1. Выявление зональной ликвации серы в стали

1. 
   Смочить лист фотобумаги в 5 %-ном растворе серной кислоты
   H₂SО₄, а затем слегка просушить фильтровальной бумагой.
   
2. 
   Наложить лист фотобумаги эмульсионной обороной на поверхность
   отшлифованного образца и прокатать осторожно резиновым валиком. Сдвиг фотобумаги по шлифу при этом недопустим.
   
3. 
   Снять фотобумагу через 3 …5 минут с поверхности шлифа, промыть в проточной воде, поместить в 10 %-ный раствор гипосульфита для фиксирования.
   

4. Промыть фотобумагу в проточной воде и просушить.

Полученный на фотобумаге «серный» отпечаток вклеить в отчет, описать характер распределения серы в исследуемом образце стали.

Примечание

Распределение серы в стали в виде сульфидов MnS передается на поверхность фотобумаги в результате следующих химических реакций:

MnS + H₂SО₄ = Mn SО₄ + H₂S 

2AgBr + H₂S = Ag₂S + 2HBr

Образующийся газообразный сероводород H₂S при воздействии на фотобумагу дает сульфид серебра Ag₂S.Большему количеству серы соответствует более темно-коричневые участки Ag₂S на фотобумаге.

Задание 2. Выявление поверхностного слоя, созданного химико-термической обработкой

1. 
   Протравить поверхность шлифа 15 %-ным водным раствором азотной
   кислоты в течение 10…15 секунд.
   
2. 
   Протереть поверхность шлифа ватным тампоном, смоченным в спирте.
   

Просмотреть протравленный шлиф, зарисовать в отчете и определить глубину поверхностного слоя с помощью линейки. Написать объяснение причины разной травимости поверхностного слоя и внутренней части макрошлифа.

Задание 3. Выявление поверхностного закаленного слоя , созданного индукционной закалкой:

1. Протравить поверхность шлифа 15 %-ным водным раствором азотной кислоты в течение 10…15 секунд.

2. Протереть поверхность шлифа ватным тампоном, смоченным в спирте.

Просмотреть протравленный шлиф, зарисовать в отчете и определить глубину закаленного слоя с помощью линейки. Написать объяс­нение причины разной травимости закаленного поверхностного слоя и внутренней части макрошлифа.

Задание 4. Изучение макроструктуры сварного соединения

1. Поместить шлиф в 10 % - ный раствор медь – аммония хлористого и выдержать в течение 15 мин.

2. Смыть водой с поверхности шлифа образовавшийся слой меди, протереть спиртом и просушить.

Просмотреть, протравленный; шлиф, зарисовать в отчете и ука­зать наблюдаемые зоны сварного соединения: наплавленный металл дендритного строения, основной свариваемый металл и промежуточная, более темная узкая зона термического влияния.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который должен содержать следующие разделы:

1. 
   Цель работы.
   

2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при выполнении работы.

3. Теоретические положения: понятие макроанализа и фрактографии, описание макроструктуры литого и горячедеформированного материалов, перечень макродефектов и изломов лабораторной коллекции образцов.

4. Методика проведения работы и полученные результаты:

• 
  Наименование, зарисовка и описание строения типовых образцов №№ 1,2,5,7,14,17.
  
• 
  Наименование практического задания, последовательность его выполнения, зарисовка и описание макроструктуры (по заданию 1 в отчет вклеивается «серный» отпечаток на фотобумаге).
  

В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.

Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ И САМОПРОВЕРКИ

1. Понятие макроанализа и фрактографии.

2. Какую макроструктуру имеют литые и горячедеформированные металлические материалы?

3. Какое строение имеют слитки спокойной и кипящей стали?

4. Назовите примеры макродефектов прокатанных материалов.

5. Какое строение имеет поверхность разрушения в случаях нафталинистого излома и шиферного излома?

6. Какие две зоны имеют поверхность разрушения в случае усталостного излома вала?

7. Какой вид имеют поверхности вязкого и хрупкого разрушения при их изучении с помощью электронного микроскопа?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная:

Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностр. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюшин; под ред. Г.П. Фетисова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. 862 с.

Дополнительная:

Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 7-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 648 с.