Какова цель исследования металлов кратко
Обновлено: 02.07.2024
Микроструктура – структура материала, выявленная методом микро структурного анализа (микроанализа). Микроанализ – способ изучения структуры материала с помощью металлографического микроскопа при увеличении до 3000 раз. Микроструктура показывает размер, форму и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Фаза – однородная часть металла или сплава, имеющая одинаковый состав, строение, свойства, агрегатное состояние и отделённая от других частей поверхностью раздела. Микроанализ осуществляется на микрошлифах в режиме качественной и количественной оценок структуры металлов и сплавов.
При изучении микрошлифов решаются следующие задачи:
- выявление формы и определение величины зерна металлов и сплавов;
- определение загрязнённости металлов и сплавов неметаллическими включениями;
- выявление фазового состава и тонкой структуры металлов и сплавов в литом и деформированном состояниях, после различных видов термической и химико-термической обработки;
- выявление несплошностей металла в виде микропористости, микротрещин, раковин и т.д.;
- определение типа (иногда и марки) материала.
Методика подготовки микрошлифов включает следующие операции:
1. Вырезка образца в необходимом месте предпочтительно методом холодной механической обработки или отбор в качестве образца детали малых размеров. В качестве образцов обычно используются кубик с ребром 10 мм или цилиндр диаметром и высотой 10мм. В случае изготовления микрошлифов из очень мелких деталей (проволока, осколки) их зажимают в специальных струбцинах или запрессовывают в пластмассу.
2. Шлифование микрошлифа производится для удаления грубых рисок, оставшихся после вырезки образца. Шлифование производится с изменением направления движения образца на 90о на шлифовальной бумаге методом последовательного перехода от бумаг с большим к бумагам с меньшим зерном. Для удаления остатков абразива шлифы промывают водой и высушивают фильтровальной бумагой.
3. Полирование микрошлифа производится для окончательного удаления рисок и других мелких дефектов поверхности механическим, химико-механическим и электрохимическим способами. Наилучшие результаты даёт электрохимическая полировка, которая позволяет полностью избежать искажений структуры в поверхностном слое (слой Билби), появляющихся пришлифовке и механической полировке. Однако наибольшее распространение в практике получил механический способ полирования на полировальном круге, обтянутом фетром или сукном. Для полировки черных металлов наибольшее распространение получила паста ГОИ, в которой в качестве абразива используется окись хрома. Полирование на круге, вращающемся со скоростью порядка 600 мин-1, завершается получением зеркально гладкой поверхности при отсутствии видимых под микроскопом рисок и царапин. Отполированная поверхность промывается проточной водой, затем спиртом и сушится фильтровальной бумагой;
4. Травление микрошлифов необходимо для выявления структурных составляющих материала. Для выявления структуры необходимо создать рельеф поверхности и окрасить в различные цвета структурные составляющих материала. Поставленная цель достигается методами химического, электролитического, теплового, окислительного травления. Наибольшее распространение получил метод химического травления, который можно рассматривать как процесс электрохимической коррозии. Ввиду различной коррозионной стойкости фаз металла, границ зерен, анизотропных составляющих при травлении создаётся микрорельеф металла, состоящий из плоских участков металла и впадин.
Вследствие интерференции света впадины под микроскопом будут темными, а плоские участки микрошлифа – светлыми (pиc. 2.2).
Рис. 2.2. Схема отражения лучей от плоскости зерен и их границ
Технология травления включает: обработку полированной поверхности микрошлифа в реактиве до получения слегка матового оттенка, промывании водой, затем спиртом и сушку фильтровальной бумагой. В зависимости от химического состава материала, вида предшествующей обработки и цели исследования чаще всего используются реактивы в виде слабых водных или спиртовых растворов кислот и щелочей, а также смеси различных кислот. Составы наиболее распространенных реактивов представлены в таблице 2.2.
При качественном микроанализе исследование микрошлифа начинается сразу после полирования, т.е. в "натравленном" виде. В этом случае определяются качество приготовления шлифа, несплошности металла в виде микропористости, микротрещины, неметаллические включения в виде сульфидов, оксидов и т.д. На микрошлифе дефекты сплошности имеют темный цвет, неметаллическим включениям соответствуют темные участки или участки отличающиеся по цвету от светлого поля шлифа.
Более полное изучение структуры материала производится на микрошлифах после травления. В этом случае выявляются границы зерен, фазовое строение, характер предшествующей обработки, вид металлов и сплавов. На рис. 2.3. приведены микроструктуры отдельных сплавов и примеры их условных зарисовок.
Рис. 2.3. Микроструктура сплава (вверху) и ее условная зарисовка (внизу)
а – феррит(Ф) + перлит (П) (доэвтектоидная сталь);
б – перлит (эвтектоидная сталь); в – перлит + цементит (Ц) (заэвтектоидная сталь)
Величина зерна определяется следующими методами:
- визуального сравнения видимых под микроскопом зерен с эталонными шкалами;
- подсчета количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа;
- подсчета пересечений границ зерен отрезками прямых;
- измерения длин хорд. В методе визуального сравнения зерна с эталонными шкалами устанавливается полезное увеличение микроскопа 100х (допускаются увеличения 90-105х), просматривается вся площадь шлифа и несколько типичных мест сравниваются с эталонными шкалами, приведенными на рис.2 .4.
Рис. 2.4. Эталонная шкала для определения величины зерна:
1-8 – номер зерна; х100х
За однородную структуру принимается структура, соответствующая одному из эталонов шкалы, например, G2. Разнозернистой считается структура, в которой имеются зерна, отличающиеся от преобладающей структуры более чем на один номер и занимающие на шлифе площадь более 10 %. Такая структура оценивается двумя и более номерами, которые записываются в порядке уменьшения занимаемых ими площадей, например, G2, G4, G5.
Условно принято считать, что стали с зерном от первого до пятого номера относятся к крупнозернистым, с более высоким номером – к мелкозернистым. Метод визуального сравнения с эталонными шкалами широко используется для рядовых исследований в заводских лабораториях, при приемо-сдаточных испытаниях, выборе режимов термической обработки и т.д.
Для определения величины зерна в разнозернистой структуре используется метод измерения длин хорд-отрезков, отсекаемых в зернах прямыми линиями.
Поскольку осуществляется случайная выборка массива зерен из генеральной совокупности, в расчете используется исправленное выборочное среднеквадратичное отклонение. Чем меньше s, тем более однородная структура по размеру зерна.
Коэффициент вариации (d) характеризует рассеивание среднего условного диаметра и позволяет в первом приближении выбрать теоретический закон распределения случайной величины (зерна)
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
по выполнению лабораторно-практических работ
по учебной дисциплине
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
для обучающихся по профессии
преподаватель спецдисциплин Белкина В.В.
1 . Пояснительная записка…. ……………………………………………. 3
2. Лабораторно-практические работы
Лабораторно-практическая работа№1
Макроанализ металлов и сплавов ……………………………. 5
В методических рекомендациях приведено описание 6 лабораторно-практических работ, охватывающих все основные разделы электроматериаловедения.
Лабораторно-практические работы активизируют познавательную деятельность обучающихся, так как требуют их личного участия в проведении различного рода исследований и предназначены для углубления и закрепления обучающимися теоретических знаний расчета и анализа и приобретения практических навыков в решении различных ситуационных задач, которые могут быть использованы в будущей практической деятельности. Обучающиеся учатся работать с различной литературой, методическими и справочными пособиями.
Описание работы включает в себя: номер и наименование работы, указание цели работы, краткие теоретические сведения, перечень оборудования, аппаратуры и материалов, а также порядок её выполнения и контрольные вопросы.
Перед выполнением лабораторно-практической работы обучающийся должен повторить или изучить материал, относящийся к теме работы, лекционным записям, учебной литературы и соответствующим методическим инструкциям.
По каждой лабораторно-практической работе обучающийся оформляет отчет. При необходимости отчет по лабораторно-практическому занятию может быть дополнен устным ответом обучающегося, поэтому, необходимо хорошо владеть знаниями, полученными на теоретических занятиях.
Порядок составления отчета
Каждый обучающийся должен составить отчет о выполненной работе. Отчет должен быть озаглавлен. В заголовке отчета указывают номер работы, ее полное наименование и цель работы.
При составлении отчета необходимо:
- кратко описать содержание работы;
- указать используемые аппаратуру и оборудование;
Электрические схемы, кривые и графики должны быть аккуратно вычерчены и приложены к отчету.
Критерии оценки
Критериями оценки выполнения лабораторно-практических работ является соблюдение требований к выполнению работ.
Работа, выполнена в полном объеме, в соответствии с требованиями (90-100%выполнения). Ответы на все вопросы полные и правильные. Материал систематизирован и излагается четко.
Работа, выполнена в полном объеме с небольшими погрешностями или недочетами ( 75-89% выполнения).Допущены в ответах отдельные неточности, исправленные с помощью преподавателя. Наблюдается некоторая несистематичность в изложении.
Работа, выполнена с принципиальными погрешностями ( 50-74%. выполнения). Заметная неполнота ответа, допущенные ошибки и неточности не всегда исправляются с помощью преподавателя. Не во всех случаях объясняются изложенные факты.
Лабораторно-практическая работа не выполнена или выполнена с многочисленными погрешностями ( менее 50%). Изложение носит трафаретный характер, имеются значительные нарушения последовательности изложения материала.
Если лабораторно-практические работы не выполнены в полном объеме, обучающийся к промежуточной аттестации не допускается.
ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1
Тема: Макроанализ металлов и сплавов
Цель работы: изучить методы исследования строения металлов, получить практические навыки проведения макроанализа.
Оборудование и материалы: компьютер, проектор, экран, учебник Л.В. Журавлева Электроматериаловедение; образцы материалов.
Порядок выполнения работы.
1.Задание. Изучить методы металлографического анализа.
Дать описание экспериментальной части макро- и микроанализа.
Провести анализ микроструктуры образцов, изобразить схему макроструктуры стального слитка.
Определить качество металла.
2. Вопросы к зачету
1.Какова цель исследования металлов?
2.Что такое микроструктура металлов?
3.Как приготовить образец металла для микроанализа?
4.Что такое макроструктура металлов?
5.Как подготовить образец для макроанализа?
6.Каким образом размер зерна влияет на механическую прочность металла или сплава?
Раздаточный материал к лабораторно-практической работе №1
Методы исследования металлов.
Основной целью любого метода исследования является получение достоверной информации о строении и свойствах изучаемого материала. Чем больше и разнообразнее информация, тем точнее можно предвидеть поведение материала в реальных конструкциях и целенаправленнее изменять его свойства различными видами обработки.
По характеру получаемой информации методы исследования металлов и сплавов можно разделить на три группы.
1. Исследование механических свойств.
2. Исследование макро- и микроструктуры (металлографический анализ).
3. Физические методы исследования.
Как правило, процесс исследования металлов ведут методами первой группы затем второй и далее третьей. В данной лабораторной работе необходимо лишь познакомиться с приборами и методами первой и третьей групп и изучить методы исследования структуры металлов.
Металографический анализ.
Металлографический анализ проводится с целью изучения влияния химического состава и различных видов обработки на структуру металла.
Различают макро- и микроструктуру. Соответственно, металлографический анализ подразделяется на макроанализ и микроанализ.
Макроструктура – это строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 крат).
Микроструктура – это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях (более 50 крат) с помощью микроскопа.
Макроанализ дает представление об общем строении металла и позволяет оценить его качество после различных видов обработки: литья, обработки давлением, сварки, термической и химико-термической обработки.
Не выявляя подробностей строения, макроанализ позволяет определить участки металла, требующие дальнейшего микроскопического исследования. Макроанализ позволяет определить:
1. Нарушения сплошности металла: центральную пористость, свищи, подкорковые пузыри, трещины, непровары и газовые пузыри при сварке;
2. Дендритное строение, размеры и ориентацию зерен в литом состоянии;
3. Химическую неоднородность литого металла – ликвацию (исследуется макрошлиф);
4. Волокнистое строение деформированного металла;
5. Вид излома: вязкий, хрупкий, нафталинистый, камневидный;
6. Глубину слоя после химико-термической обработки (исследуется излом).
Макроанализ проводят на продольных и поперечных макрошлифах (темплетах) и изломах. Для успешного выполнения макроанализа необходим выбор наиболее характерного для изучаемого изделия сечения или излома. Вырезанные темплеты подвергают механической обработке, химическому травлению и исследованию.
Методы макротравления подразделяют на три группы: глубокого травления; поверхностного травления; отпечатков. Структура, выявляемая глубоким травлением, слабо зависит от подготовки поверхности образца; поверхностное травление или метод отпечатков требует более тщательной подготовки поверхности. Способы макроанализа различны в зависимости от состава сплава и задач, стоящих перед исследователем. Для многих марок стали, с целью выявления дефектов, нарушающих сплошность, применяют горячий (60–80 С) 50-% водный раствор соляной кислоты. Темплеты травят в течение 5–45 мин. до четкого выявления макроструктуры – это глубокое травление.
Химическую неоднородность стали, например, ликвацию фосфора, серы, свинца определяют методом поверхностного травления и отпечатков.
При необходимости полного макроскопического исследования, а также определения нарушений сплошности металла и дефектов строения целесообразно придерживаться следующей последовательности; сначала травить образец реактивом поверхностного травления, затем снова шлифовать и определять распределение серы по отпечатку на фотобумаге, после чего производить глубокое травление для определения нарушений сплошности.
Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры специально подготовленных образцов (микрошлифов) при увеличениях от 30–50 до 1500–1800 крат.
Микроанализ проводят с целью определения:
1. Количества, размеров и типа структурных составляющих;
2. Фазового состава сталей и сплавов;
3. Связи химического состава, условий производства и обработки сплава с его микроструктурой и свойствами.
Для проведения высококвалифицированного микроанализа необходимы знания не только в области металлографии, но и в методике приготовления микрошлифов, в устройстве микроскопов и методах микроскопического анализа.
Приготовление микрошлифа обычно включает следующие основные операции.
1. Вырезку образцов и подготовку поверхности.
Выбор числа образцов, места вырезки и сечения материала, по которому проходит плоскость микрошлифа, определяется целью металлографического исследования, размерами, формой и особенностями структуры изучаемого объекта.
Наиболее удобны простые формы образцов следующих размеров: цилиндр или параллепипед с диаметром или стороной основания 10–20 мм и высотой 10–15 мм. Образцы малых размеров (лента, проволока) или сложной конфигурации после вырезки для изготовления шлифов помещают в пластмассы или легкоплавкие сплавы, используя заливку или запрессовку в цилиндрические обоймы. Наиболее часто для холодной заделки шлифов используют эпоксидные смолы. Они обладают достаточной твердостью, малой объемной усадкой при отверждении и хорошо соединяются с большинством металлических образцов.
Обработку шлифа на плоскость производят с помощью напильника или наждачного круга. Затем производят шлифовку вручную или на шлифовальных станках. Шлифование осуществляют на 4–5 номерах наждачной бумаги, последовательно уменьшая размер абразива. Направление движения образца по наждачной бумаге при смене номера бумаги следует изменять на 90, а шлифование на одном номере вести до исчезновения рисок от предыдущей шлифовальной бумаги. При смене номера бумаги следует удалять со шлифа частички абразива. После шлифования на последней бумаге шлиф тщательно промывают в воде, чтобы частички абразива не попали на полировальный круг.
При шлифовании очень мягких металлов в ряде случаев шкурку предварительно смачивают в керосине или натирают парафином (например, при изготовлении микрошлифов из алюминия), чтобы свести к минимуму вдавливание абразивных частиц в поверхность шлифов.
Полирование служит для удаления мелких рисок, оставшихся после шлифования, и получения гладкой зеркальной поверхности шлифа. Применяют механическое или электрохимическое полирование.
Механическое полирование производят на вращающемся круге с натянутым полировальным материалом (фетр, сукно, драп), на который непрерывно или периодически наносят очень мелкий абразив в виде суспензии в воде. В качестве абразивов применяют оксид хрома, оксид алюминия и оксид железа. Все более широкое использование находят полировальные алмазные пасты, которые наносят на специальную ткань или бумагу.
Полирование ведут до получения зеркальной поверхности, и оно считается законченным, когда на поверхности шлифа под микроскопом не наблюдаются риски или царапины. После полировки шлиф промывают в воде или спирте и сушат полированную поверхность фильтровальной бумагой.
Электрохимическое полирование основано на использовании процесса анодного растворения металла, который при определенных условиях протекает с образованием гладкой блестящей поверхности. Образец после механического шлифования погружают в качестве анода в электролизную ванну и выдерживают при заданном режиме (напряжении, плотности тока и температуре электролита) определенное время. Катодом обычно служит пластинка, изготовленная из нержавеющей стали.
Преимуществом электрополировки является отсутствие на поверхности шлифа деформированного слоя, образующегося при шлифовании или механическом полировании.
Рисунок - Стандартная шкала размеров зерна
Работоспособность (качество) металла зависит от размеров природного зерна, а также от вида рабочей нагрузки на деталь (таблица 2.1).
Рис. 1. Схема освещения шлифа в металлографических микроскопах
Если шлиф металла не травлен, то практически весь световой поток отражается от шлифа и попадает в окуляр микроскопа (см. рис. 2, а ). На травленом шлифе образуется микрорельеф из-за различной способности к растворению и окислению границ зерен, основы зерна и различных фаз (см. рис. 2, б ). В результате различные участки шлифа по-разному отражают лучи света, что и позволяет наблюдать в микроскоп структуру металлов и сплавов (см. рис. 2, в , г ).
Рис. 2. Формирование изображения структуры шлифа
в металлографическом микроскопе:
а – отражение лучей от полированной поверхности;
б – отражение лучей от травленой поверхности;
в – вид в микроскопе травленой поверхности однофазного шлифа;
г – вид в микроскопе травленой поверхности двухфазного шлифа
Основными характеристиками микроскопа являются его разрешающая способность и увеличение. Разрешающая способность характеризуется минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно. Например, разрешающая способность невооруженного глаза составляет около 0,2 мм. Разрешаемое расстояние объектива микроскопа определяется соотношением:
где – длина волны света ( = 0,55 мкм для белого света),
А – числовая апертура объектива (выгравирована на оправе объектива).
Если учесть, что числовая апертура у лучших объективов равна 1,4, то минимальное разрешаемое расстояние светового микроскопа равно 0,2 мкм. Окуляр в микроскопе только увеличивает промежуточное изображение объекта, которое дает объектив, и не повышает разрешающую способность микроскопа.
Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра, так как изображение предмета увеличивается в объективе и окуляре. Увеличение современных металлографических микроскопов может быть от 60 крат до 1500 при визуальном наблюдении и до 2000 крат при фотографировании. Увеличение микроскопа при фотографировании легко определить с помощью объект-микрометра – металлической пластинки с полупрозрачным стеклом в центре. На стекло нанесена шкала длиной 1 мм, разделенная на 100 частей, т. е. цена деления 0,01 мм. Установив объект-микрометр на столик микроскопа и добившись четкого изображения делений на матовом стекле фотографического устройства, определяют увеличение, соотнося расстояние на стекле с истинным расстоянием по объект-микрометру.
Рис. 3. Оптическая схема микроскопа МИМ-7
Большинство металлографических исследований проводят с применением светлопольного (вертикального) освещения. Для дополнительного повышения контрастности применяют другие методы и виды освещения, например, косое освещение, поляризованное освещение, метод фазового контраста, метод интерференционного контраста. Следует, однако, отметить, что в большей части выпускаемых в стране металлографических микроскопов используется лишь 2–3 дополнительных вида освещения.
Наиболее широко в металлографических лабораториях применяют микроскопы МИМ-7, МИМ-8, ММУ-3, ММР-4. На рис. 3 приведена оптическая схема микроскопа МИМ-7. Световые лучи от источника света 1 проходят через собирательную линзу (коллектор) 2, отражаются от зеркала 3, проходят через светофильтр 4, апертурную диафрагму 5, линзу 6, фотозатвор 7, полевую диафрагму 8 и, претерпев полное внутреннее преломление в поворотной призме 9, попадают на полупрозрачную плоско-параллельную пластинку 11. Часть светового потока проходит через нее и рассеивается в микроскопе, а часть лучей отражается вверх от пластинки, проходит через объектив 12 и через отверстие в предметном столике попадает на шлиф 13. Отраженные от шлифа лучи проходят через объектив 12, через прозрачную плоско-параллельную пластинку 11 и, отразившись от зеркала 14, через окуляр 15 попадают в глаз человека. В случае фотографирования зеркало 14 выдвигается в сторону вместе с окулярным тубусом, и лучи света проходят через фотоокуляр 16, отражаются от зеркала 17 и попадают на матовое стекло фотокамеры или на фотопластинку в кассете, вставленной вместо матового стекла.
1. Наименование и цель работы.
2. Оборудование и материалы, используемые в работе.
3. Методы исследования металлов (кратко).
4. Металлографический анализ (кратко).
5. Дать описание экспериментальной части, привести рисунки.
6. Провести анализ макро- и микроструктуры образцов.
На чем основаны физические методы исследования металлов?
На чем основан рентгеноструктурный анализ?
Какова цель исследования металлов?
Что такое разрешающая способность микроскопа?
Недостаток механической полировки?
Что такое микроструктура металлов?
Как приготовить образец металла для микроанализа?
Достоинство электролитического полирования?
Что такое макроструктура металлов?
Как подготовить образец для макроанализа?
Как выглядит в микроскопе недотравленный шлиф металла?
На чем основано электролитическое полирование?
Травление микрошлифов
Железоуглеродистые сплавы (сталь, чугун)
1–5-% раствор HNO 3 в этиловом спирте. Реактив выявляет структуру закаленной, отпущенной и отожженной стали. Травление от нескольких секунд до минут.
Насыщенный водный раствор пикриновой кислоты с добавкой 1–5 % поверхностно-активных веществ, входящих в состав моющих порошков. Служит для выявления границ зерен аустенита в закаленной стали. Травление при 20 С от 5 до 30 мин., при 70 С – 0,5–6 мин.
3 части HCl и 1 часть HNO 3 . Реактив выявляет структуру нержавеющих сталей и сплавов. Перед употреблением реактив необходимо выдержать 20–30 часов.
Медь и ее сплавы
1. 15 см 3 HCl; 5 гр. FeCl 3 ; 100 см 3 воды. Время травления от 30 сек. до 2 мин. Шлиф травят последовательным втиранием, а затем погружают в реактив.
Алюминий и его сплавы
1. 5–20-% раствор NaOH в воде. Травят шлиф погружением или втиранием от 30 сек. до 1 мин. Темный налет, образующийся на шлифе, удаляют погружением в концентрированную азотную кислоту.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Научиться измерять твёрдость металлических образцов различными методами.
Ознакомиться с условиями применения того или иного метода определения твёрдости; подготовкой образцов для измерения твёрдости; устройством приборов для измерения твёрдости.
Проследить зависимость твёрдости металлов от состава сплава.
Оборудование и материалы для выполнения работы
Приборы Бринелля, Роквелла, Виккерса, микротвердомер. Образцы различных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов); образцы из меди, алюминия и сплавов на их основе; образцы из закалённой и отпущенной стали. Наждачные круги и абразивная бумага.
Порядок выполнения работы
Изучить теоретический материал по теме занятия.
Ознакомиться с приборами и методами определения твёрдости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу и микротвердости.
Измерить твердость предложенных образцов металлов и сплавов на приборах Бринелля и Роквелла. Данные внести в табл. 1 и 2 соответственно.
Определить приблизительное значение предела прочности по данным измерения твёрдости по Бринеллю.
Проанализировать результаты измерений и написать отчет.
При проектировании и производстве машин, механизмов, инструментов те или иные детали должны обладать определенными механическими свойствами. Механические свойства металлов характеризуют сопротивление материала деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Практически все методы определения механических свойств являются разрушающими. Для проведения испытаний необходимы специальные машины, процессы испытания довольно длительны, особенно если учесть весьма продолжительный процесс изготовления специальных образцов.
Механические свойства и физические свойства зависят от многих факторов: от состава материала, вида обработки (пластической деформации, термической обработки). Поэтому в процессе изготовления тех или иных деталей необходимо контролировать свойства, особенно механические. Как отмечено ранее, обычные методы испытания механических свойств не могут быть использованы на промежуточных стадиях изготовления деталей вследствие длительности и дороговизны изготовления образцов, длительности самого процесса испытания. В этом случае пользуются методами определения твёрдости.
Твёрдость имеет большое практическое значение, так как она отражает многие рабочие свойства материала, например, сопротивляемость истиранию, режущие свойства, способность обрабатываться шлифованием или резанием, выдерживать местные давления и т. д. Кроме того, по твёрдости можно судить и о других механических свойствах (например, о прочности на разрыв). Следовательно, между твёрдостью и другими свойствами материалов существует определенная связь, подтверждаемая практикой.
Широкое распространение испытаний материалов на твёрдость объясняется тем, что при этом не требуется изготовления специальных образцов; методика испытаний весьма проста и может осуществляться непосредственно на готовой детали без разрушения.
Большинство методов определения твёрдости основано на принципе вдавливания в испытуемый материал твёрдых тел (закалённого стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды) и последующего измерения размеров отпечатков. Поэтому часто твёрдость определяют, как способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела . Однако такое определение не является общим, так как существуют и другие методы определения твёрдости, основанные не на вдавливании, а на царапании, качании маятника, динамическом методе и других принципах.
Наиболее широко практикуются испытания твёрдости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу и метод определения микротвердости. Во всех перечисленных методах при вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала под индентором. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твёрдость.
По Бринеллю определяют твёрдость относительно мягких материалов: цветных металлов и их сплавов, отожжённых сталей и любых чугунов (кроме белого).
По Роквеллу чаще всего определяют твёрдость очень твёрдых материалов: закалённых сталей, твёрдых сплавов, керамики, твёрдых покрытий, в том числе наплавленных слоев достаточной глубины на сталях и чугунах. Но на приборе Роквелла можно определять твёрдость и сравнительно мягких материалов.
Метод Виккерса используется для испытания твёрдости деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твёрдость. Реже этот метод применяется для измерения твёрдости твёрдых и мягких материалов.
Методом микротвердости обычно измеряется твёрдость в пределах отдельных зёрен или очень тонких слоев. Два последних метода чаще всего используются в исследовательских работах.
Твёрдость по методу Бринелля. Определение твёрдости по Бринеллю основано на вдавливании в испытуемый материал стального шарика и последующего измерения диаметра отпечатка (рис. 1).
Твёрдость по Бринеллю ( НВ ) выражается отношением взятой нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F :
Если вычислить поверхность отпечатка, имеющего форму шарового сегмента, то НВ определится формулой
где Р – приложенная нагрузка, кгс; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.
Размер шарика выбирается в зависимости от толщины испытуемого образца: шарики стандартных размеров имеют диаметры 10 мм, 5 мм или 2,5 мм.
Нагрузка на шарик выбирается в зависимости от рода материала и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика. Условные стандартные нормы, принятые для различных материалов:
для стали и чугуна Р = 30 D 2 ,
для меди и медных сплавов P = 10 D 2 ,
для баббитов и свинцовистых бронз Р = 2,5 D 2 .
Более подробные сведения по выбору нагрузки и времени ее приложения для различных материалов приводятся в соответствующей таблице в лаборатории испытания твёрдости.
Для получения достоверных данных при измерениях твёрдости размер отпечатка должен находиться в пределах
Рис. 2
Диаметр отпечатка измеряют с помощью лупы Бринелля или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу, малое деление которой равно 0,05 мм (цена деления). На рис. 2 показано измерение диаметра отпечатка с помощью лупы.
По результатам измерения диаметра отпечатка на данном материале твёрдость по Бринеллю определяется с помощью формулы (2) или по таблице определения чисел твёрдости по Бринеллю (таблица приводится в Приложении 1).
Как отмечалось ранее, между механическими свойствами (в частности, пределом прочности и твёрдостью по Бринеллю) существует определенная зависимость, которая может быть представлена эмпирической формулой:
где С – коэффициент пропорциональности.
Для сталей (при 0,1–0,7 % C) С = 3,3…3,4
Для сталей (при 0,8–1,3 % C) С = 3,5…3,6
Для алюминия С = 4,0
Для меди С = 4,8
Для дуралюмина С = 3,7
Для латуни, бронзы С = 5,3
Следует отметить, что для хрупких материалов (чугун, силумин) надежной корреляции между твёрдостью и пределом прочности получить не удаётся. В частности, для определения предела прочности серого чугуна пользуются следующей эмпирической формулой:
Твёрдость по методу Роквелла . Определение твёрдости по Роквеллу основано на вдавливании в исследуемый материал алмазного конуса с углом в вершине 120° (шкалы А и С ) и последующим измерением глубины вдавливания h (см. рис. 3) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В ).
Рис. 3
Твёрдость по Роквеллу выражается отвлеченной величиной, зависящей от глубины вдавливания h , и может быть вычислена по формуле, но в этом нет необходимости, так как твёрдость определяется по показаниям прибора.
Метод Роквелла позволяет проводить испытания деталей после объёмной закалки и поверхностного упрочнения достаточной глубины. Определение твёрдости по этому методу практически не связано с порчей поверхности изделия.
Шкала С служит для испытания твёрдых материалов, имеющих твёрдость по Бринеллю от 230 до 700 кгс/мм 2 . Алмазный конус вдавливается с усилием 150 кгс. Интервал измерения твёрдости по шкале С – от 22 до 68 единиц, твёрдость обозначается H RС .
Шкала А используется при испытании очень твердых материалов или тонких поверхностных слоев (0,5–1,0 мм). Применяют тот же алмазный конус, но сила вдавливания 60 кгс. Значение твердости определяют по шкале С , но обозначают НRА . Интервал измерения твёрдости по этой шкале от 70 до 85 единиц.
Шкала В предназначена для испытания мягких материалов, имеющих твёрдость по Бринеллю от 60 до 230 кгс/мм 2 . Стальной шарик диаметром 1,5875 мм вдавливается с усилием в 100 кгс. Твёрдость измеряется в пределах от 25 до 100 единиц шкалы В и обозначается HRB .
Твёрдость по Виккерсу. Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d , оставшегося после снятия нагрузки (рис. 4).
Нагрузка Р может меняться от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твёрдость по Виккерсу
если Р выражена в Н, и
если Р выражена в кгс.
Метод используют в основном для определения твёрдости деталей малой толщины, тонких покрытий или твёрдости внешних слоев детали после неглубокого поверхностного упрочнения (например, после азотирования). При рациональном выборе нагрузки на приборе Виккерса можно проводить измерения, заменяя методы Бринелля и Роквелла.
Чем тоньше материал, покрытие или упрочнённый слой, тем меньше должна быть нагрузка. Число твёрдости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в миллиметрах) с учётом приложенной при измерении нагрузки.
Микротвёрдость. Определение микротвёрдости (твердости в микроскопически малых объемах) необходимо для тонких покрытий, отдельных структурных составляющих сплавов (рис. 5). Прибор для определения микротвёрдости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды с небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5,00 Н. Твёрдость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:
если нагрузка Р выражена в (Н).
Задания и методические указания
Прежде чем приступить к измерению твёрдости образца, необходимо выбрать методику определения твёрдости (Бринелль, Роквелл). Для этого необходимо знать, в каком состоянии находится данный образец или деталь (в отожжённом или закалённом). Если нет данных, то для ориентировки можно попробовать определить твердость обыкновенным напильником. Если напильник скользит по поверхности или лишь незначительно царапает металлическую поверхность, то образец имеет высокую твёрдость, и тогда следует применять метод определения твёрдости по Роквеллу. Если же образец хорошо режется напильником (легко снимается часть металла), то он имеет сравнительно низкую твёрдость, и тогда следует применять метод определения твёрдости по Бринеллю.
После выбора метода испытания необходимо подготовить образец для испытания. При использовании метода Бринелля образец подготавливают так, чтобы его поверхности (испытуемая и опорная) были параллельны и не имели окалины, ржавчины и других неровностей, влияющих на результат испытания. Это достигается (при необходимости) обработкой резанием, зачисткой или обработкой указанных поверхностей наждачной бумагой, наждачным кругом или напильником без разогрева. Минимальная толщина образца должна быть не менее
10-ти кратной глубины отпечатка.
При определении твёрдости по Роквеллу поверхности образцов (испытуемая и опорная) зачищаются на мелкой наждачной шкурке или на мелкозернистом шлифовальном круге. Зачистка не должна сопровождаться нагревом образца выше 150 °С. Опорная поверхность образца должна обеспечивать плотное и устойчивое прилегание его к опорному столику.
При определении твёрдости по методу Виккерса и микротвёрдости испытуемая поверхность образцов обязательно шлифуется и полируется (иногда для определения микротвёрдости отдельных зёрен шлиф подвергается травлению). Опорную поверхность достаточно зачистить на наждачной бумаге. При любом методе испытания образец не должен сдвигаться, качаться или деформироваться, на нем не должно быть грубых царапин, забоин, следов предыдущих испытаний.
Исследования материалов проводятся для определения их элементного состава, физико-механических параметров и основных свойств. Анализ металлов и сплавов имеет целью контроль сортности и показатели содержания добавок и примесей. Количественные и качественные характеристики их устанавливаются с использованием химических и иных методов. Широко применяются неразрушающие методы контроля, позволяющие сохранить целостность и функциональность образцов.
В каких случаях проводят анализ металла?
Физико-химические исследования металлов и сплавов осуществляются специализированными лабораториями с применением реактивов и оборудования. Анализы проводятся по заявкам заинтересованных лиц и организаций в случаях, когда необходимо установить:
Элементный, количественный и качественный состав.
Технологию изготовления образца.
Условия эксплуатации металлического изделия.
Анализы черных и цветных металлов (сплавов) могут быть направлены на определения одного показателя, свойства или характеристики, а могут иметь комплексный характер. По результатам исследований, которые проводятся в соответствии с действующими нормативами и регламентами, составляется заключение.
Методы анализа металла
Свойства различных материалов в значительной мере определяются их составов и зависит от наличия добавок и примесей. При проведении исследований металлов и сплавов применяются следующие методы:
Маркировочные. Осуществляются в соответствии с требованиями РД РТМ 26-362-80 и применяется для определения химсостава сталей (высоко- и низколегированных), чугунов, сварочных швов и наплавлений. Позволяет установить наличие легирующих и маркировочных элементов.
Экспрессные. Проводится согласно РД 153-34.1-17.467-2001 для оценки остаточно ресурса сварных швов в трубопроводах высокого давления, в том числе и в местах установки коллекторов паровых котлов.
Контрольные. Требования к методам анализа устанавливаются положениями ГОСТ 25086 -2011. Цель контрольных исследований состоит в определении элементного состава и основных химических свойств изучаемого металла или сплава.
Арбитражные. Технические анализы регламентируются положениями ГОСТ 1756-72 и используются для контроля технологических процессов производства сталей, чугуна и различных сплавов.
Маркировочные, экспрессные, контрольные или арбитражные методы анализа цветных или черных металлов (сплавов) выбираются в зависимости от целей проводимого исследования. В некоторых случаях они носят оценочный характер и направлены на определение отдельных свойств и характеристик.
Механические и лабораторные исследования металлов
Методы анализа материалов обычно разрабатываются научными учреждениями или производственными предприятиями и утверждаются нормативными документами. Исследования металлов и сплавов комплексные или по отдельным направлениям проводятся металловедческими или металлургическими лабораториями с соответствующей аккредитацией. В своей работе они используют следующие методики:
Спектральные. Существуют следующие разновидности: стилоскопирование, фотоэлектрический и атомарно-эмиссионных методов. Спектральные анализы металлов применяются для сталей, меди и сплавов (титановых, алюминиевых, медно-цинковых или магниевых), а также для бронз. Порядок проведения исследований устанавливается соответствующими ГОСТами.
Химические. Позволяют точно установить элементный состав металла, содержание углерода и мышьяк в чугунах и легированных сталях. Для химического анализа металлов особо чистых применяются различные методы концентрирования примесей ионным обменом, экстракцией или осаживанием.
Коррозийные. Оценка стойкости металлов и сплавов к агрессивным факторам среды проводится в соответствии с ГОСТ ISO 9223-2017.
Рентгенографические. Относятся к неразрушающим методам и обеспечивают сохранение образца. Наибольшее распространение получил рентгенофлуоресцентный анализ сталей, основанный на зависимости характеристик вторичного излучения от содержания элемента в контрольной пробе.
Металлографические. Микроструктурные и макроструктурные анализы сталей, чугунов и сплавов, в том числе и жаропрочных, проводится с использованием методов, установленных соответствующими стандартами. Цель – исследования структурообразования.
Металлургические. Комплекс исследований включает описания микроструктуры, измерения размерных характеристик, выявление неметаллических примесей и включений.
Ультразвуковые. Применяются для дефектоскопии изделий из черных и цветных металлов и сплавов, а также сварных соединений. Позволяют выявлять микроскопические трещины и нарушения структуры материалов.
Механические. Относятся к разрушающим методам контроля, в рамках комплексных исследований проводятся испытание образцов на удар, на твердость, на растяжение или на изгиб.
Фрактографические. Такие методы исследований позволяют проанализировать строение изломов в металлических изделиях, в том числе работающих в условиях высокого давления и термических воздействий.
Исследования микро- и макроскопической структуры, а также хим. анализ металла позволяют оценить его физико-механические характеристики и эксплуатационные качества. Выбор того или иного метода зависит от марки материала или сплава, а также параметров изделия или конструкционного узла.
Анализы структуры металлов: микро-, макро- и тонкая структура.
Строение металла условно делится на микро-, макро- и тонкую структуру. 1. Макроструктура. Макроструктуру материала изучают визуально без применения специального оборудования или при незначительном увеличении (под лупой). Осмотр помогает оценить структуру сплава после подготовки материала (шлифовка, травление) для дальнейшего исследования. С помощью макроструктурного анализа можно выявить: • явные, сплошные дефекты заготовок, которые могут стать причиной разрушения вещества (усадочная пористость, пузыри газа, трещины, раковины); • причины разрушения готовых деталей; • вид излома; • локализацию кристаллов и дендритов литья, их форму, размер; • химическую неоднородность кристаллизованного или созданного с помощью термической или химической обработки металла; • волокна деформированного сплава. 2. Микроструктурный анализ. Метод предполагает изучение металла при увеличении в 50 — 2000 раз световым микроскопом, что позволяет увидеть частицы до 0,2 мкм. Метод возможен благодаря рассмотрению структуры в отраженном свете, поэтому образцами для исследования служат микрошлифы с полированной поверхностью, в которых можно увидеть микротрещины и неметаллические составные. Для эффективности анализа, поверхность предварительно травят специальными реактивами, состав которых зависит от испытуемого вещества. Изучение микроструктуры помогает выявить форму и размер зерен, фазы и структуру вещества. Использование электронных микроскопов с большим разрешением также возможно при исследовании металла. Их изображение появляется с помощью быстрого потока летящих электронных лучей (длина волн 0,04 – 0,12)*10-8см. Просвечивающие микроскопы — проходя потоком электронов через изучаемый образец, дает картину неоднородного рассеивания электронов в структуре объекта. Косвенные и прямые методы. Косвенный анализ изучает не объект, а только его отпечаток, рельеф микрошлифа. Метод применяется с целью предупреждения повторного излучения, которое искажает картину. Прямой — просветное изучение фольги (до 300 нм). Фольгу получают из испытуемого объекта. Растровые микроскопы помогают изучить поверхность объекта и имеют немного меньшую разрешающую способность. Изображение при испытании получают при излучении электронов вторичной эмиссии с поверхности, подвергаемой потоку первичных электронов. 3. Тонкая структура. Метод основан на изучении атомно-кристаллической структуры твердой решетки с помощью рентген волн. Анализ позволяет определить химическую связь сплава, локализацию дефектов и их концентрацию, структуру, свойства, тип твердых растворов, напряжение, плотность дислокаций.
Поделитесь этим материалом:
Методы исследования структуры металлов.
Макроанализ.Этим методомопределяется макроструктура, т.е. структура металла или сплава, видимая невооруженным глазом или при небольших увеличениях, не превышающих 10-кратных.
При исследовании макроструктуры можно выявить:
а) дефекты слитка: трещины значительной величины, величину и форму усадочных раковин и рыхлостей – газовые пузыри, неметаллические включения;
б) неравномерное распределение отдельных примесей, входящих в состав стали (ликвация);
в) расположение волокна в поковках, прокате и т.д.
Макрошлифы изготовляют следующим образом. Из исследуемого металла или сплава вырезают образец, отшлифовывают одну из поверхностей, а затем травят эту поверхность реактивами (серной, соляной и другими кислотами). Поверхность травленого шлифа рассматривают при небольшом увеличении. Для определения химической неоднородности, т.е. неравномерного распределения в металле серы и фосфора, бромосеребряную фотобумагу смачивают 5-процнетным раствором серной кислоты, просушивают до удаления остатков кислоты и плотно прижимают к отшлифованной поверхности. Места, богатые серой, дадут на бумаге более темные отпечатки.
Микроанализ. Микроанализвыявляет структуру металла или сплава, видимую при большом увеличении – до 3500 раз, а в электронные микроскопы в десятки тысяч раз. Эта структура называется микроструктурой (Рис.12.).
При исследовании микроструктуры можно выявить:
а) наличие неметаллических включений;
б) величину, форму и расположение зерен;
в) отдельные структурные составляющие сплава;
г) различные микродефекты (волосовины, трещины, раковины);
д) качество термической обработки, глубину закалки, цементации, азотирования и др.
для изучения микроструктуры применяют микрошлифы, изготовленные тонким шлифованием и полированием. После полирования шлифы травят. Для травления чугуна и стали, служит 4-процентный раствор азотной кислоты в спирте, для травления алюминиевых сплавов – 0,5 – процентный раствор фтористой кислоты в воде.
Рис.12.Микроструктуры: а – алюминиевой бронзы;
Б – стали.
Рентгеновский анализ.Рентгеновский анализ применяется для следующих видов исследования металлов:
а) структуры кристаллов: формы кристаллической решетки и ее параметров;
б) определение внутренних дефектов.
Рентгеновские лучи имеют очень короткую длину волны, измеряемую в ангстремах (10-8см = 0,0000001см). Поэтому, когда они направлены на кристаллическую решетку испытываемого образца, они отражаются от ее атомов. Отраженные лучи либо усиливают падающие лучи, либо ослабляют их. Усиленные лучи дают темные пятна, на фотопластинке появляется группа пятен, имеющих определенное расположение. По характеру расположения пятен определяют форму кристаллической решетки и ее параметры.
Спектральный анализ. Химический состав металлических сплавов и других веществ можно исследовать по спектру, получающемуся от свечения их в раскаленном состоянии. Когда металлы или сплавы раскалены до состояния газа или пара, они дают характерную для каждого элемента линию спектра.
Термический анализ. Термический анализ основан на том, что в процессе нагревания и охлаждения металлов и сплавов структурные превращения всегда сопровождаются выделением или поглощением тепла. Термический анализ выявляет эти тепловые эффекты, на основании чего строятся кривые охлаждения и таким образом определяются фазовые превращения.
Дефектоскопия металлов и сплавов.Дефектоскопия металлов позволяет выявить внутренние дефекты без нарушения целостности деталей. Существуют магнитная и ультразвуковая дефектоскопия. Магнитный метод применяется для исследования дефектов в ферромагнитных металлах, например в стальных изделиях, никеле и кобальте.
Этим методом выявляются дефекты, на глубине – до 2 мм (непровар шва, трещины, неметаллические включения). Сущность способа состоит в том, что детали, имеющие дефекты, намагничивают, затем на поверхность деталей ферромагнитный порошок, например порошок железа. Дефекты металла обладают низкой магнитопроницаемостью и рассеивают магнитные силовые линии, вследствие чего по краям дефектов образуются магнитные полюсы. Магнитные силовые линии как бы огибают контуры дефектов, замыкаясь в полюсах. Ультразвуковая дефектоскопияпозволяет осуществлять эффективный контроль качества изделий и заготовок из любых металлов на большой глубине и выявлять в них дефекты без разрушения контролируемых изделий. Для контроля металлов применяют ультразвуковые волны с частотой колебаний 2 – 10 млн.
гц. Эти волны возникают при колебании пластинки из кварца или титана бария зажатой между двумя металлическими пластинками, к которым подключен переменный ток, под действием тока пластинки будут колебаться в такт электрическим колебаниям. В результате колебаний создаются звуковые волны, они направляются на поверхность изделия. Эти волны вначале вызывают колебания поверхностных слоев металла, а затем передаются вглубь и проходят через всю толщу металла. Если на пути встретится дефект, интенсивность ультразвука измениться. По изменению интенсивности ультразвука, проходящего через дефектное место, выявляют дефект.
Свойства металлов.
Чтобы судить о том, насколько различные металлы и сплавы пригодны для изготовления деталей машин, необходимо знать какими свойствами они обладают и отвечают ли эти свойства требованиям, предъявляемым к готовым изделиям.
Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов относятся электрические, магнитные, тепловые свойства, а также цвет металлов и плотность (Таблица.1.).
Цвет металлов. По цвету, металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. Черные – сплавы железа – чугун и сталь, цветные все остальные. Металлы непрозрачны. В отраженном свете металлы имеют внешний блеск, причем каждый металл характеризуется своим особым оттенком этого блеска, или, как говорят, цветом.
Плотность. Плотностью называется количество данного вещества (его масса), содержащаяся в единице объема.
Плавкость. Металлы обладают способностью расплавляться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении. Температура, при которой металл переходит полностью в жидкое состояние, называется температурой плавления. Знание температуры плавления металлов имеет большое значение, особенно в литейном деле, когда производится расплавление металлов и заполнение ими специальных форм, а также при паянии, сварке и других процессах, сопровождающихся плавлением металлов.
Теплопроводность. Теплопроводностью называется способность металлов с различной скоростью проводить тепло при нагревании и охлаждении. Единицей измерения теплопроводности служит количество тепла, распространяющегося по металлу от места нагрева через единицу площади его поперечного сечения в единицу времени при изменении температуры на единицу длинны в один градус.
Тепловое расширение. Тепловое расширение представляет собой свойство металла расширяться при нагревании. Изменение объема и линейных размеров металлов в зависимости от температуры необходимо учитывать во многих практических случаях.
Величина теплового расширения у металлов неодинакова. Чтобы оценить величину изменения длины металла при нагревании или охлаждении, точными приборами определяют изменение длины образца из данного металла и вычисляют, какое удлинение приходится на 1 мм длины при изменении температуры на 1º. Это удлинение называется коэффициентом теплового линейного расширения. При расчете теплового расширения объема изделий следует учитывать, что коэффициент теплового расширения β равен утроенному коэффициенту линейного расширения α, т.е. β=3α..
Теплоемкость. Теплоемкость – это способность металла поглощать тепло. Удельная теплоемкость характеризуется количеством тепла в больших калориях, которое необходимо, чтобы повысить температуру 1 кг металла на 1 ºС.
Электропроводность. Электропроводностью называется способность металлов проводить электрический ток. Лучшими проводниками являются те металлы, которые оказывают наименьшее сопротивление прохождению электрического тока. Сравнивать электросопротивление различных металлов принято с помощью величин удельного электрического сопротивления, т.е. сопротивления в омах, которое оказывает току проволока из данного металла длиной 1м и сечением 1мм2.
Магнитные свойства металлов. Магнитностью называется свойство металла намагничиваться или притягиваться магнитом. Подобными свойствами обладают железо и его сплавы. Наиболее заметно магнитные свойства выражены у железа, никеля, кобальта и их сплавов, называемых за эти свойства ферромагнитными.
Таблица.1. Физические свойства некоторых металлов
| Металлы | Химический знак | Плотность г/см3 |
| Алюминий | Al | 2,7 |
| Железо | Fe | 7,8 |
| Медь | Cu | 8,9 |
| Олово | Sn | 7,3 |
| Свинец | Pb | 11,4 |
| Цинк | Zn | 7,1 |
| Металлы | Температура плавления Сº. | Коэффициент линейного расширения на 1º. | Удельное электрическое сопротивление (ом · мм2/м) |
| Алюминий | 0,000021 | 0.027 – 0,030 | |
| Железо | 0,000012 | 0,092 | |
| Медь | 0,000017 | 0,017 | |
| Олово | 0,000023 | 0,120 | |
| Свинец | 0,000027 | 0,100 | |
| Цинк | 0,000030 | 0,60 |
Узнать еще:
Этапы и методы исследований
Комплексное изучение физического состава и структуры металла проводится в специализированных металлографических лабораториях. Несмотря на большое разнообразие методик, предназначенных для различных металлов и сплавов, в общем виде все исследования в металлографии включают в себя следующие этапы:
- Подготовка металлографических шлифов — тонких полированных металлических пластинок.
- Различные виды травлений и иные виды обработки шлифов.
- Изучение структуры образца под микроскопом.
- Анализ полученных изображений и описание результатов.
Выбор того или иного метода металлографического анализа зависит от физико-химических характеристик исследуемого материала, среди которых одними из самых значимых являются размеры и контрастность его зерен.
Подготовка образцов
В металлографии при подготовке исследуемых образцов применяют лабораторное оборудование, разработанное специально для их шлифовки, полировки и травления. Шлифовально-полировальные установки представляют собой станки с круглым вращающимся столом, на который крепится абразивная бумага или нетканый материал, пропитанный шлифовальной суспензией. Металлографические шлифы крепятся на оснастку при помощи термореактивных полимеров или эпоксидной смолы, а точность их прижима к шлифовальному кругу контролирует электронная система управления.
После такой обработки отдельные структурные элементы металлографического образца хорошо видны даже невооруженным глазом, а другие становятся хорошо различимыми под оптическим микроскопом. Кристаллическая структура некоторых металлов не требует дополнительной химической обработки, т. к. хорошо проявляется в поляризованном свете. Для других материалов в металлографии обычно применяют химическое или электролитическое травление, которое делает более отчетливой структурную компоновку металлографического шлифа.
Оборудование
Размер зерен металлических материалов лежит в диапазоне от 1 до 1000 мкм. Поэтому при металлографических исследованиях применяют различные типы оборудования, обладающего соответствующей разрешающей способностью:
- световые оптические микроскопы с различными типами подсветки;
- просвечивающие электронные микроскопы;
- сканирующие электронные микроскопы;
- установки рентгеновской дифракции.
Применяемые в металлографии оптические микроскопы имеют разрешающую способность не более 0.2 мкм, при этом изучение образцов, как правило, производится при увеличении в диапазоне 50÷1000х. Также при металлографическом анализе применяют оборудование с гораздо меньшим увеличением, что позволяет включать в поле обзора крупные кристаллические образования, например, дендриты. Для повышения контрастности изображения микроскопы в металлографии оснащаются оптическими устройствами, позволяющими изучать объект в отраженном свете (по методу светлых или темных полей) и с подсветкой поляризованными лучами.
В случае невозможности получения надлежащих результатов с помощью оптического оборудования в металлографии применяют электронные микроскопы. К таким исследованиям прибегают гораздо реже, так как этот вид металлографического анализа значительно дороже и занимает больше времени. Кроме того, эти устройства имеют ряд технических ограничений.
У используемых в металлографии сканирующих электронных микроскопов при увеличениях менее, чем 500х, четкость изображений становится ниже, чем у световых. А просвечивающие, как правило, не предназначены для использования на увеличениях менее 2000х. Установки рентгеновской дифракции применяются в металлографии реже, т. к. являются узкоспециализированными и больше предназначены для определения доли различных фракций, имеющих разные кристаллические структуры.
Определение количественных показателей
Количественная металлография применяется для оценки геометрических параметров и пространственного расположения кристаллических элементов и примесей с использованием различных видов математического моделирования. Это могут быть как простые методы интерполяции, основанные на измерении толщины слоя или видимых линейных размеров частиц, так и построение стереометрических моделей. В последнем случае в металлографии используют стереологические методы, которые позволяют получать количественную информацию о трехмерном объекте путем обработки данных, полученных на основании геометрических характеристик его двухмерных срезов.
Читайте также: