Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Рис. 2.13. Фотографии нетравленых полированных шлифов Увеличение 100 крат:

а – холодная сварочная трещина, причина появления такой трещины – неправильно выбранный режим сварки; б – коррозионная язвина на поверхности материала, приведшая к развитию трещин в процессе эксплуатации (коррози- онно-усталостное разрушение); в – поры «нейтронного распухания» вследствие радиационного облучения материала; г – коррозионное повреждение, развивающееся по механизму межкристаллитной коррозии; д, е, ж – неметаллические включения; з, и – видимая поверхность чугунных шлифов

(з – хлопьевидного, и – пластинчатого)

При раскислении в стали образуются соединения кислорода и кремния, которые в основном переходят в шлак, лишь незначительная их часть остается в стали в виде простых и сложных оксидных и силикатных включений (FeO, SiO2 и др.). Сера в расплавленной стали растворена в металле, а при его охлаждении выделяется в виде сульфидных включений. Чаще всего это сульфиды железа (FeS) и марганца (МnS), оксисульфидные включения железа и марганца, сульфиды молибдена, титана и других элементов. Нит-

81

риды и карбонитриды можно обнаружить в сталях, содержащих сильные нитридообразующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, B).

Из посторонних включений в стали встречаются частицы кварца, стекла различного состава, включения огнеупоров и шлака. В чугуне наблюдаются те же основные виды включений, что

ив стали, их состав зависит от состава чугуна. В цветных металлах чаще всего присутствуют кислородные, фосфидные и сульфидные включения.

Неметаллические включения оказывают в большинстве случаев вредное влияние на свойства металла: уменьшают прочность

ипластичность, охрупчивают, понижают сопротивление коррозии, ухудшают технологические свойства. Поэтому содержание неметаллических включений в стали контролируют и регламентируют. Неметаллические включения можно определять по физическим, геометрическим, механическим и химическим признакам. К ним относятся: цвет, способность к отражению света, размер и форма, изменение формы при пластической деформации, отношение к различным химическим реактивам.

Отражательная способность большинства неметаллических включений намного ниже, чем металла, поэтому под микроскопом они выглядят значительно темнее (см. рис. 2.13, д–ж).

Неметаллические включения могут иметь различные размеры. Наиболее крупными являются посторонние включения. Природные включения обычно имеют размеры в пределах 2–150 мкм.

Частицы неметаллических включений могут иметь самые разнообразные формы. Округлую форму имеют включения закиси железа и силикатные стекла. Встречаются включения в виде дендритов, например сульфиды марганца. Включения кристаллической, правильной формы имеют нитриды титана и циркония.

Выявление структуры материала. Для выявления структу-

ры подготовленный шлиф подвергают травлению. Для травления микрошлифов в зависимости от химического состава, способа обработки, а также целей исследования применяют различные реактивы. Для выявления микроструктуры чаще всего применяют слабые спиртовые или водные растворы кислот или щелочей, а также смеси различных кислот.

Любой металл или сплав является поликристаллическим телом, т. е. состоит из большого числа различно ориентированных

82

кристаллитов или зерен. На границе зерен даже чистых металлов обычно располагаются различные примеси. Кроме того, граница зерен имеет более искаженное кристаллическое строение, чем тело зерна. Ионы (атомы) металла на границах и внутри зерна различаются уровнями свободной энергии. В электрохимической паре (граница зерна–поверхность того же зерна) электродный потенциал границы имеет более отрицательное значение, чем у зерна. Под действием реактивов границы зерен, а также структурные составляющие с более низким потенциалом растворяются быстрее, чем тело зерна или структуры с более высоким потенциалом. Механические смеси травятся быстрее, чем однофазные структуры, так как в первом случае образуется большое количество электрохимических пар.

Врезультате неодинакового травления структурных составляющих на поверхности шлифа появляется микрорельеф. При рассмотрении микрошлифа в оптическом микроскопе этот микрорельеф будет создавать сочетание света и тени. Различные структурные составляющие, травящиеся в неодинаковой степени, по-разному отражают свет. Структура, травящаяся сильнее, кажется под микроскопом более темной, так как имеет неровность поверхности

ибольше рассеивает лучи, чем трудно травящиеся структуры. Границы зерен после травления обозначаются тонкими темными линиями из-за потери отраженного света в углублениях между зернами.

Основные свойства всех металлов и сплавов формируются в первую очередь совокупностью свойств единичных монокристаллов (зерен) – их формой, размерами и т. п. Поэтому определение размеров зерен является одной из главных задач металлографии.

Встали различают фактическое и наследственное зерно. Зерно, с которым металл поступает в эксплуатацию, называют фактическим. Зерно, которое образуется в стали после термообработки по особому режиму и характеризует склонность стали к росту зерна при нагреве в процессе термической обработки, называется наследственным.

Зерно выявляют электролитическим или химическим травлением шлифов в различных реактивах. Выявление фактического зерна проводят на образцах, отобранных от изделий в состоянии поставки, без дополнительного нагрева. Для выявления фактического зерна в углеродистых и легированных сталях применяют обычно следующие реактивы: 4 %-й раствор азотной кислоты

83

в этиловом спирте (I); 5 %-й раствор пикриновой кислоты в этиловом спирте (II); кипящий раствор пикрата натрия (III); раствор пикрата натрия (IV). Реактивы I–III применяют для химического травления; реактив IV – для электролитического травления.

На рис. 2.14 показан ряд типичных микроструктур сталей и цветных сплавов, на которых была проведена операция по выявлению структуры (травление) и цветных сплавов.

Рис. 2.14. Микроструктуры травленых шлифов:

а – техническое железо с содержанием углерода 0,02 %;

б– конструкционная сталь, содержащая 0,3 % углерода;

в– силумин (сплав системы Al–Si)

2.2. Механические свойства металлов

Различают физические, химические, технологические и механические свойства. Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К физическим свойствам относятся плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные характеристики, теплопроводность и электропроводность.

Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Характерным примером химического взаимодействия среды и металла является коррозия.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность подвергаться горячей и холодной обработке, в том числе при выплавке, горячем и холодном деформировании, обработке резанием, термической обработке и, особенно, сварке.

84

При рассмотрении свойств отдельных видов материалов их технологичности будет уделено соответствующее внимание. Целесообразность применения тех или иных материалов определяется не только их свойствами, но и стоимостью.

При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами материалов. Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при разных температурах, так и в различных, в том числе агрессивных, средах.

Поведение металлов под действием внешних нагрузок характеризуется их механическими свойствами, которые позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала, произвести сопоставимую оценку различных материалов и осуществить контроль качества металла в заводских и лабораторных условиях.

К испытаниям механических свойств предъявляется ряд требований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным условиям работы материалов в реальных машинах и конструкциях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и пригодными для массового контроля качества металлургической продукции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставления качества разных конструкционных материалов, методы испытаний механических свойств должны быть строго регламентированы стандартами.

Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин

иконструкций. Наибольшее распространение имеют следующие виды механических испытаний:

1.Статические кратковременные испытания однократным нагружением на одноосное растяжение: сжатие, твердость, изгиб

икручение.

2.Динамические испытания с определением ударной вязкости, а также таких ее составляющих, как удельная работа зарождения и развитие трещины.

85