Реактивы для травления

 

Реактив	Концентрация раствора	Условия травления	Область применения реактива
составляющая	количество, %
Раствор соляной кислоты	конц.		Температура раствора 70ºС	Для углеродистых и легированных сталей
	Продолжительность травления 10-15 мин
Раствор едкой щелочи	едкий натр.		Травление при комнатной температуре 10-15 мин	Для алюминиевых сплавов

 

Макроанализ находит широкое применение в промышленности, так как дает возможность выявлять дефекты строения металла (трещины, раковины, шлаковые включения и др.), химическую и структурную неоднородность.

Макроанализ по виду излома.Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия, выявляются при изучении изломов.

Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разрушения металла.

Непосредственно по виду излома можно установить характер разрушения металлического изделия, которое может быть хрупким, вязким или усталостным.

Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в хрупком изломе можно видеть форму и размер зерен металла, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

При этом излом может проходить как по границам зерен (межкристаллический), так и по зернам металла (транскристаллический).

Вязкий излом имеет волокнистое строение. Форма и размер зерен металла при вязком изломе сильно искажены, так как разрушение в этом случае сопровождается значительной пластической деформацией.

Признаками вязкого разрушения являются:

- наличие значительной пластической деформации перед разрушением;

- разрушение путем среза, т.е. плоскость разрушения находится под некоторым углом к приложенным внешним нагрузкам;

- разрушение по телу зерна;

- поверхность излома имеет матовый оттенок и волокнистое строение.

К признакам хрупкого разрушения относятся:

- отсутствие предварительной пластической деформации перед разрушением;

- - разрушение путем отрыва, когда плоскость разрушения перпендикулярна приложенным внешним нагрузкам;

- разрушение по границам зерен;

- поверхность зерен имеет блестящий, кристаллический оттенок.

Таким образом, вязкое состояние металла менее опасно, т. к. разрушение в этом случае можно предсказать и предотвратить. Хрупкое разрушение более опасно, т.к. оно происходит с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также из-за возможных аварийных последствий.

Основными факторами, влияющими на переход металла из вязкого в хрупкое состояние, являются следующие:

а) объёмно - напряженное состояние в металле;

б) концентрация напряжений;

в) низкие температуры;

г) скорость нагружения;

д) масштабный фактор.

Одноосное напряжение состояние возникает при растяжении гладких образцов до образования шейки. Это напряжение менее опасно с точки зрения хрупкого разрушения. Двухосное растяжение возникает при нагружении ёмкостей внутренним давлением. В этом случае появляются как σ₁, так и взаимно перпендикулярное σ₂, условия работы материала уничтожаются. Но наиболее опасным является трехосное растяжение, возникающее в местах концентрации напряжений, когда появляются и σ₁ и σ₂ и σ₃ (рис. 1).

 

Рис. 1. Различные напряжённые состояния:

а – одноосное; б - двухосное; в - трехосное

 

Концентрация напряжений – это возрастание напряжений вблизи отверстий, галтелей, шпоночных канавок, трещин и других внутренних и внешних дефектов материала. При наличии концентраторов напряжения в металле перераспределяются таким образом, что их максимальная величина находится на вершине концентратора (рис. 2).

 

 

 

Рис. 2. Схема распределения напряжений в образцах с концентраторами

Концентрация напряжения К тем больше, чем острее дефект и больше его длина, что выражается следующей формулой (1):

, (1)

где l - полудлина дефекта, r – радиус закругления в вершине дефекта.

Это означает, что если такая предельно острая трещина (r=100нм) доросла до 1мм, то в её вершине напряжение в 6000 раз больше среднего напряжения по всему сечению. Вот почему при ремонте размороженного двигателя или лобового стекла мотоцикла просверливают отверстие в вершине трещины, увеличивая тем самым радиус r и снижая пиковые напряжения. По этой же причине высокопрочные чугуны с округлой формой графита более качественны, менее хрупки по сравнению с серыми чугунами с чешуйчатой формой графита.

Отсюда вывод, если в изделии нельзя избавиться от концентраторов напряжений (отверстий, заклёпок, галтелей и др.), то нужно увеличить радиус r в вершине концентратора.

Основная опасность выбора и оценка материала для работы при низких температурах заключается в следующем. Если в основу конструкционного расчета заложены свойства материалов при комнатной температуре или на основании результатов испытания гладких (ГОСТ) образцов при низких температурах, то имеется, на первый взгляд, дополнительная гарантия надёжности работы материала при пониженных температурах. И это справедливо, если иметь ввиду, что почти все прочностные характеристики с понижением температуры испытания растут (рис.3, кривая 1). Однако при работе материала в конструкции материала практика показывает обратное (рис. 3, кривая 2).

Изделие при низких температурах хрупко разрушаются при напряжениях значительно ниже тех, которые получены при испытаниях гладких образцов. В этом случае не учитывается уменьшение характеристик пластичности и вязкости и на основе этого резкого увеличения чувствительности материала к концентраторам напряжений, неизбежно присутствующих в изделиях. Гладкие образцы концентраторов не имеют.

Поэтому для оценки надёжной работоспособности материала в конструкции при низких температурах необходимо в лабораторных условиях испытывать не гладкие (ГОСТ) образцы, а образцы с концентраторами, которые дают хорошую сходимость результатов испытания с поведением материала в изделиях.

Скорость приложения нагрузки влияет на переход металла из вязкого состояния в хрупкое однозначно. Чем выше скорость деформирования металла, тем легче он охрупчивается.

 

 

Рис. 3. Влияние температуры на разрушающее напряжение материала:

1- гладкие (ГОСТ) образцы; 2- изделия

 

Для оценки этого состояния проводятся испытания на ударную вязкость, под которой понимают способность материала к поглощению механической энергии вплоть до разрушения.

Масштабный фактор заключается в следующем. Чем крупнее изделие, тем больше вероятность нахождения в нём дефектов металлургического, технологического или эксплуатационного происхождения. А дефекты – это концентраторы напряжений.

Усталостный излом образуется в результате длительного воздействия на металл циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Излом состоит из трёх зон: зарождения трещины, собственно усталостного распространения трещины и долома. Механизм усталостного разрушения следующий. Усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты. Первая зона плоская и гладкая. Увеличиваясь при работе детали, трещина образует зону собственного усталостного распространения с характерными концентрическими бороздками или дугами и мелкозернистым, фарфоровидным изломом. Зачастую она имеет отдельные участки гладкой притертой поверхности. Долом происходит внезапно, когда ослабленное трещиной сечение детали не способно выдержать прикладываемой механической нагрузки. Долом бывает вязким или хрупким.

Макроанализ при помощи макрошлифов.Более часто макроанализ проводится не на изломах, а на макрошлифах. При этом исследуются химическая и структурная неоднородность металла, волокнистое строение деформированного металла, дендритное строение литого металла, качество сварного соединения, а также выявляются дефекты, нарушающие сплошность строения металла.

Рассмотрим различные методы макроанализа, применяемые при исследовании макрошлифов.

Необходимость определения общей химической неоднородности (ликвации) вызвана тем, что химический состав стали дает представление лишь о среднем количественном соотношении элементов, входящих в металл, но не вскрывает характер их распределения по сечению детали.

Распределение в стали углерода, фосфора и серы зависит как от количества этих элементов, так и от процессов кристаллизации и обработки давлением. Оно оказывает существенное влияние на строение металла, а следовательно, и на его свойства.

Сера вызывает красноломкость стали, т.е. охрупчивание при высоких температурах, а фосфор – хладноломкость, т.е. охрупчиваемость при низких температурах.

Для определения общей ликвации углерода, фосфора и серы одновременно применяют травление исследуемой поверхности в 10 – 15%-м водном растворе двойной медно-аммиачной соли соляной кислоты (CuNH₄Cl₂).

При травлении стального макрошлифа железо переходит с поверхности в раствор, а на его место осаждается медь, которая предохраняет поверхность металла от дальнейшего воздействия хлористых солей реактива. В результате места, обогащенные углеродом, фосфором и серой, окажутся менее защищенными медью и будут сильно протравлены. После снятия слоя меди они будут выглядеть темнее участков с меньшим содержанием этих элементов.

Сера является наиболее вредной примесью в стали, её количество строго ограничивается ГОСТами.

Для выявления характера распределения серы по сечению детали применяют метод снятия отпечатка по Бауману.

В стали сера присутствует в виде сульфидов FeS и MnS, распределение которых по сечению макрошлифа можно установить по отпечатку, получающемуся на бромосеребряной фотобумаге, если её наложить на поверхность макрошлифа, предварительно смочив 10%-м водным раствором серной кислоты. Тогда между сульфидами, серной кислотой и бромистым серебром, которое входит в состав фотоэмульсии, произойдут следующие химические реакции:

FeS+H₂SO₄=H₂S +FeSO₄;

MnS+ H₂SO₄= H₂S+ MnSO₄;

2AgBr+H₂S=Ag₂S+2HBr

При этом в местах с повышенным содержанием серы будет выделяться больше H₂S, следовательно, и больше Ag₂S. Наличие на фотобумаге тёмных включений Ag₂S укажет форму и характер распределения сульфидов (серы) по сечению макрошлифа. При равномерной окраске можно говорить о равномерном распределении серы.

В случае повышенного содержания в стали фосфора и его ликвации возможно выпадение фосфида серебра, также темного цвета.

Ликвация химических элементов тесно связана как с волокнистым строением деформированных металлов, так и с дендритным строением литых сплавов.

Для выявления волокнистого строения металла применяют метод глубокого травления, которое обычно проводится в 50%-х водных растворах концентрированных кислот – соляной для углеродистых сталей и азотной для легированных сталей – при температуре 60-70ºС в течение 15-40мин. Применяют и многие другие реактивы в зависимости от природы металла.

Дендритами называют кристаллы (зерна) литого металла, имеющие древовидную форму. Вредные примеси в виде неметаллических включений (сульфидов, фосфидов, оксидов) и некоторые легирующие элементы скапливаются чаще всего в междендритных пространствах. Продукцией металлургических предприятий, как правило, является металл, претерпевший горячую обработку давлением - ковку или прокатку. При деформировании дендриты, вначале дезориентированные, постепенно поворачиваются и вытягиваются вдоль направления деформации. Вытягиваются и неметаллические включения. В результате этого формируется типичная для прокатного металла полосчатая, волокнистая структура (рис. 4).

 

 

 

Рис. 4. Образование волокнистого строения в результате вытяжки

 

Так как выявленные волокна представляют собой вытянутые первичные кристаллы (дендриты) металла, направление которых зависит от течения металла при горячей обработке давлением, то, следовательно, глубоким травлением можно установить и способ изготовления изделий - обработка давлением, резание (рис. 5).

Волокнистое строение металла обусловливает резко выраженную анизотропию его свойств (различие их показателей вдоль и поперек волокна).

Пластичность, ударная вязкость и прочность образцов, вырезанных вдоль волокон, выше. Поэтому ответственные детали, особенно работающие при высоких динамических нагрузках (коленчатые валы, шестерни, шатуны, молотовые штампы, клапаны, крюки), изготовляют так, чтобы волокна в них не перерезались, а соответствовали конфигурации изделия. При обработке резанием детали из деформированной стали её волокна перерезаются, что резко снижает прочность детали.

Различные методы макроанализа используются и при исследовании качества сварных соединений. Визуальный осмотр сварных швов позволяет вскрыть отклонения в размерах и форме сварного шва, наличие наплывов, подрезов, газовых пор, непроваров, трещин (см.рис. 6).

 

 

Болт Кольца

 

 

а б а б

 

Шестерни

 

а б

Рис. 5. Правильное (а) и неправильное (б) направление «волокна» в поковках

 

Дендритное строение сварного шва, трещины, непровары, поры более четко выявляются после травления исследуемых поверхностей сварного шва в 10-25%-м водном растворе азотной кислоты.

 

 

Рис. 6. Некоторые дефекты сварного шва:

а – непровар; б – прожог; в – подрезы (трещины)

 

Непроварами называют отсутствие соединения между основным и наплавленным металлом. Причиной непровара может быть загрязнение поверхности свариваемых деталей или недостаточная температура разогрева основного металла.

Прожог образуется при нарушении сварки и сопровождается окислением основного и наплавленного металла. Как правило, по границам зёрен. При этом прочность сварного шва понижается.

Пористость характеризуется наличием газовых пузырей в сварном шве.

Трещины вызываются большими внутренними растягивающими напряжениями, которые возникают при охлаждении наплавленного металла.

Строение слитка.Форма зёрен, образующихся при кристаллизации, зависит от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и температуры жидкого металла, а также от примесей.

Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме (рис. 7). Установлено, что наибольшая скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям решётки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями первого порядка 1 (рис.7). Затем на этих осях появляются и начинают расти ветви второго порядка 2 (рис.7) и т. д. Одновременно идет кристаллизация в участках между осями дендритов.

 

Рис.7. Схема дендритного роста кристалла

 

Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. После этого окончательно заполняются межосные пространства и дендриты превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней огранкой. Такие кристаллы называются зернами или кристаллитами. На границах между зёрнами в участках между осями дендритов накапливаются примеси, появляются поры из-за усадки и трудностей подхода жидкого металла к фронту кристаллизации.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зёрен. Это видно на примере кристаллизации стального слитка (рис. 8).

 

 

 

Рис. 8. Схема строения стального слитка:

1-наружная зона мелкозернистого строения; 2-зона столбчатых зёрен; 3-зона равновесных (крупных) зёрен

 

Кристаллизация стального слитка идет в три стадии. Сначала на поверхности слитка образуется зона 1 (см.рис. 8) мелких кристаллов – это результат влияния холодной металлической формы, которая обеспечивает в первые моменты затвердевания слитка большую скорость охлаждения металла. Затем растут большие кристаллы зона 2 (рис. 8), вытянутые по направлению отвода теплоты. Их называют столбчатыми кристаллами. Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения, образуются равновесные кристаллы больших размеров зона 3 (см.рис. 8).

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл, в процессе кристаллизации сокращается в объёме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами. Усадочная раковина находится в верхней части слитка, т. к. она затвердевает в последнюю очередь. Под усадочной раковиной металл получается рыхлым. Часть слитка с усадочной раковиной и рыхлым металлом отрезают.

Если изделия литые, т.е. получены методом литья, то на их поверхности наиболее часто встречаются следующие дефекты:

1. Пригар, представляющий собой трудноотделимую корку, состоящую из смеси металла, формовочного песка и шлака;

2. Усадочные пустоты (раковины, рыхлости, пористость), образующиеся в результате усадки металла (уменьшение объема) при его затвердевании;

3. Газовые раковины (пузыри), возникающие в кристаллизую-щемся металле чаще всего из-за его большой газонасыщенности;

4. Ужимины, создающиеся вследствие частичного отслоения внутренних поверхностных слоев песчаной формы, что приводит к образованию в твердом металле полостей, заполненных формовочным материалом;

5. Трещины, появляющиеся как результат высоких напряжений в отливках из-за сопротивления формы их усадке, а также неодинаковых скоростей охлаждения различных частей литой заготовки;

6. Неметаллические включения, которые по происхождению разделяются на эндогенные и экзогенные. Эндогенные образуются в результате взаимодействия компонентов сплава, например железа, с растворенными в нём кислородом, серой, азотом; экзогенные – шлаковые включения и засоры от разрушающихся стенок формы.

В пластически деформированных изделиях остаётся часть дефектов литого металла. Оставшиеся дефекты при пластическом деформировании металла видоизменяются. Усадочные пустоты превращаются в расслоения.