Л.р.1. Мет.анализ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Кафедра технологии конструкционных материалов и ремонта машин

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТКМ

Методические указания к лабораторной работе

«Металлографический анализ металлов и сплавов»

для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 250400 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» и 280700 «Техносферная безопасность»

БРЯНСК 2012

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Кафедра технологии конструкционных материалов и ремонта машин

Утверждены научно-методическим

советом БГИТА

протокол № 3 от «29» марта 2012 года

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТКМ

Методические указания к лабораторной работе

«Металлографический анализ металлов и сплавов»

для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 250400 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» и 280700 «Техносферная безопасность»

БРЯНСК 2012

УДК 621 (075.8)

Материаловедение и ТКМ: Методические указания к лабораторной работе

«Металлографический анализ металлов и сплавов» для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 250400 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» и 280700 «Техносферная безопасность»/ Брянск. гос. технол. акад. Сост. Серпик Л.Г. – Брянск: БГИТА, 2012. – 13 с.

В лабораторной работе рассмотрены операции приготовления шлифов, назначение микро- и макроанализа, устройство микроскопа МИМ-7.

Для студентов очной и заочной форм обучения.

Рецензент:

доктор технических наук Брянского государственного технического университета, профессор Давыдов С.В.

Рекомендованы редакционно-издательской и методической комиссиями механико-технологического факультета БГИТА.

Протокол № 6 от «24» февраля 2012 г.

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с операциями приготовления шлифов, назначением микро- и макроанализа, изучить устройство микроскопа МИМ-7 и приобрести практические навыки работы на нем.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Структура, видимая не вооруженным глазом, называется макроструктурой. Структура, видимая под микроскопом при увеличении более 30-40 раз, называется микроструктурой. Изучение макроструктуры (макроанализ) и микроструктуры (микроанализ) составляют содержание металлографического способа изучения сплавов.

Макроанализ проводится на макрошлифах – участках детали, подготовленной специальным образом. Подготовка заключается в следующем. Деталь разрезают на две или несколько частей. Одну поверхность зачищают на станке или напильником и шлифуют шлифовальными бумагами различной зернистости, последовательно переходя от грубого номера к тонкому. При смене бумаги макрошлиф поворачивают на 90°. Шлифование ведут на каждой бумаге до тех пор, пока не исчезнут риски от обработки на более грубой бумаге. После шлифовки для выявления макроструктуры шлифы подвергают травлению химическими реактивами (растворами кислот, щелочей или их смесей). Выбирают реактивы в зависимости от состава сплава и цели исследования.

Макроанализ позволяет установить:

1) строение металла или сплава в литых деталях или слитках (зернистое, дендритное), наличие и характер распределения зон кристаллизации, усадочной рыхлости, пузырей, трещин и т. д. (рис.1);

2) ликвацию – неоднородность в распределении отдельных элементов. К ликвации склонны сера, фосфор, углерод (рис.2). Это явление не устраняется последующей обработкой и сильно сказывается на свойствах отдельных участков сплава;

3) строение металла после горячей обработки. Для деталей, работающих при высоких удельных нагрузках, таких как коленчатые валы, клапаны, зубчатые колеса, особенно важно, чтобы волокна деформированной структуры располагались параллельно контуру детали, так как ударная вязкость поперек волокна примерно в 4 раза выше, чем вдоль волокна (рис.3);

4) глубину и характер закаленного, цементированного, азотированного или цианированного слоя.

Микроанализ проводится на микрошлифах, представляющих собой образцы с площадью поперечного сечения около 1 см2. Подготовка микрошлифа производится более тщательно и заканчивается на бумаге более тонких номеров. После шлифования микрошлифы обрабатывают на полировальном круге, обтянутом фетром, сукном или бархатом. На круг наносится взвесь окислов металлов в воде (Fe3O4, Cr2O3, Al2O3 и др.). Частицы окислов являются абразивным материалом. Полировка считается законченной, если со шлифа удалены все риски и он приобретает зеркальную поверхность. Полированный шлиф промывают водой, спиртом и сушат с помощью фильтровальной бумаги. Затем его исследуют под микроскопом при небольших увеличениях с целью определения качества его изготовления, наличия и распределения неметаллических включений (графита, сульфидов, окислов). Для выявления микроструктуры шлиф травят в слабых спиртовых или водных растворах кислот или щелочей. Травление производится с целью выявления различных структурных составляющих, которые травятся в неодинаковой степени и по-разному отражают свет. Структура, травящаяся сильнее, под микроскопом кажется более темной. Границы зерен чистых металлов травятся сильнее, чем тело зерна, так как по границам кристаллическая решетка имеет больше дефектов. Границы зерна под микроскопом выглядят темными линиями, очерчивающими контуры более светлого тела зерна. Для изучения микроструктур применяют оптические и электронные микроскопы.

Микроанализ позволяет установить:

1) форму и размер кристаллических зерен;

2) изменение внутреннего строения сплава, происходящее под влиянием различных режимов термической и химико-термической обработки, а также после внешнего механического воздействия на сплав;

3) микропороки металла – микротрещины, раковины и т.д.;

4) наличие неметаллических включений – сульфидов, оксидов и др.;

5) химический состав некоторых структурных составляющих по их форме и характерному окрашиванию специальными реактивами и в некоторых случаях приблизительный химический состав сплава.

УСТРОЙСТВО, НАСТРОЙКА И РАБОТА МИКРОСКОПА

Микроскоп – это оптический прибор для наблюдения объектов, не видимых невооруженным глазом. Увеличение изображения объекта в микроскопе происходит в две ступени: первое увеличение дает объектив, второе окуляр. Объектив и окуляр представляют собой сложные оптические системы и состоят из нескольких линз.

Микроскопы делятся на оптические, электронные и протонные. Оптические микроскопы дают увеличение до 1500-2000 раз. Они подразделяются на переносные и стационарные. Переносные микроскопы используют для исследования поверхности металла непосредственно на изделии при увеличении 20-300 раз. Стационарные микроскопы устанавливают в лабораториях. По конструкции они делятся на вертикальные и горизонтальные. В металлографических лабораториях широко применяют микроскопы МИМ-7, МИМ-8, МИМ-9, МИМ-10.

Микроскоп МИМ-7 – микроскоп вертикального типа. Применяется для массового контроля микроструктуры. На этом микроскопе можно создавать увеличение при визуальном наблюдении от 60 до 1440 раз и при фотографировании от 70 до 1350 раз. Оптическая схема микроскопа представлена на рисунке 4.

Световые лучи от источника света 1 проходят через коллектор 2, отражаются от зеркала 3, проходят через светофильтр 4 и апертурную диафрагму 5 (ограничивающую световой пучок для получения более четкого изображения), линзу 6, фотозатвор 7, полевую диафрагму 8 (ограничивающую размер освещенного поля на микрошлифе), пентапризму 9, линзу 10 и попадают на полупрозрачную отражательную пластинку 11. Далее световые лучи направляются в объектив 12 и на объект (микрошлиф) 13.

Отражаясь от микрошлифа, световые лучи попадают в объектив 12, проходят через пластинку 11, линзу 14 и зеркалом 15 направляются в окуляр 16 для визуального наблюдения. Для фотографирования зеркало 15 выключается, световые лучи проходят через фотоокуляр 18, отражаясь зеркалом 19, и попадают на фотопластинку 17.

Общий вид микроскопа МИМ-7 показан на рис. 5. На основании 1 установлен корпус микроскопа 2 с осветительным устройством 12 и фотокамерой 3. В верхней части микроскопа 4 укреплен раздвижной тубус 5 для визуального изучения объекта; в отверстие тубуса вставляется окуляр 6. В гнездо верхней части 7 вставляется объектив. К верхней части микроскопа прикреплен подвижный кронштейн с предметным столиком 8. . Перемещение предметного столика в горизонтальной плоскости производится с помощью винтов 9. Для вертикального перемещения столика служит винт 10. Фиксируется положение столика зажимным винтом. Для тонкой наводки на резкость служит микрометрический винт 4.

Требуемое увеличение микроскопа достигается путем выбора определенного сочетания окуляра и объектива (табл. 1).

Таблица 1

Увеличение микроскопа при визуальном наблюдении

ОБЪЕКТИВЫ (F, мм)

ОКУЛЯРЫ

7х

10х

15х

20х

23.2

60

90

130

170

13.9

100

140

200

300

8.2

170

240

360

500

6.2

250

320

500

650

2.8

500

720

1080

1440

3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

1. Полировальная установка.

2. Микроскоп МИМ-7.

3. 5%-й раствор азотной кислоты в спирте.

4. Шлифовальная бумага нескольких номеров.

5. Заготовки шлифов.

4. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для приготовления микрошлифа использовать поверхность образца, зачищенную напильником. При изготовлении образца пользоваться указаниями, приведенными в общей части.

Травление микрошлифа проводить в 5%-ом растворе азотной кислоты в спирте. Для выполнения травления реактив налить в фарфоровую чашку и погрузить образец в реактив на 2-10 сек. Под действием реактива поверхность микрошлифа должна потускнеть. Сушку микрошлифа производить прикладыванием фильтровальной бумаги, не допуская ее смещения относительно поверхности образца, так как такое смещение может исказить структурную картину. Если травление выполнено некачественно (образец протравился слабо или передержан в реактиве), микрошлиф надо заново отполировать и повторить травление, соответственно изменив время выдержки. Качество приготовления микрошлифа определить наблюдением под микроскопом.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Перечислить способы металлографического анализа и их назначение.

2. Кратко изложить основные моменты процесса приготовления микро- и макрошлифа с указанием применяемых материалов и оборудования.

3. Кратко описать устройство и настройку микроскопа, а также определение его увеличения. Привести таблицу увеличений микроскопа при визуальном наблюдении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

2. Гринберг Б.Г., Иващенко Т.М. Лабораторный практикум по металловедению и термической обработке. – М.: Высшая школа, 1968. – С. 31-37.

3 Сильман Г.И. Материаловедение. Лабораторный практикум. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2001.– С.10-22.

Рис.1. Строение металла в слитках и дефекты, выявляемые

при макроанализе:

а) макроструктура литой стали (поперечное сечение

слитка);

б) подкорковые пузыри в слитке;

в) усадочная раковина и рыхлота

Рис. 2. Ликвация серы в стали

Рис. 3. Макроструктура кованной (а) и вырезанной (б) деталей

15

16

18

Рис. 4. Схема хода лучей в оптической системе микроскопа МИМ-7

4

11

6

12

10

Рис. 5. Общий вид микроскопа МИМ-7

Серпик Людмила Григорьевна

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТКМ

Методические указания к лабораторной работе

«Металлографический анализ металлов и сплавов»

для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 250400 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» и 280700 «Техносферная безопасность»

Формат 60х84/16. Объем 0.8 у.п.л. Тираж 30 экз.

Компьютерный набор. Гарнитура Таймс.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

241037, Брянск, проспект Станке Димитрова, 3

Отпечатано в учебно-издательском центре БГИТА