В чем заключается макроанализ
Макроанализ металлов и сплавов
Лекомцев Павел Александрович,
Савченко Виталий Петрович
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ,
Институт цветных металлов и материаловедения,
Кафедра металлургии цветных металлов,
Россия, г. Красноярск
Макроанализ применяют для выявления в металле дендритного строения, усадочной рыхлости, газовых пузырей, трещин, пустот, плен, шлаковых включений, структурной неоднородноcти, качество сварного соединения.
При макроанализе производится исследование макроструктуры металлов и сплавов.
Макроструктурой называется строение металла, видимое без увеличения или при небольшом увеличении (до 10 −30 раз) с помощью лупы.
Макроструктура может быть исследована непосредственно на поверхности заготовки или детали; в изломе или, что делается чаще, на вырезном образце (темплете) после его шлифования и травления специальным реактивом.
Определение параметров макроструктуры металла проводится с применением измерительного и визуального контроля. Для выявления макроструктуры слитков алюминия и алюминиевых сплавов используют метод химического травления, основанный на различной скорости растворения структурных и фазовых составляющих в специализированных химических реактивах. Создание рельефа поверхности макрошлифа обусловлено различием скорости растворения отдельных фаз и избирательной травимости структурных составляющих в поликристалле. Из-за неравномерности хода отраженных от рельефа поверхности лучей при косом освещении образуются теневые картины, по которым идентифицируют и определяют параметры макроструктуры сплава.
Макроанализ в отличие от микроскопического анализа не позволяет определить всех особенностей строения металла. Поэтому часто макроанализ является не окончательным, а лишь предварительным видом исследования. По данным макроанализа можно выбрать те участки изучаемой детали, которые надо подвергнуть дальнейшему, более подробному микроскопическому исследованию. Результаты макроскопического анализа можно в необходимых случаях зафиксировать, получив снимок макроструктуры исследуемого места детали или заготовки. Для этой цели применяют специальные установки, позволяющие проводить фотосъемку плоских и рельефных объектов при увеличении от 0,5 до 50 раз.
Наружные, или поверхностные, макродефекты, расположенные непосредственно на поверхности изделий, выявляют путем исследования поверхностей этих изделий. Если изделия литые, т. е. получены методом литья, то на их поверхности наиболее часто встречаются следующие дефекты:
— усадочные пустоты (раковины, рыхлости, пористость)? образующиеся в результате усадки металла (уменьшение объема) при его затвердевании;
— газовые раковины (пузыри), возникающие в кристаллизующемся металле чаще всего из-за его большой газонасыщенности;
— трещины, дефект в виде разрыва или надрыва в теле отливки появляющиеся как результат высоких напряжений в отливках из-за сопротивления формы их усадке, а также неодинаковых скоростей охлаждения различных частей литой заготовки;
— неметаллические включения, частицы окислов, шлака, флюса, карбидов, электролита, футеровочных материалов и др. посторонних включений, попадающие в слиток в процессе приготовления расплава механическим путем или образовавшиеся вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении, заливке металла, во время литья.
В пластически деформированных изделиях остается часть дефектов литого металла. Оставшиеся дефекты при пластическом деформировании металла видоизменяются. Усадочные пустоты превращаются в расслоения. Некоторые неметаллические включения (а также газовые пузыри), окисленные и потому не заварившиеся в процессе горячей обработки давлением, вытягиваются и образуют прямые тонкие штрихи-трещинки глубиной не более 1,5 мм и длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Такие трещинки, расположенные в направлении деформирования, называются волосовинами.
К дефектам пластически деформированного металла относятся также сильно разветвленные, проникающие в глубь металла трещины и раковины, вызванные пережогом (т. е. окислением металла по границам зерен); надрывы, обусловленные чрезмерно большой степенью деформации; окалина — слои окисленного металла (если она вдавлена в металл, на его поверхности образуется рябизна).
По результатам исследования поверхностей изделий делается мотивированное заключение о возможности их дальнейшей эксплуатации.
Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия, выявляются при изучении изломов.
Основные задачи макроанализа, методика его проведения
Этот метод дает общее представление о строении металлов и позволяет оценить их качество после таких видов обработки, как литье, сварка (рис.1.1) и др. Макроскопический анализ в большинстве случаев является предварительным видом изучения структуры, позволяющим выявить, однако, те участки, которые требуют последующего исследования методами микроанализа.
С помощью макроанализа можно определить:
— нарушения сплошности металла (дефекты сварки в виде непроваров и газовых пузырей, межкристаллитные трещины, дефекты литья);
— дендритное строение металла в литых изделиях;
— химическую неоднородность литого металла и присутствие в нем грубых инородных включений;
— вид излома (вязкий, хрупкий и т.д.).
Макроанализ для контроля качества металла проводят на продольных или поперечных макрошлифах (темплетах и изломах). При этом число образцов, их размеры, места вырезки и другие условия отбора проб, указываются в стандартах и технических условиях (ТУ) на конкретные виды металлопродукции. В частности, макроструктуру прутков или сварных соединений обычно контролируют на поперечных макрошлифах.
Рис.1.1. Макроструктура сварных соединений стали 08Х18Н10Т:
а)- видны слоистое и дендритное строение металла шва;
б)- одновременно с дендритным строением хорошо видны зона термического влияния с измененной вследствие нагрева в процессе сварки структурой и дефекты сварки: асимметрия шва и несплавление кромок с металлом шва (в узкой части шва).
Исследуемую поверхность образцов подвергают торцеванию, строганию, шлифованию и травлению в химически активных средах. После механической обработки поверхность должна быть ровной и гладкой, без значительного наклепа и пережога металла. На макрошлифе не должно быть загрязнений, поэтому поверхность перед травлением промывают (протирают) специальными составами.
Методы макротравления подразделяют на три основные группы:
— глубокого травления, позволяющего выявить дефекты, нарушающие сплошность литой и деформированной стали;
— поверхностного травления (выявляют дендриты, волокнистую структуру деформированной стали);
— метод отпечатков (для определения наличия серы и фосфора).
Травление проводят в вытяжном шкафу в ванне, изготовленной из материала, не вступающего в реакцию с применяемыми растворами. В некоторых случаях травление осуществляют протиркой тампоном, смоченным в реактиве. Составы травителей разнообразны и обычно оговариваются ТУ или берутся из справочника [1].
Образцы перед травлением рекомендуется подогревать до температуры раствора. Время травления внутри рекомендованного интервала определяется экспериментально.
После травления образцы промывают в проточной воде и просушивают. При этом макрошлиф приобретает рельефную поверхность с отчетливо видными осями дендритов (литая сталь или сварной шов), ликвационной неоднородностью, пористостью, трещинами и другими дефектами.
Образцы, предназначенные для хранения, рекомендуется дополнительно обрабатывать 10%-ым спиртовым раствором аммиака.
2.2. Основные задачи микроанализа и методика егопроведения
Микроанализ проводят с целью определения микроструктуры и фазового состава сталей и сплавов, оценки количества, размеров, формы и распределения различных фаз, регистрации особенностей микроструктуры (кристаллографической ориентировки, плотности дислокаций, углов разориентировки между элементами субструктуры и т.д.).
В чем заключается макроанализ
В соответствии с определениями:
Макроскопический анализ (макроанализ) заключается в изучении строения сплавов невооруженным глазом или с помощью небольших увеличений (до 30 раз) с помощью лупы. Строение металлов и сплавов, определяемое этим методом, называется макроструктурой.
Макроскопический анализ позволяет установить: строение образца или изделия «в целом» – например наличие крупных пор или трещин, усадочных раковин; неоднородность образца, созданную сваркой, литьем, пластической деформацией; характер излома.
Микроскопический анализ (микроанализ) заключается в исследовании структуры материалов при больших увеличениях (в 50–50000 раз) с помощью металлографических и электронных микроскопов. Строение металлов и сплавов, определяемое этим методом, называется микроструктурой.
Иногда эти понятия путают. Бывает, что за макроструктуру принимают, например, крупнокристаллическую структуру, сформированную литьем. На рисунке 1 показана такая структура, полученная направленной кристаллизацией. Но это не макроструктура. Это просто крупные зерна, т.е. фактически это микроструктура. Размер таких зерен 1000 мкм и более. Микроструктура того же образца, зафиксированная через металлографический микроскоп, показана на рисунке 2. Размер зерен тот, же и у структуры на рисунке 1. Т.е., в данном случае нельзя говорить о макроструктуре. На рисунках 1 и 2 есть только микроструктура, зафиксированная разными способами.
Рисунок 1. Структура литой меди; фото сделано цифровым ф/а, х3,6
 |  |
| а | б |
Рисунок 2. Микроструктура литой меди; а – край отливки, б – центр отливки; х50.
Иной случай показан на рисунках 3 и 4. На рис.3 показан прессованный полуфабрикат из титана. На фотографии хорошо видны различные зоны, характер кромки. отдельные гранулы (обведено красным), из которых и было спрессовано изделие, а также поры между гранулами. Все вместе это и составляет макроструктуру. Строение самих гранул при этом не выявляется. Если сделать шлиф, то без травления можно увидеть структуру пор отдельной гранулы. Это уже микроструктура.
Рисунок 3. Макроструктура образца титана.
Рисунок 4. Микроструктура образца губчатого титана; фотография сделана на оптическом микроскопе.
Ниже приведен один из самых наглядных примеров соотношения макро- и микроструктуры. На рис.5 показан макрошлиф. Микроструктура здесь не видна. Видны различно травящиеся участки, которые соответствуют участкам разного состава и разной структуры.
Рисунок 5. Шлиф сварного шва после травления на макроструктуру; фото через сканер.
 |  |
| а | б |
 |  |
| в | г |
Рисунок 6. Соотношение макро- (а,б) и микроструктуры (в,г) в зоне сварного шва.
Рисунок 7. Микроструктура в зоне 1.
Итак, структура на рисунках 5 и 6 (а,б) – макро, на рисунках 5 в,г – микро. На рисунке 7 показана микроструктура в зоне 1.
Микроанализ используют не только для того, чтобы увидеть структуру материала. Изображение микроструктуры позволяет провести количественный анализ. На рис.8а показана структура феррито-перлитной стали. На рис.8б показана «маска» той же структуры; на ней зерна перлита выделены различным цветом в зависимости от их размера. В компьютерной программе размер зерна можно определить и построить распределение зерен по размерам (рис.9 ). Подробнее об этом написано в статье «Количественная металлография».
 |  |
| а | б |
Рисунок 8. Структура доэвтектоидной стали (а) и маска для определения размера зерна (б).
Рисунок 9. Распределение зерен перлита по размерам
Сущность макроскопического анализа
Многолетний опыт исследования отказов металлоконструкций, машин и механизмов свидетельствует о том, что основным видом разрушения деталей из различных металлических материалов является разрушение от усталости. Причины указанного вида разрушения весьма многообразны. К их числу относятся, например, низкое качество материала или изготовления деталей, недостаточная конструктивная прочность, нарушение требований по эксплуатации и т.д. Наиболее часто усталостные разрушения происходят из-за дефектов производственно-технологического происхождения, возникающих в деталях вследствие их некачественного изготовления, а также конструктивно-производственных дефектов.
Наряду с этим в эксплуатации происходят разрушения по механизму ползучести, от действия длительных статических сил, при одновременном действии нагрузок и агрессивной среды и т.п. С точки зрения неразрушающего контроля деталей и изделий из металлических материалов все виды несовершенств в металлах вне зависимости от природы их образования (нарушения в металлургии, технологии, эксплуатации) целесообразно рассмотреть с позиции: дефект есть или дефект отсутствует. Вообще, дефектом называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией. Вышеперечисленные дефекты выявляются макроскопическим анализом.
Макроскопический анализ (макроанализ) заключается в определении строения материала (металла) невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (до 30 раз).
Основное назначение макроанализа состоит в определении нарушений сплошности металла, химической неоднородности и изменений, вызванных термической и химико-термической и термомеханической обработкой металла. Макроструктуру можно изучать непосредственно на поверхности металла, в изломе или на макрошлифе. Преимуществом шлифа является то, что ему может быть подвергнут большой объем металла: или все изделие и его основные части.
Место и направление вырезки образцов из изделия и их количество зависит от целей макоанализа.
Макрошлифом называют поверхность образца (темплета), подготовленную для исследования макроструктуры. Для отбора образцов пригодны все способы, не измеряющие структуру материала – фрезерование, строгание, сверление, резка (температура в месте резки не должна превышать 50-60°С). Ширина шлифа должна быть не менее 1 диаметра или стороны. Высота » 15-30 мм. Длина » 4 ширины.
Макроанализ дает возможность выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства изделий и конструкций.
Сущность макроструктурного анализа
Макроструктурный анализ
Теоретические основы работы
Сущность макроструктурного анализа
Макроструктурный анализ дает представление об общем строении металла и позволяет оценить его качество после различных видов обработки: литья, обработки давлением, сварки, термической и химико-термической обработки.
Контроль структуры может быть отнесен к методам оценки качества как сплава, так и отливки. Специальные требования к макро- и микроструктурам отливок общего назначения обычно не предъявляют. Иногда такие требования имеются, но носят факультативный характер или вообще даются для сведения. Но в то же время уровень механических и технологических свойств отливки непосредственно связан с типом и параметрами макро- и микроструктуры. Поэтому в тех случаях, когда бездефектная отливка бракуется по механическим свойствам, а по химическому составу никаких отклонений не имеет, то приходится обращаться к контролю микро- и макроструктуры сплава.
макроскопический анализ заключается в определении строения металла (макростроения) невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (до 30 раз). В этом случае можно одновременно наблюдать большую поверхность заготовки, что часто позволяет судить о качестве металла и определять условия предшествующей обработки, влияющие на сплошность металла и особенности его строения после затвердевания при литье, а также характер и качество обработки, применявшейся для придания детали окончательного внешнего вида.
Макроанализ в отличие от микроскопического анализа не позволяет определить всех особенностей строения металла. Поэтому часто макроанализ является не окончательным, а лишь предварительным видом исследования. По данным макроанализа можно выбрать те участки изучаемой детали, которые надо подвергнуть дальнейшему, более подробному микроскопическому исследованию.
С помощью макроанализа можно определить:
· вид излома – вязкий, хрупкий, нафталинистый, камневидный и т.д.
· нарушения сплошности металла – усадочную рыхлость, центральную пористость, свищи, подкорковые пузыри, межкристаллитные трещины; трещины, возникшие при обработке давлением и термической обработке; флокены в стали, дефекты сварки (в виде непровара, газовых пузырей);
· дендритное строение, зону транскристаллизации, размеры и ориентацию зерен в литом металле;
· волокнистую структуру деформированного металла;
· структурную или химическую неоднородность металла, созданную термической, термомеханической и химико-термической обработкой;
· химическую неоднородность литого металла (ликвацию) и присутствие в нем инородных включений;
· прокаливаемость (для инструментальных сталей, для которых требуется сохранение вязкой сердцевины.