Ръководство за лабораторни упражнения по Материалознание

1
1. МАКРОСТРУКТУРЕН И МИКРОСТРУКТУРЕН
АНАЛИЗ НА МЕТАЛИТЕ
Известно е, че свойствата на металите и сплавите зависят от техния строеж, т.е. от
кристалната структура, от формата и големината на зърната, които ги изграждат.
Изследването на свойствата на металите и на методите за въздействие върху тях е
възможно само при познаване на структурата им. За нейното изучаване съществуват много
методи, които могат да бъдат разделени на две основни групи: методи за изследване на
вътрешния строеж на кристалите и методи за изследване на външната им форма.
Вътрешният строеж на кристалите, т.е. разположението на атомите в кристалната
решетка, се изследва преди всичко чрез рентгеноструктурен анализ. Външната форма,
размерите и взаимното разположение на зърната се изследва чрез т.н. металографски методи –
макроструктурен и микроструктурен анализ.
1.1. Макроструктурен анализ
Макроструктурният анализ е металографски метод за изследване структурата на
металите с невъоръжено око, с лупа, или с подходящи микроскопи при увеличения до 50 пъти .
При него се наблюдава (без или след специална подготовка): повърхността на металните
изделия в прясно разрушените участъци (лома на металите) или повърхността на сечения,
направени през зони, които представляват интерес за специалиста.
С помощта на микроанализа могат да се установят следните по-важни особености в
строежа на метала:
а/ нарушения в плътността на метала: всмукнатини, газови шупли и пукнатини в летия
метал; пукнатини, възникнали след гореща механична или термична обработки; непровар и
газови шупли след заваряване и др.;
б/ кристалният строеж на метала, създаден в резултат на първична кристализация при
летите детайли;
в/ химична нееднородност, създадена от условията на първичната кристализация –
ликвация;
г/ нееднородност в строежа, създадена от пластично деформиране;
д/ структурна и химична нееднородност в детайлите, създадена от термична или химико-
термична обработки.
1.1.1. Изучаване лома на металите
Лом се нарича структурата на метала в мястото на разрушение, получено изкуствено или
в процеса на експлоатация на металното изделие.
Наблюдаването на лома представлява най-простия и достъпен метод за изучаване
структурата на металите. По вида на лома може да се съди за големината и формата на зърната,
за това дали разрушаването е станало през зърната или по техните граници и т.н. След
изследване на лома може да се даде заключение относно причините, които са предизвикали
разрушаването (наличие на пукнатини от предшестваща обработка, много едри и слабо
свързани помежду си зърна, получени вследствие на предшестващата термична обработка и
др.). В редица случаи изучаването на лома дава повече сведения за метала отколкото
прилагането на други скъпи и сложни методи за изучаване на структурата.
Ломовете срещани при различните материали могат да бъдат разделени в две основни
групи:
А. Аморфни ломове
Срещат се при материали, които имат аморфна структура, като стъкло, пластмаси,
ебонит, шлака и др. Характеризират се с криви и гладки повърхности.
При метални материали аморфен лом може да бъде наблюдаван в изключителни случаи
при някои сплави, когато са взети специални мерки (висока скорост на охлаждане),
осигуряващи втвърдяване в аморфно състояние. Такива материали са известни под
наименованието метални стъкла.
Б. Кристални ломове
Кристални ломове могат да се наблюдават както при метални, така и при неметални
материали, които имат кристална структура.
Кристалните ломове от своя страна могат да бъдат класифицирани по различни
признаци:
а/ форма на зърната. Биват:

2
- Влакнести (жилави) ломове. Наблюдават се при материали, които преди или по време
на разрушаването, а най-често и в двата случая, са претърпели пластична деформация. При
металните материали те се срещат често. Причина за това е тяхната пластичност обусловена от
металната междуатомна връзка.
При неметалните материали този вид ломове не се наблюдава, тъй като те не притежават
свойството пластичност. Такива са готварската сол, мрамора и др. Причина за това е липсата на
метална връзка. Влакнестият лом не дава представа за формата и големината на зърната преди
разрушаването, тъй като процесът е свързан с пластично деформиране. При това зърната
променят своята форма и размери;
- Зърнести ломове. Наблюдават се както при неметални, така и при метални материали,
които преди или по време на разрушаването не са претърпели пластична деформация. Такива
ломове имат мраморът, солите на някои киселини и др., както и металните материали при
определени условия.
Зърнестите ломове дават възможност да се наблюдава големината и формата на зърната.
В тази връзка те биват:
- едрозърнести;
- дребнозърнести.
В зависимост от това как се разполага равнината на разрушаване спрямо кристалите
зърнестите ломове биват два вида:
- междукристални ломове. Разрушаването става по границите на зърната. Наблюдава се
най-често в случай на разрушаване при високи температури, когато по границите на зърната са
отложени лесно топими структурни елементи;
- транскристални ломове. Разрушаването става през самите зърна.
Върху вида на кристалните ломове оказват влияние и начините на натоварване, довели
до разрушаване на изделието. При циклично променящи се по посока и големина натоварвания
се получава особен вид лом:
- лом от умора. В него ярко се очертават две зони – гладка зона с концентрични линии
(подобно на годишните кръгове на дърветата) и зона с грапава повърхност. Гладката зона се е
получила в резултат на продължително разрушаване, започнало от определен източник
(пукнатина или друг дефект), а грапавата – в момента на окончателното разрушаване на
детайла, когато носещото сечение е намаляло до критични размери.
Силно изразената химична нееднородност също може да се отрази върху вида на лома.
Получават се други видове ломове:
- шиферни. При тях се получава разделение на метала на слоеве, което е резултат от
отложени по границите на зърната сулфиди, фосфиди, окиси и др. примеси, силно отличаващи
се по пластичност и механична якост от металната матрица. При гореща пластична деформация
те се изтеглят по посока на действащите сили. Последното води до значително понижаване на
механичните свойства, особено на ударната якост в посока, напречна на влакната.
Отстраняването на шиферния лом е възможно само чрез няколкократно разнопосочно
изковаване, което създава по-равномерно разпределение на вредните примеси.
Един и същ метал може да има зърнест или влакнест лом в зависимост от
предшествалата термична обработка. Освен това, при еднаква структура един и същ метал може
да има влакнест или зърнест лом, в зависимост от условията, при които се извършва
разрушаването – температура, скорост и схема на деформиране и др. С понижаване на
температурата, увеличаване скоростта на натоварването или увеличаване на надрезите, се
увеличава крехкото разрушаване. При еднакви условия на разрушаване наличието на влакнест
лом гарантира по-добри механични свойства, отколкото зърнестия. В случай на еднакъв
химичен състав и зърнест лом, механичните свойства са толкова по-добри, колкото по-дребни
са зърната.
По вида на лома могат да се правят изводи за различията в структурата и свойствата на
металите.
При чугуните ломът винаги е зърнест, но с различен цвят в зависимост от това дали
цялото количество въглерод е свързано под формата на Fe3C (цементит), свободен частично или
напълно, под формата на графит. В първия случай ломът е светъл (бял), поради което чугуните
се наричат бели, а във втория случай – при т .н. сиви чугуни – той е тъмен, матов.

3
Чрез изследване на лома могат да бъдат установени редица дефекти в макроструктурата
на метала. Причини за възникването на различните дефекти могат да бъдат неправилно
проведени пластична, термична, химикотермична или други видове обработки.
1.1.2. Изучаване на макроструктурата с помощта на макрошлифове
Провеждането на макроструктурен анализ върху специално подготвени за целта пробни
тела, наречени макрошлифове, изисква следните операции:
а/ Избор на равнината на макрошлифа
Тази операция е особено отговорна, тъй като неправилното подбиране на равнината за
макроанализ може да доведе до погрешни заключения от цялото изследване. Поради това се
извършва от лицето с най-висока квалификация в тази област.
Броят на необходимите за изследването равнини, както и тяхното място в подготвения
обект, се определя като се има предвид следното:
- проблемът, който трябва да бъде решен;
- видът на материала и този на обработките, които е получил;
- експлоатационните условия на изделието.
б/ Механично обработване
Извършва се на няколко етапа:
- изрязване. Макрошлифовете не трябва да имат много големи размери, защото това
затруднява механичното им обработване. При голямо- габаритни изделия може да се наложи
изрязване на повече пробни тела. При избора на метод за рязане трябва да се има предвид, че
повишаването на температурата в равнината на шлифа над допустимата може да доведе до
необратими структурни промени и до погрешни заключения от анализа. Същото се отнася и до
повишеното налягане при рязане. В случай, че това не може да се избегне необходимо е
равнината на рязане да бъде достатъчно отдалечена от равнината за изследване. Освен това,
повреденият при рязането материал следва да бъде отстранен в следващите обработки.
в/ Шлифоване
Шлифоването се извършва с комплект металографски шкурки или други абразивни
средства (инструменти), при което последователно се преминава към обработка с по-
дребнозърнести такива, с цел получаване на висока гладкост. Провежда се ръчно или
механично.
При ръчно шлифоване се използва шкурка, която се поставя върху гладка и твърда
подложка. Обикновено се използва дебело плоско стъкло. Шлифът се притиска (с не голямо
усилие) към шкурката и се движи възвратно-постъпателно в направление перпендикулярно на
следите от предшестващата обработка, до пълното им отстраняване. Това означава, че при
всяка смяна на номера на шкурката (от по-едра към по-фина) пробното тяло трябва да се
завърта на 90
о
в равнината на шлифоване. Спазването на това условие осигурява бързо
получаване на гладка плоскост и дава възможност правилно да се прецени кога е целесъобразно
да се извърши смяната. Освен това е необходимо шкурките периодично да се почистват от
отделилите се абразивни и метални частици.
Летите метали и сплави се шлифоват направо върху ситна шкурка.
Механичното шлифоване се извършва на специални шлифовъчни машини. Те са
снабде