1. Раздел 2. Свойства металлов и методы их исследования
Тема 2.1 Методы исследования структуры металлов и сплавов
Физические методы исследования и контроля качества
металлов и сплавов.
Цель
Ознакомить с – методами контроля металлов и сплавов;
– методами выявления ликвации серы и фосфора в них;
Объяснить - сущность микроскопического анализа;
Познакомить с – приготовлением макро –и микрошлифов;
Разъяснить – пользование микроскопом при анализе структуры металлов и
сплавов;
– исследование микроструктуры металлов и сплавов и определение дефектов
на макрошлифах;
– исследование неметаллических включений и микроструктуры на
микрошлифах.
Ознакомить с - методами термического анализа;
- дилатометрическим методом;
- методом радиоактивных изотопов.
Объяснить - сущность рентгеновской дефектоскопии, ее назначение.
План
1. Основные методы исследования и контроля структуры металлов
и сплавов.
2. Макроскопический анализ. Изучение структуры на изломах и
макрошлифах. Технология изготовления макрошлифов. Выявление ликвации
серы и фосфора. Основные дефекты макроструктуры.
3. Микроскопический анализ. Технология изготовления и
травления микрошлифов. Металлографический микроскоп, его оптическая
схема и конструкция, правила работы в нем.
4. Понятие об электронной микроскопии. Назначение и устройство
электронного микроскопа.
5. Понятие о рентгеноструктурном анализе.
6. Термический анализ, его методы. Применяемые приборы, их
устройства и принцип действия. Определение критических точек в металлах.
7. Физические (неразрушающие)методы исследования и контроля
качества металлов и сплавов, их преимущества перед разрушающими
методами и экономическая эффективность использования.
8. Рентгеновская дефектоскопия, ее назначение и сущность.
Принцип действия дефектоскопа. Магнитная дефектоскопия. Методика
контроля металлов с помощью магнитных дефектоскопов.
9. Ультразвуковая дефектоскопия, ее назначение. Устройство
дефектоскопа, методика контроля качества металла с его использованием.

2. 1. Основные методы исследования и контроля структуры
металлов и сплавов.
Для изучения строения металлов и сплавов в современном
металловедении используют разнообразные методы исследования.
Наиболее часто применяют макроскопический, микроскопический и
рентгеноструктурный методы исследования.
2. Макроскопический анализ. Изучение структуры на изломах и
макрошлифах. Технология изготовления макрошлифов. Выявление
ликвации серы и фосфора. Основные дефекты макроструктуры.
Макроскопический метод исследования применяют для изучения
макроструктуры. Метод позволяет определить общую картину
кристаллического строения металлов в больших объемах. Если кристаллы в
металле крупные, то можно изучить величину, форму и расположение их.
Макростроение можно исследовать:
1. По излому. Изучение излома – наиболее простой метод выявления
кристаллического строения металлов. В отличие от аморфного тела (стекло,
канифоль и др.) кристаллическое тело имеет зернистый (кристаллический)
излом (рисунок 1, а). По излому можно судить о размере зерна, об
особенностях выплавки и литья (температуре литья, скорости и
равномерности охлаждения сплава и т.д.), термической обработки, а
следовательно, и о некоторых свойствах металла. Чаще крупнозернистый
излом отвечает более низким механическим свойствам, чем мелкозернистый.
2. На специальных макрошлифах, т.е. образцах, вырезанных из
крупных заготовок (слитков, поковок и т.д.) или изделий, поверхность
которых шлифуют, а затем подвергают травлению специальными реактивами.
Например, при макроанализе стали применяют водные растворы
персульфата аммония [(NH4)2S2O8], HCl, смеси NCl, HNO3 и K2Cr2O3 или
CuCl2 и NH4Cl.
После обработки макрошлифа реактивами на избирательно
протравленной поверхности выявляется макроструктура и дефекты,
нарушающие сплошность металла.
Рисунок 2. 1. Излом слитка цинка (а) и макроструктуры стали после ковки (б)
В результате исследования макрошлифа можно выявить:

3. 1) форму и расположение зерен в литом металле;
2) волокна (деформированные кристаллы) в поковках и штамповках
(рисунок 2. 1,б);
3) дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочная
рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т.д.);
4) химическую неоднородность сплава, вызванную процессом
кристаллизации или созданную термической или химико – термической
(цементация, азотирование и т.д.) обработками.
Например, для выявления распределения в стали серы на
макрошлиф накладывают лист глянцевой бромосеребряной фотобумаги,
смоченной в 5%-ном водном растворе серной кислоты. В местах скопления
серы после фиксирования в гипосульфите наблюдается потемнение бумаги
вследствии образования сернистого серебра.
Если в стали содержится повышенное количество фосфора, то он
также может участвовать в реакции с бромистым серебром, образуя фосфиды
серебра темного цвета.
3. Микроскопический анализ. Технология изготовления и
травления микрошлифов. Металлографический микроскоп, его
оптическая схема и конструкция, правила работы на нем.
Микроскопический метод исследования (микроанализ) применяют
для изучения микроструктуры. Микроанализ является одним из основных
методов исследования строения металлов. Это объясняется тем, что между
микроструктурой металла и многими его свойствами существует прямая
качественная зависимость.
Микроанализ позволяет определить величину и форму зерна,
расположение фаз, составляющих сплав, выявить структуру, характерную
для некоторых видов обработки, и обнаружить мельчайшие пороки металла
(наличие неметаллических включений, микротрещин и т.д.).
Для выполнения микроанализа из исследуемого металла
изготовляют микрошлиф, т.е. небольшой образец, одну из плоскостей
которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению
специальными реактивами.
Так, для выявления структуры стали применяют спиртовой раствор
азотной (1-5 мл HNO3 на 100 мл спирта) или пикриновой (4 г на 100 мл
спирта) кислот. Под влиянием реактива происходит избирательное
растворение металлических или других фаз, а также их пограничных
участков вследствие различия физико-химических свойств. Как следствие
этого, образуется рельеф. При наблюдении под микроскопом сильно
растворившиеся участки из-за тени или более низкого коэффициента
отражения (из-за растравленной, шероховатой поверхности) будут более
темными, а не растворившиеся – более светлыми.

4. При травлении металла, состоящего из однородных зерен,
выявляется их граница в виде тонкой темной сетки (рисунок 2,2 а). Так как
границы травятся сильнее тела самих зерен, то в местах, соответствующих
границам, получаются углубления. Вследствие рассеивания света в местах
углублений границы зерен кажутся темными. В некоторых случаях разные
зерна одного и того же металла травятся различным образом вследствии
разной кристаллографической ориентировки.
На рисунке 2.2 б приведена микроструктура стали перлит – смесь
пластинок феррита и карбида Fe3C, а на рисунке 2.2 в, г зерен Fe3C. При
воздействии реактива железо травится сильнее, чем карбид железа, и на
поверхности шлифа появляется рельеф. При рассмотрении под микроскопом
выступающие границы Fe3C отбрасывают тени и кажутся светлыми, а
кристаллы Feα на границах с Fe3C – темными.
В некоторых случаях применяют травление реактивами,
образующими на поверхности шлифа осадки, благодаря реакциям между
компонентами реактива. При травлении толщина осадка на разных фазах
неодинакова, что позволяет вследствии интерференции света получить
различную их окраску при рассмотрении под микроскопом.
Структура может быть выявлена и методом теплового травления
(методом окисления). В этом случае шлиф нагревают до температуры 200-
6000
С (температура нагрева зависит от состава сплава) в окислительной
атмосфере. Толщина образующейся пленки окислов на различных фазах
будет неодинакова, поэтому они окрашиваются в разные цвета
(интерференционный эффект).
Рисунок 2.2. Микроструктура железа (а) м стали с 0,8% С (б, в, г) х
500; г- то же, что на рисунке б, х5000.

5. Реже для выявления структуры металлов и сплавов применяют
метод избирательного испарения фаз, которое происходит при нагреве шлифа
в вакууме.
Избирательное испарение связано с неодинаковым физико-
химическим состоянием границ и тела зерна, а также различных фаз.
Так, более интенсивное испарение происходит на границах зерна,
что связано с иным атомным строением и наличием примеси. Этот метод
позволяет изучить структуру металла (сплава) при температуре нагрева, а
также после охлаждения.
Структуру металлов наблюдают в световом металлографическом
микроскопе, в котором изучаемый объект рассматривают в отраженном свете.
На рисунке 2.3 приведена оптическая схема и общий вид
вертикального металлографического микроскопа, который широко
применяют для контрольных исследований. Он позволяет проводить
исследования в темном или светлом поле, при вертикальном или косом
освещении, а также в поляризованном свете. Увеличение в микроскопе от 60
до 1440.
Рисунок 2.3 Схема светового металлографического микроскопа
При проведении научно – исследовательских работ чаще применяют
горизонтальный микроскоп (типа МИМ-9). Микроскоп дает увеличение до
1300 при зрительном наблюдении и до 2000 при фотографировании,
обеспечивая высокую четкость изображения.
Разрешающая способность светового оптического микроскопа, т.е.
минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его
помощью, не превышает 0,2 мкм (2000 А). Полезное увеличение в световом
микроскопе достигает 2000 раз. Применение больших увеличений
бесполезно, так как при этом не становятся видимыми новые более мелкие
детали структуры, а меняется только масштаб изображения, т.е. разрешающая
способность, определяемая волновой природой света, не меняется.

6. 4. Понятие об электронной микроскопии.
Назначение и устройство электронного микроскопа.
Для изучения микроструктуры широко применяют электронные
микроскопы, разрешающая способность которых значительно выше.
Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны
(0,04-0,12*10-8
см), дает возможность различить детали изучаемого объекта
размерами до 2-5 А, т.е. по своим размерам соответствующие межатомным
расстояниям.
Наибольшее распространение получили просвечивающие
электромагнитные микроскопы (рисунок 2.4), в которых поток электронов
проходит через изучаемый объект. Получаемое изображение является
результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Электронный
микроскоп состоит из источника электронов – электронной пушки (рисунок
4, 1-3) и электромагнитных линз. Электроны вылетают при нагреве катода
(вольфрамовой спирали). Между катодом и анодом (рисунок 4, позиция 3)
создается мощное электрическое поле, обеспечивающее высокую скорость
движения электронов. Электроны проходят через отверстие в аноде и
расположенные ниже конденсорной линзы (рисунок 2.4). Эти линзы играют
такую же роль, как объектив и окуляр в световом микроскопе. Фокусирующее
действие линз создается в результате взаимодействия электронов с сильным
магнитным полем. Далее поток электронных лучей попадает на исследуемый
объект.

7. Рисунок 2.4. Схема оптического (а) и электронного (б) микроскопов
а: 1- источник освещения; 2- конденсорная линза; 3- объектив; 4-
окуляр; 5- изображение. б: 1- катод; 2- фокусирующий электрод; 3- анод; 4-
диафрагма первого конденсатора; 5-первый конденсатор; 6- диафрагма
второго конденсатора; 7- второй конденсатор; 8- стигматор второго
конденсатора; 9- корректор юстировки; 10- изучаемый объект; 11- столик для
объектов; 12- объективная линза; 13- апертурная диафрагма; 14- стигматор
объективной линзы; 15- секторная диафрагма; 16- стигматор промежуточной
линзы; 17- промежуточная линза; 18- диафрагма поля зрения; 19-
проекционная линза; 20- экран.
Металлографические шлифы «непрозрачны» для электронов.
Поэтому в электронном микроскопе часто изучают не металл, а лаковый,
кварцевый или более часто угольный слепок (или реплику), полученный с
поверхности протравленного шлифа (или излома) и воспроизводящий детали
его рельефа, обусловленные действительной структурой металла (рисунок 2,
г). Нередко применяют метод исследования на просвет. В этом случае
исследуют прозрачные для электронов тонкие пленки толщиной 100-2000 А,
приготовленные из массивных образцов.
В последние годы все шире применяют растровые электронные
микроскопы, в которых изображение создается за счет вторичной эмиссии

8. электронов, излучаемых поверхностью, на которую подает непрерывно
перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов.
Растровый микроскоп позволяет изучать непосредственно
поверхность (излом) металла, однако разрешающая способность его меньше
(250-300 А).
5. Понятие о рентгеноструктурном анализе.
Рентгеноструктурный анализ. Атомно – кристаллическую
структуру изучают с помощью рентгеноструктурного анализа.
Рентгеноструктурный анализ основан на дифракции (отражении)
рентгеновских лучей с очень малой величиной волны рядами атомов в
кристаллическом теле. При этом возникает интерференция лучей,
рассеянных каждым атомом вещества в отдельности. Сложные явления
интерференции рентгеновских лучей, рассеянных атомами кристаллического
тела, протекают так, как если бы эти лучи испытывали зеркальное отражение
от параллельных между собой атомных плоскостей кристалла. Такое
отражение от семейства плоскостей наблюдается в том случае, когда
соблюдается зависимость Вульфа – Брэгга:
2dsinθ=nλ,
где d- расстояние между ближайшими, параллельными между собой
атомными плоскостями;
θ – угол падения луча на атомную плоскость;
λ – длина волны рентгеновских лучей;
n- целое число (так называемый порядок отражения).
Для изучения кристаллической структуры металлов часто
применяют метод Дебая – Шерера. Принцип получения рентгенограмм с
поликристаллических образцов заключается в следующем. На исследуемый
образец 1 падает узкий пучок 2 монохроматических рентгеновских лучей
(рисунок 2.5, а). В кристаллах такого образца, различно ориентированных по
отношению к падающим рентгеновским лучам, всегда имеется значительное
количество атомных плоскостей, которые встретят лучи под необходимым
для отражения углом θ, удовлетворяющим уравнению Вульфа – Брэгга.

9. Рисунок 2.5 Схема получения рентгенограммы (дебаеграммы) при
съемке поликристаллических образцов: каждая линия на рентгенограмме
соответствует определенному межплоскостному расстоянию.
Лучи, отраженные одинаковыми семействами плоскостей, в разных
зернах составляют так называемый конус отражения 3, осью которого
является продолжение падающего луча. Угол в вершине равен 4θ. Отражение
первого порядка произойдет для тех плоскостей, для которых d> λ/2.
Конусы получаются сплошными, если количество отражающих
кристаллов велико (практически, когда размеры их не превышают 1-3 мкм).
Если на некотором расстоянии от образца поставить плоскую
фотопластинку, то на ней изобразится система концентричных окружностей,
представляющая собой сечения конусов плоскостью. Обычно
рентгенограммы полукристаллов получают не на плоской пластинке, а на
сравнительно узкой пленке 4, прижатой к цилиндрической кассете. Тогда на
рентгенограмме будет видна серия попарно симметричных дуг (рисунок 2.
5,б).
Число, взаимное расположение атомов в кристаллическом теле и
рассчитать расстояние между ними. Рентгеноструктурный анализ определяет
не только атомно – кристаллическую структуру металла, но и те изменения,
которые протекают в ней в результате его обработки.
6.Физические методы исследования
Термический анализ
Процессы внутренних превращений в металлах и сплавах
сопровождаются тепловыми эффектами – выделением или поглощением
тепла.
Термический анализ применяется для определения кристаллических
точек – температур, при которых в металлах или сплавах происходят эти
превращения. При термическом анализе в процессе нагрева или охлаждения
регистрируют изменение температуры металла во времени, записывают
кривые нагрева или охлаждения (термограммы) и строят диаграммы
состояния сплавов.
Метод простого (обычного) термического анализа
При определении температуры плавления или кристаллизации в
тигель с расплавленным металлом вводят горячий спай термопары,
изолированный от непосредственного контакта с этим металлом. Для
изучения превращений в твердом состоянии горячий спай термопары вводят
в специально просверленное отверстие в образце, подвергаемом нагреву.
Холодные концы термопары с помощью компенсационных проводов

10. присоединяют к измерительному прибору. Через определенные промежутки
времени записывают показания прибора. По полученным результатам строят
кривые, откладывая по оси абсцисс время, по оси ординат – температуру.
При использовании соответствующего прибора можно получить такую
кривую путем автоматической записи. Перегибы и остановки на кривых
указывают на температуру критических точек.
Метод дифференциального термического анализа
Этот метод является более чувствительным для определения
температуры или интервала температур превращений, протекающих в
твердом состоянии и сопровождающихся малыми тепловыми эффектами.
Дилатометрический анализ
Определение температур превращений (критических точек)
дилатометрическим методом основано на объемных изменениях,
происходящих в металлах и сплавах при нагреве, охлаждении или в
изотермических условиях. Практически регистрируют не изменение объема,
а изменение длины образца. Дилатометрический анализ применяют для
определения температур превращений, протекающих в металлах и сплавах в
твердом состоянии. Если в процессе нагрева или охлаждения внутренних
превращений в исследуемом материале не происходит, то длина (объем)
образца изменяется плавно (при нагреве образец удлиняется вследствии
теплового расширения, а при охлаждении – укорачивается). В случае, если
фазовое превращение происходит, то длина образца растет или убывает
скачкообразно.
7.Физические методы контроля качества металлов
Эти методы позволяют обнаружить различные дефекты
макроскопических размеров (поры, раковины, усадочные пустоты, трещины,
непровар шва, расслоения, неметаллические включения и пр.), имеющиеся
внутри или на поверхности готовой детали.
Различные методы дефектоскопии являются методами
неразрушающего контроля, поскольку выполняются не на образцах, а на
готовых деталях.
Рентгеновская дефектоскопия
Метод рентгеновской дефектоскопии основан на ослаблении
рентгеновских лучей, проходящих через вещество.
Рентгеновские лучи из трубки 1 (рисунок 2.6) проходят через
исследуемый объект 2 и попадают на рентгеновскую пленку 3. Поскольку при
прохождении через разные по толщине и плотности участки объекта

11. рентгеновские лучи ослабляются в разной степени, интенсивность действия
рентгеновских лучей на фотоэмульсию пленки будет различной. Степень
почернения рентгеновской пленки после ее фотографической обработки
окажется различной на разных участках, т.к. проникающая способность
рентгеновских лучей возрастает с уменьшением порядкового номера
элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева и с
увеличением жесткости излучения. Так, проходя через участки объекта, в
которых имеются пустоты, трещины, раковины, поры, рентгеновские лучи
ослабляются в меньшей степени – пустоты практически не поглощают лучи,
и фактическая толщина материала в месте залегания дефекта будет меньше,
чем на других участках. Поэтому на рентгеновской пленке такие дефекты
будут обнаруживаться по появлению темных пятен.
Рентгеновское просвечивание имеет очень большое значение и
распространено в заводской практике как метод индивидуального и
массового полуфабрикатов (отливок, штамповок, сварных соединений и пр.).
Для просвечивания изделий применяют мощные рентгеновские
аппараты.
Рисунок 2.6. Получение проекции изделия на фотографической пленке при
просвечивании: 1- рентгеновская трубка; 2- объект исследования;
3- фотографическая пленка.
Гамма – дефектоскопия
Для контроля изделий больших толщин применяют просвечивание
γ- лучами. Гамма – дефектоскопия позволяет, например, выявить дефекты в
стальных изделиях толщиной до 300 мм.
По своей природе γ- лучи сходны с рентгеновскими лучами, но
отличаются от них большей жесткостью. Источники γ- лучей являются
радиоактивные изотопы. Для γ- дефектоскопии используют в основном
искусственные радиоактивные изотопы кобальта 60
Co и иридия 192
Ir с
периодами полураспада, характеризующими продолжительность
используемого излучения, 5,3 года и 75 дней, соответственно. Предельная
толщина просвечивания стали для 60
Co составляет 250 – 300 мм, а для 192
Ir –
50-60 мм. Применение 192
Ir обеспечивает более высокую чувствительность,
чем 60
Co, что связано с меньшей жесткостью излучения.

12. Для выявления дефектов просвечиванием γ- лучами источник
излучения устанавливают перед деталью на определенном расстоянии. За
деталью располагают регистрирующее устройство. Изменение
интенсивности излучения γ-лучей, прошедших через деталь, регистрируются
индикатором интенсивности. На участках с нарушением сплошности металла
γ-лучи, проходя через металл, ослабляются меньше, что и позволяет выявить
дефекты.
Для просвечивания γ- лучами не требуется громоздкой аппаратуры,
необходимой в случае рентгеновской дефектоскопии. Просвечивание γ-
лучами можно провести в труднодоступных участках деталей, там, где
просвечивание рентгеновскими лучами осуществить невозможно или
затруднительно.
Для γ- дефектоскопического контроля используют дефектоскопы
шлангового типа Гаммарид – 23, Гаммарид – 20, гамма – дефектоскоп РК-2 и
др.
Магнитная дефектоскопия
Магнитная дефектоскопия является одним из не разрушающихся
методов контроля деталей из ферромагнитных материалов. Метод позволяет
выявлять различного рода несплошности в материале: мелкие трещины,
раковины, плены, волосовины и пр. Для выявления дефектов применяют
специальные приборы – магнитные дефектоскопы. Обнаруживают дефекты с
помощью магнитных порошков или магнитных суспензий.
В магнитном дефектоскопе исследуемую деталь намагничивают. В
местах залегания дефекта магнитный поток выходит на поверхность дефекта,
создается магнитное поле рассеяния, которое образует по его краям
магнитные полюсы (рисунок 2.7). При наличии на поверхности магнитного
порошка местная полюсность вызывает интенсивное осаждение порошка по
контуру дефекта.
Рисунок 2.7 Образование магнитных полюсов и распределение
магнитного поля у границ дефектов: 1- дефект расположения поперек
магнитного поля; 2- дефект расположения вдоль магнитного поля.
Намагничивание может быть как поперечным так и продольным.

13. Поперечное намагничивание характеризуется поперечным
(кольцевым) направлением намагничивающего поля в детали и применяется
для выявления продольных и косолежащих дефектов. При поперечном
намагничивании ток пропускается через деталь. Продольное намагничивание
характерно тем, что магнитное поле направлено вдоль оси детали (рисунок
2.8.а). Это позволяет выявлять поперечные дефекты.
После намагничивания контролируемую деталь покрывают
магнитным порошком (сухой метод) или магнитной суспензией (мокрый
метод). Частицы порошка, попадая в зону магнитного поля рассеяния, под
действием магнитных сил притягиваются к границам дефекта и оседают на
них. В результате ранее невидимый дефект становиться хорошо заметным,
так как частицы порошка обрисовывают его контуры.
Рисунок 2.8. Схема намагничивания деталей:
а- продольное намагничивание между полюсами электромагнита:
1- магнитопровод; 2- катушки; 3- деталь; 4- дефект; 5- магнитный
поток;
б- намагничивание при одновременном действии двух
перпендикулярных магнитных полей: продольного (магнитное поле между
полюсами электромагнита) и поперечного (магнитное поле тока): 1- деталь;
2- изолятор; 3- контакт; 4- линии тока; 5- продольное поле; 6- поперечное
поле.
Для выявления внутренних дефектов, которые могут быть
обнаружены в том случае, если они достаточно крупные и залегают на
глубине не более 6 мм от поверхности, покрытие детали порошком или
суспензией необходимо проводить одновременно с намагничиванием. По
окончании контроля детали размагничивают.
Для осуществления магнитного контроля используют магнитные
дефектоскопы, например, ПМД-70 (переносной магнитный дефектоскоп),
МД-50П (передвижной магнитный дефектоскоп для
крупногабаритных деталей), УМДЭ – 2500 (универсальный магнитный
дефектоскоп для контроля деталей длиной до 900 мм и диаметром до 370 мм)
и др., а также дополнительную оснастку и материалы (магнитные порошки,
пасты, водную эмульсию).

14. Люминесцентный метод
Люминесценцией называется холодное, т.е. без нагревания до
высокой температуры, свечение вещества, вызываемое различными
причинами: освещением вещества, прохождением в нем электрического тока
(в газах и парах), химическими процессами.
Явление люминесценции наблюдается в природе (например,
северное сияние, свечение телевизионных экранов, газов, наполняющих
газосветные трубки и пр.).
Если вещество светится при освещении его светом и прекращает
светиться после прекращения освещения, то такое явление свечения
называется флюоресценцией. При этом обычно цвет лучей, которые
вызывают свечение, отличается от цвета лучей, испускаемых веществом. Так,
керосин при освещении его солнечными лучами испускает слабый
голубоватый свет.
На свойстве некоторых органических соединений флюоресцировать,
т.е. светиться под действием ультрафиолетовых лучей, и основано выявление
дефектов при люминесцентном контроле.
Люминесцентный метод позволяет выявлять только открытые
поверхностные дефекты (например, мелкие трещины). По сравнению с
магнитным методом, при помощи которого можно контролировать только
ферромагнитные материалы, люминесцентный метод применим для контроля
любых материалов как металлических (магнитных и немагнитных), так и
неметаллических (например, пластмасс). Контроль люминесцентным
методом осуществляют следующим образом.
Поверхность детали тщательно очищают от загрязнений, после чего
деталь погружают в ванну, содержащую флюоресцирующий раствор (смесь
трансформаторного масла, керосина и специального зелено-золотистого
порошка) и выдерживают в нем 10-15 мин. Раствор не только смачивает
поверхность, но и проникает в микроскопические трещинки. Затем деталь
промывают, смывая раствор с поверхности, высушивают поверхность на
воздухе и для более яркого выявления дефектов посыпают порошком с
высокой поглотительной способностью (тонко измельченная окись магния в
смеси с углекислым магнием). Порошок впитывает раствор из полостей
дефектов, смачивается им и прилипает к поверхности. Излишки порошка
удаляют обдувкой воздухом. Прилипший порошок обрисовывает контуры
дефектов. Поверхность детали облучают в темноте ультрафиолетовыми
лучами при помощи специальных аппаратов. Свет от источника
ультрафиолетовых лучей 2 (рисунок 2.9) проходит через фильтр 3, который
пропускает ультрафиолетовые лучи и задерживает лучи видимого света. Под
действием ультрафиолетовых лучей флюоресцирующий раствор светится
зеленоватым светом и, таким образом, обрисовывает контуры дефектов.
Для проведения контроля указанным методом используют
люминесцентные дефектоскопы, например, КД-20Л, ЛД-4, ЛДА-3 и др.
Большой дефектоскоп ЛДА-3 состоит из отдельных блоков для пропитки,

15. промывки, сушки, нанесения сорбента (вещества с высокой поглотительной
способностью), осмотра в ультрафиолетовом свете. Дефектоскопы такого
типа предназначены для работы в стационарных условиях. Для работы в
нестационарных условиях применят переносные люминесцентные
дефектоскопы: КД-31, КД-32 и др.
Рисунок 2.9. Схема люминесцентного метода обнаружения
поверхностных дефектов:
1- рефлектор; 2- ртутно-кварцевая лампа, излучающая свет и
ультрафиолетовые лучи; 3- светофильтр, пропускающий ультрафиолетовые
лучи и поглощающий свет; 4- ультрафиолетовые лучи; 5- поток
люминесценции от веществ, находящихся в полости дефектов; 6- изделие; 7-
поверхностные дефекты.
Цветной метод (метод красок)
Этот метод применяется для выявления мелких дефектов и
осуществляется с помощью индикаторных жидкостей. Индикаторную
жидкость наносят на хорошо очищенную от грязи и жировых загрязнений
поверхность контролируемой детали. После пропитки эту жидкость удаляют
с поверхности и затем наносят белую проявляющую краску, которая
вытягивает индикаторную жидкость из полостей дефектов. При этом
индикаторная жидкость несколько расплывается над дефектным участком и
благодаря ее цветовому тону можно обнаружить дефект невооруженным
глазом. Для цветового метода применяют различные индикаторные жидкости
(например, 80% керосина, 20% скипидара с добавлением краски «Судан IV»)
из расчета 15 г на 1 л жидкости и 0,6 л воды (красное покрытие). В качестве
проявляющей краски используют состав 0,4 л спирта, 300 г мела на 1 л
жидкости (белое покрытие).
Ультразвуковой метод
Обнаружить дефект в изделии можно при помощи звука. Так, легко
постукивая по чашке или молотком на бандажу вагонного колеса, по звуку

16. определяют, есть ли в них дефект или нет. Однако на слух можно определить
только крупные дефекты.
Для определения внутренних мелких дефектов (размером до 1- 2
мм) используется ультразвук с частотой более 20000 колебаний в секунду.
При этом, чем больше частота, тем меньше длина звуковой волны, а чем
меньше ее длина, тем меньше размера дефект может быть обнаружен с ее
помощью.
Ультразвуковая дефектоскопия, основана на способности звуковых
волн отражаться от встречающихся препятствий. Чем меньше дефект внутри
металла, тем меньшей длины звуковая волна может от него отразиться и,
следовательно, его обнаружить.
Приборы, с помощью которых обнаруживают внутренние дефекты
материала, называются ультразвуковыми дефектоскопами. Они работают по
принципу преобразования электрической энергии в акустическую
(ультразвуковые волны). Для преобразования одной энергии в другую
используются материалы со специфическими свойствами, способные
изменять размеры под действием электрического или магнитного полей.
Широко распространены преобразователи, изготовленные из кварца,
сегнетовой соли, пленочных полупроводниковых и других, так называемых,
пьезоэлектрических материалов.
Если поместить кварцевую пластинку между двумя металлическими
пластинками, подсоединенными к осветительной сети переменного тока, то
под действием электрических разрядов кварцевая пластинка начнет
сжиматься и расширяться в такт с электрическими разрядами.
При контакте преобразователя с контролируемым изделием
ультразвуковые волны распространяются через всю толщину
контролируемого изделия. При наличии внутри изделия дефекта (трещины,
раковины и т.п.) нормальное распространение ультразвуковых волн
нарушается. Часть волн отражается от дефекта и возвращается назад к
поверхности, т.е. проявляется ультразвуковое эхо. Улавливаемое кварцевой
пластинкой, оно будет возбуждать в металлических пластинках, между
которыми она находится, переменные электрические заряды. Эти заряды
можно усилить и измерить электрическим измерительным прибором.
Для определения глубины залегания дефекта ультразвук посылается
в контролируемое изделие не непрерывно, а периодически, с большими
перерывами. По времени между посылкой ультразвука в изделие и
возвращением его обратно (ультразвуковое эхо) определяют глубину
залегания дефекта. Для измерения этого времени используют электронно-
лучевую трубку. В тот момент, когда на поверхность детали направляются
ультразвуковые волны, на экране трубки появляется выброс 1 (рисунок 2.10),
при этом электронный луч двигается слева направо, прочерчивая на экране
горизонтальную линию. Когда на контактирующую с прибором поверхность
детали возвращаются ультразвуковые волны, отраженные от дефекта, на
экране появляется выброс 2, располагающийся правее выброса 1. И, наконец,
при возвращении ультразвуковых волн, отраженных от донной части детали,

17. с правой стороны экрана появляется выброс 3. Изменением расстояния до
выброса 2 определяют глубину залегания дефекта в изделии.
Рисунок 2.10. Ультразвуковой дефектоскоп и картина, наблюдаемая
на его экране при просвечивании детали с внутренним дефектом
С помощью метода ультразвуковой дефектоскопии определяют
наличие дефектов в деталях или полуфабрикатах преимущественно крупного
сечения. Этим методом можно обнаружить дефекты, которые не могут быть
выявлены магнитным, люминесцентным, а подчас и рентгеновским
методами.
Для проведения ультразвукового контроля используют
универсальные ультразвуковые дефектоскопы УДМ-1М, УДМ-3, ДУК-66,
портативный транзисторный дефектоскоп ДУК-66П, специализированные
дефектоскопы ДУК-11ИМ, ДУК-13ИМ и др.

18. Тема 2.2. Механические свойства металлов и сплавов
и методы их испытания
Цель
Ознакомиться с механическими свойствами металлов и сплавов и
методы их определения.
План
1. Механические свойства и способы определения их количественных
характеристик: твердость, вязкость, усталостная прочность
2. Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)
3. Метод Роквелла ГОСТ 9013
4. Метод Виккерса
5. Динамический метод (по Шору)
6. Способы оценки вязкости.
7. Основные характеристики:
8. Технологические свойства
9. Эксплуатационные свойства
1 Механические свойства и способы определения их количественных
характеристик: твердость, вязкость, усталостная прочность
Основными механическими свойствами являются прочность,
упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор
обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий
надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.
Механические свойства определяют поведение материала при
деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.
В зависимости от условий нагружения механические свойства могут
определяться при:
1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает
медленно и плавно.
2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой
скоростью, имеет ударный характер.
3. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в
процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и
направлению.
Для получения сопоставимых результатов образцы и методика
проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.
При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 получают
характеристики прочности и пластичности.
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и
разрушению.

19. Испытания проводятся на специальных машинах, которые
записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения
образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. .
Но для получения данных по механическим свойствам
перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения
Рисунок 2.11. Диаграмма растяжения: а – абсолютная, б –
относительная; в – схема определения условного предела текучести
Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца
при увеличении нагрузки.
Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации
материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее
упругой предельной деформации в точке а, называется пределом
пропорциональности.
Предел пропорциональности ( ) – максимальное напряжение, до
которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и
напряжением.
При напряжениях выше предела пропорциональности происходит
равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).
Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое
получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения
линии параллельной оа.
Так как практически невозможно установить точку перехода в
неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, –
максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую
деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация
очень мала (0,005…0,05%).

20. В обозначении указывается значение остаточной деформации .
Предел текучести характеризует сопротивление материала
небольшим пластическим деформациям.
В зависимости от природы материала используют физический или
условный предел текучести.
Физический предел текучести – это напряжение, при котором
происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие
горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для
очень пластичных материалов.
Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки
текучести.
Условный предел текучести – это напряжение вызывающее
остаточную деформацию
Физический или условный предел текучести являются важными
расчетными характеристиками материала. Действующие в детали
напряжения должны быть ниже предела текучести.
Равномерная по всему объему пластичная деформация
продолжается до значения предела прочности.
В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка –
сильное местное утомление образца.
Предел прочности – напряжение, соответствующее
максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения
(временное сопротивление разрыву).
Образование шейки характерно для пластичных материалов,
которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.
Предел прочности характеризует прочность как сопротивления
значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие
развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

21. Истинное сопротивление разрушению – это максимальное
напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий
разрушению образца (рисунок 2.12).
Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела
прочности, так как оно определяется относительно конечной площади
поперечного сечения образца.
Рисунок. 2.12. Истинная диаграмма растяжения
- конечная площадь поперечного сечения образца.
Истинные напряжения определяют как отношение нагрузки к
площади поперечного сечения в данный момент времени.
При испытании на растяжение определяются и характеристики
пластичности.
Пластичность –– способность материала к пластической
деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и
размеров без нарушения сплошности.
Это свойство используют при обработке металлов давлением.
Характеристики:
 относительное удлинения.

22. и – начальная и конечная длина образца.
– абсолютное удлинение образца, определяется измерением
образца после разрыва.
 относительное сужение
- начальная площадь поперечного сечения
-площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.
Относительное сужение более точно характеризует пластичность и
служит технологической характеристикой при листовой штамповке.
Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше
вероятность опасного хрупкого разрушения.
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его
поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при
испытании.
Широкое распространение объясняется тем, что не требуются
специальные образцы.
Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки
качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине
проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от
вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала.
Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше
твердость.
Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла,
Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рисунок.
2.13.
Рисунок 2.13 Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по
Роквеллу; в – по Виккерсу

23. 2 Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)
Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.2.13 а)
В качестве индентора используется стальной закаленный шарик
диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.
Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой
твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой
бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов –
.
Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для
латуни и бронзы – 30 с.
Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи
лупы Бринелля.
Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к
сферической поверхности отпечатка F:
Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10
с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других
случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.
3 Метод Роквелла ГОСТ 9013
Основан на вдавливании в поверхность наконечника под
определенной нагрузкой (рисунок. 2.13 б)
Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик
диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.
Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается
предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения
наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1,
втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После
снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине
остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой .
В зависимости от природы материала используют три шкалы
твердости (таблица. 2.1)

24. Таблица 2.1.Шкалы для определения твердости по Роквеллу
4 Метод Виккерса
Твердость определяется по величине отпечатка (рис.2.13 в).
В качестве индентора используется алмазная четырехгранная
пирамида.с углом при вершине 136o
.
Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к
площади поверхности отпечатка F:
Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется
при помощи микроскопа, установленного на приборе.
Преимущество данного способа в том, что можно измерять
твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.Высокая
точность и чувствительность метода.
Способ микротвердости – для определения твердости отдельных
структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев
(сотые доли миллиметра).
Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших
размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс
5 Динамический метод (по Шору)
Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает
на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже
материал.

25. В результате проведения динамических испытаний на ударный
изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость
материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния
в хрупкое.
Вязкость – способность материала поглощать механическую
энергию внешних сил за счет пластической деформации.
Является энергетической характеристикой материала, выражается в
единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим
составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.
Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл
(температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).
6 Способы оценки вязкости.
Ударная вязкость характеризует надежность материала, его
способность сопротивляться хрупкому разрушению
Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы
и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону,
противоположную удару ножа маятника, который поднимают на
определенную высоту (рисунок. 2.14)
Рисунок 2.14 Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового
копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов
напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

26. На разрушение образца затрачивается работа:
где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h –
высота подъема маятника после удара.
Характеристикой вязкости является ударная вязкость (ан), - удельная
работа разрушения.
где: F0 - площадь поперечного сечения в месте надреза.
ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC –
символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V),
с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 2.14 в)
Серийные испытания для оценки склонности металла к
хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.
Испытывают серию образцов при различных температурах и строят
кривые ударная вязкость – температура ( ан – Т) (рис. 2.14 г), определяя
пороги хладоломкости.
Порог хладоломкости - температурный интервал изменения
характера разрушения, является важным параметром конструкционной
прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к
концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости
деформации.
7 Основные характеристики:
Предел выносливости ( – при симметричном изменении нагрузки,
– при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение,
выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов
нагружения N.
Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение,
выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или
время.
Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения
и числом циклов до появления усталостной трещины.
8 Технологические свойства
Технологические свойства характеризуют способность материала
подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.
1. Литейные свойства.
Характеризуют способность материала к получению из него
качественных отливок.

27. Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного
металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность
материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе
затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при
создании моделей используют нестандартные метры.
Ликвация – неоднородность химического состава по объему.
2. Способность материала к обработке давлением.
Это способность материала изменять размеры и форму, под
влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.
Она контролируется в результате технологических испытаний,
проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным.
Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической
лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы
испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.
Критерием годности материала является отсутствие дефектов после
испытания.
3. Свариваемость.
Это способность материала образовывать неразъемные соединения
требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.
4. Способность к обработке резанием.
Характеризует способность материала поддаваться обработке
различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента
и по качеству поверхностного слоя.
9 Эксплуатационные свойства
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала
работать в конкретных условиях.
1. Износостойкость – способность материала сопротивляться
поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
2. Коррозионная стойкость – способность материала
сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
3. Жаростойкость – это способность материала сопротивляться
окислению в газовой среде при высокой температуре.
4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои
свойства при высоких температурах.
5. Хладостойкость – способность материала сохранять
пластические свойства при отрицательных температурах.
6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к
другому материалу.
Эти свойства определяются специальными испытаниями в
зависимости от условий работы изделий.

28. При выборе материала для создания конструкции необходимо
полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные
свойства.