Макро- и микроструктурен анализ Д. Алипиев

Както и в други области на техническите науки, и в металознанието има методи, екипировка и пробни тела, с помощта на които се определят редица важни свойства на металите и сплавите. Анализът в металознанието не е тъпо любопитство на хора, нямащи си работа, а е сериозен процес с цел да бъде опозната структурата на металите. Познавачите на структурата очакват точно определени свойства, които биха се проявили при производството и експлоатацията на машинните детайли. Накратко, металографският анализ се състои от макро- и микроструктурен анализ. Макроанализът се провежда с просто око или с увеличение до 50 пъти, като се наблюдават обекти, наречени ломове и шлифове. Микроанализът се извършва с помощта на металографски микроскоп, като се наблюдават само шлифове. Лом се нарича зоната на разрушаване на пробното тяло или на детайла, а шлифът представлява специално изработен за целта на изследванията обект. Не големината на шлифа го определя като макро- и микрошлиф, а това дали е предназначен за макро- или за микроструктурен анализ. Докато за получаването на какъвто и да е лом е необходим по-як чук, то за изработването на шлифовете се изпълняват следните процедури:   - определяне на зона за отнемане на материал,   - отнемане на материал,   - опаковане на материала,   - шлифоване,   - полиране, и   - проявяване. Казано на обикновен език, "определянето на зона за..." се налага при възникване на проблем при производството или експлоатацията на някакъв детайл. Не всякога е удобно и нужно, целият детайл да бъде изследван структурно, особено, ако е тежък или с голями размери. Това налага, проблемната част от детайла да се отстрани (отнеме) от него. Изрязването трябва да се извърши без силно термично въздействие, което би променило структурата. Една от стените на късчето метал се изравнява с абразивен диск. За удобство при по-нататъшната работа, парчето метал се опакова в пластмаса. Това става лесно с помощта на съвременните уредби за изработване на шлифове. Но и с подръчни средства не е сложно. Металът се поставя върху намазана с разделител плоскост и около него се разполага къса пластмасова тръба. След това, в оформилото се пространство се сипва епоксидна смола, разбъркана с втвърдител. Когато смолата полимеризира, заедно с вградения в нея метален къс се получава удобно за боравене цилиндрично блокче. Шлифоването, откъдето идва и понятието "шлиф", се прави с шмиргелова хартия (шкурка), която е поставена към диска на апарата за шлифоване. Процедурата се извършва едновременно с няколко опаковани в пластмаса метални части. Те се притискат с определена сила към диска с шмиргеловата хартия и той се привежда в движение с определена скорост за определено време. При обработването, върху диска тече слаба струя вода за охлаждане и отмиване на отронилите се частици. Шмиргеловата хартия се сменя няколкократно с все по-дребнозърнеста, докато повърхността на шлифа се "изглади", без следи от абразивното въздействие. Макрошлифовете с по-разнообразна конфигурация и голями размери се шлифоват ръчно. Полирането се прави на подобни дискови апарати, но вместо шкурка, триенето на шлифовете се извършва с текстилна материя. Добавя се полирпаста, най-често от Cr2O3. Тъй като металографските микроскопи работят на принципа на отразената светлина, полирането на микрошлифовете до огледално гладка повърхнина е задължително. Макрошлифовете се полират по-рядко, предимно при разглеждане на пукнатини. Проявяването (разяждането) води до отчетливо разграничаване на отделните зърна и фази при наблюдение на структурата. За постигане на това, повърхността на шлифа се обработва с тампон, напоен с подходящ реактив, въздействащ на точно определени съставни части от метала. Реактивите най-често се състоят от киселина - солна, азотна, пикринова, разтворена във вода или етилов спирт. Подбират се в зависимост от целта на изследването. При разяждане на границите между зърната, светлинният лъч от микроскопа се разсейва в зоната им и в зрителното поле те стават видими като тъмни линии. Така е и, ако се разядат зърната на някоя от фазите. Те стават тъмни, докато другите, неразядени зърна, отразяват светлинния лъч изцяло и остават светли за наблюдателя. Опаковани в пластмаса шлифове (най-вляво), прибор за шлифоване, преди и по време на работа. макроструктурен анализ - примери Изпълнението на "вечната" задача - да се наблюдават, скицират и анализират макроструктури, е свързано с изобилие от примери. Но тук, като въведение, са подбрани примери, които се открояват ясно един от друг  и,  доколкото това е възможно, високонаучна терминология не е използвана. - метални ломове със зърнеста и иглеста структура: Вляво е метален лом с близки до кръглата форма зърна, а вдясно - лом с груба, иглеста структура, за която се очаква намалена якост. - ломове с дребнозърнеста и едрозърнеста структура: Вляво е метален лом с дребнозърнеста структура, която е с повишени якостни характеристики. - лом на отливка от сив чугун с избелена зона: В най-тънката част се наблюдава структура, характерна за белия чугун. Известно е, че сивият чугун се обработва добре, а белият значително по-трудно. С оглед обработваемостта, в наблюдавания лом се регистрира дефект - избелване на структурата на отливката от сив чугун. - лом на пробни тела от стомана и чугун от изпитване на опън: На схемата са показани две пробни тела след разрушаване. Вляво разрушаването е след видимо изтъняване в зоната на лома, характерно за жилави материали, каквато е стоманата. Вдясно, разрушаването е крехко, характерно за чугун. На снимката е показано разрушено пробно тяло от стомана. - макроструктура на отлят в метална форма стоманен блок: Тази схема е много популярна и може да се види с малки изменения в учебниците по металознание. Позициите са следните: 1 е  повърхностен слой, изграден от дребни кръгли зърна, 2  -  транскристализационна зона от иглести кристали, 3  -  сърцевина от едри, сравнително равноосни (кръгли) зърна, 4  -  всмукнатина. - макрошлиф на детайл, получен чрез пластична деформация: Наблюдава се характерната деформационна текстура - преимуществена ориентация на зърната, съобразно посоката на деформиращата сила. Структурата се характеризира с висока якост и твърдост. - макрошлиф на заварено съединение: Тук се различават следните позиции: 1 и 2  са  заварените метални части, 3  -  заваръчен шев, 4  -  околошевна зона. - макрошлиф на детайл след повърхностно закаляване: Закалената работна повърхнина (по-тъмната област) е с висока твърдост и износоустойчивост, а останалата, незакалена част, запазва своята жилавост, позволяваща ударно натоварване. микроструктурен анализ - примери Отляво-надясно са посочени микроструктурите на сив чугун с пластинчат графит, на сферографитен сив чугун и на нисковъглеродна стомана. Под реалните структури е показана една версия за схематичното им представяне. Тъмните чертички и кръглите петна изобразяват формата на графита, разпределен своеобразно в металната основа, която е светлата част от микрошлифа. Нисковъглеродната стомана е изградена от перлит (тъмните зърна) и ферит (светлите зърна). Различната структура на тези, съставени от желязо и въглерод материали (сплави), предопределя и различни свойства. За развитието на металографията (и на металознанието, по-общо) са дали своя принос знаменити учени като Х. Сорби, Д. Чернов, А. Бочвар, А. Гуляев, и много други. Темата е разгледана в почти всяка учебна литература по металознание. Много полезни подробности има в Ръководството за лабораторни упражнения по материалознание (2001) от авторски колектив, начело с проф. дтн. Виктор Анчев.