Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники
родефекты (мелкие трещины, раковины и т. д.), а также некоторые дефекты кристаллического строения (дислокации и их скопления).
Многочисленными исследованиями установлено, что структура металла является одним из основных факторов, определяющих свойства металлических изделий. Макро- и микроанализ металла заготовок и изделий позволяет своевременно выявить дефекты металла, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надежность изделий в работе. Поэтому контроль структуры производится на всех этапах изготовления изделий, начиная от выплавки металла и кончая термической обработкой готовых деталей.
Анализ макроструктуры. Макроструктура – это структура, строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз) с помощью лупы или специального микроскопа. К анализу макроструктуры прибегают при проведении многих исследований и контроле готовой продукции.
Существует три основных способа изучения макроструктуры:
1.Просмотр хорошо отшлифованной и протравленной контролируемой поверхности готового металлического изделия. В этом случае изделие не разрушается и после контроля идет в эксплуатацию.
2.Просмотр специально приготовленных макрошлифов.
3.Изучение излома образца.
Возможности макроструктурного анализа велики, по выполнению он прост и не требует сложного оборудования. Преимуществом макроанализа является то, что ему может быть подвергнут большой объем металла: или все изделие, или его основные части. Поэтому в ГОСТах на большинство металлоизделий различные виды макроанализа включены как обязательные.
Макроанализ позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на разных этапах производства заготовок и изделий. При контроле и исследовании слитков или отливок макроанализом можно выявить дефекты, зависящие от условий плавки, разливки и кристаллизации металла. С помощью этого метода можно выявить также дендритное строение и направленную кристаллизацию, местонахождение, форму и размер усадочной раковины, усадочной рыхлости, трещин, неметаллических включений, пористость.
76
При контроле и исследовании катаного и кованого металла макроанализ позволяет оценить степень и направленность волокнистости, полосатости структуры.
При контроле и исследовании металла после термической или химико-термической обработки с помощью макроанализа можно оценить толщину поверхностного слоя (закаленного, цементированного и др.), структура которого отличается от структуры основного металла, а также выявить трещины и т. д.
Контролируемую поверхность темплета торцуют, строгают и шлифуют. Готовая поверхность должна быть ровной, гладкой, без наклепа и прижога.
Место и направление вырезки образцов из изделия и их число зависят от целей макроанализа. Для контроля металла слитков, отливок, катаных и кованых заготовок образцы (пробы) вырезают в направлении, перпендикулярном продольной оси; их называют темплетами. При изучении строения слитка (рис. 2.10), макроанализе сварных швов (рис. 2.11) образцы макрошлифов вырезают в продольном направлении (параллельно продольной оси).
а |
б |
в |
Рис. 2.10. Образцы (макротемплеты) четырехтонных слитков углеродистой стали, содержащей 0,15 % углерода в продольном и поперечном направлениях:
а– продольный образец; б – серный отпечаток того же образца;
в– поперечный образец, вырезанный из центральной части слитка
77
Рис. 2.11. Образец сварного соединения. Усталостная трещина на образце сварной прямошовной трубы диаметром 1240 мм Увеличение 5 крат
Для выявления дефектов структуры и неоднородности химического состава материала темплеты травят специальными реактивами.
Макроанализ широко применяют для выявления неоднородности химического состава (ликвации) металла. Такие вредные примеси в стали, как сера и фосфор, часто располагаются не равномерно по всему объему металла, а сосредоточиваются на отдельных его участках. Макроанализ дает полную картину их расположения, хотя и не позволяет произвести количественную оценку.
Для выявления ликвации серы применяют метод серных отпечатков. Хорошо подготовленную поверхность шлифа очищают спиртом от загрязнения. Лист фотографической бромосеребряной бумаги помещают на несколько минут в 5 %-й водный раствор серной кислоты и затем слегка просушивают между листами фильтровальной бумаги. Влажную фотографическую бумагу накладывают на поверхность макрошлифа. Фотобумага находится на макрошлифе около 30 мин. Затем ее снимают, промывают водой и фиксируют в течение 20–30 мин в растворе гипосульфита. После этого ее опять промывают и сушат. На бумаге отпечатывается поверхность макрошлифа серого цвета, а участки скопления серы имеют более темную окраску (см. рис. 2.10, б).
Потемнение участков, содержащих повышенное количество серы, происходит в результате химической реакции. Сера находится в металле в виде сульфидов железа и марганца (FeS и MnS). Сульфиды вступают в реакцию с серной кислотой, оставшейся на
78
бумаге, в результате чего выделяется сероводород. На участках макрошлифа, содержащих большее количество серы, выделяется и больше сероводорода. Выделившийся сероводород вступает в реакцию с бромистым серебром, входящим в состав эмульсионного слоя фотобумаги. В результате образуется сернистое серебро темного цвета.
Анализ микроструктуры. В металлографии образцы, применяемые для исследований микроструктуры, принято называть шлифами, так как основной метод подготовки образца для исследований – шлифование и полировка.
Для листового проката или отливок типа плит, т. е. изделий, у которых один размер (толщина) значительно меньше остальных (длины и ширины), структуру изучают на шлифе, плоскость которого перпендикулярна наибольшей плоскости изделия. Однако возможна вырезка шлифов и в продольном (осевом) направлении для уточнения однородности структуры по всему объему изделия.
Место вырезки образцов и их количество определяются целями и задачами исследования. При отборе проб и заготовок, а также при изготовлении образцов должны быть предусмотрены все меры, предохраняющие образцы от нагрева и наклепа (упрочнение металла под действием пластической деформации), которые могут привести к искажению структуры и изменению свойств.
Размер и формы образцов определяются как задачей исследования, так и габаритами и конфигурацией исследуемого изделия. Обычно вырезают образцы цилиндрической или прямоугольной формы, высота которых равна 15–20 мм, а площадь изучаемой поверхности (шлифа) – 2–3 см2.
Приготовление микрошлифов состоит из нескольких последовательных процессов: подготовки плоской поверхности, шлифования и полирования. После завершения шлифования на поверхности шлифа остаются тонкие риски – следы срезания тонкой стружки с поверхности образца абразивным инструментом (рис. 2.12). Чтобы окончательно выровнять поверхность, шлиф полируют до зеркального блеска. Применяют два способа полировки шлифов – механический и электролитический.
Анализ полированного образца. После полировки до травле-
ния и определения структуры материала полученная поверхность шлифа должна быть подвергнута тщательному анализу на предмет
79
выявления трещиноподобных дефектов различного происхождения, выявления изменений, произошедших в материале под воздействием агрессивной внешней среды, и т. п.
Рис. 2.12. Поверхность образца после шлифования
На рис. 2.13 приведен ряд фотографий поверхностей нетравленых шлифов материалов после различных условий эксплуатации, приведших к разрушению оборудования.
Исследование нетравленого шлифа является обязательной процедурой, проводимой в ходе экспертизы промышленной безопасности оборудования, и позволяет в ряде случаев определить причины, приведшие к его повреждению. Кроме выявления дефектов эксплуатационного, механического или коррозионного воздействия, на нетравленых шлифах выполняют исследования по выявлению неметаллических включений в материале.
Неметаллические включения – это макро- и микрочастицы в металлах и сплавах, образующиеся в результате различных физи- ко-химических процессов, которые происходят при выплавке металла и его кристаллизации. Неметаллические включения могут быть природными и посторонними. Природные включения возникают в результате различных, в основном химических, реакций, происходящих при производстве металла. К таким включениям относятся, например, сульфиды и нитриды. Посторонние включения (частицы огнеупоров, литейной формы и др.) образуют вещества, которыми металл соприкасается в ходе производства. Эти включения вносятся обычно механическим путем.
В сталях встречаются неметаллические включения различных состава и строения. В основном это простые и сложные окислы, силикаты, сульфиды, фосфиды и нитриды, состав которых зависит от содержания в металле различных химических элементов.
80