Металлографический анализ
Целью металлографического анализа является изучение строения металла. Строение металла, наблюдаемое невооруженным глазом или при небольшом увеличении, называется макроструктурой. По макроструктуре металла судят: • о характере кристаллизации, величине и направленности • о степени развитости зональной или межкристаллитной • о характере расположения в отливке усадочных раковин, • о степени поражения металла газовой пористостью, шлаковыми включениями, окиснымипленками значительной величины, • об изменении структуры в направлении волокон, о характере С помощью микроисследования можно обнаружить ивскрыть природу (металлургическую, технологическую), дефекта. Поэтому когда требуется установить причину дефекта, обнаруженного другими косвенным методами (например, неразрушающими), применяют металлографический метод исследования. В ГОСТ 10243-82 рассмотрены методы испытаний иоценки макроструктуры кованных и катанных углеродистых, легированных и высоколегированных сталей. Стандарт устанавливает эталонные шкалы для оценки макроструктуры, классификацию дефектов макроструктуры. Макроструктуру металла контролируют протравливанием специально подготовленных образцов. Метод основан на различии в травимости бездефектного металла и участков с наличием пор, ликвации, неоднородности структуры и других дефектов. Другой способ основан на исследовании излома образцов с различным разрушением участков металла с пористостью, флокенами, перегревом, сколами и без них. Оценку производят визуально осмотром или при небольшом увеличении. Определение величины зерна в цветных металлах установлено в ГОСТ 21073.0-84- ГОСТ 21703.4-84. Методы контроля и оценки макроструктуры жаропрочных сталей рассмотрены в ГОСТ 22836-84. Строение металла, наблюдаемое при увеличении в 30-1500 раз при пользовании оптическим микроскопом (а с помощью электронного микроскопа (ГОСТ 21006-75 "Микроскопы электронные") - в 15000-3000 раз) называют микроструктурой. По микроструктуре судят о следующих свойствах: • загрязненности металла неметаллическими включениями • величине зерна, • полноте закалки и степени отпуска, • о микронеоднородности сплавов (полосчатости), • о глубине цементированного или другими способами • концентрации углерода в поверхностном слое, характере i • качестве и режиме горячей обработки, • степени деформации зерна в результате холодной обработки, деталях строения микрозерна, • межкристаллитной коррозии. Микроструктуру исследуют по микрошлифу материала подготовленного для этого определенной обработкой: шлифованием, полированием, травлением. ГОСТ 5640-68 устанавливает порядок отбора образцов, изготовления шлифов, металлографический метод оценки структурно-свободного цемента, перлита, полосчатости и видманштеттовой структуры в листах и лентах из, малоуглеродистой и углеродистой стали. Металлографические методы выявления и определения величины зерна сталей и сплавов установлены ГОСТ 5639-87. C помощью этих методов определяют: величину действительного зерна, склонность зерна к росту, кинематику роста зерен. ГОСТ 8233-56 устанавливает шкалы основных элементов структуры стали: перлита, мартенсита, нитридов и карбидов. Оценку микроструктуры на образцах площадью 0,5-1 см2. Количество; образцов и место их вырезки, в зависимости от назначения объекта должно быть оговорено в соответствующих технических условиях па диагностике. Исследование протравленных шлифов проводят помощью микроскопа. Установлена бальнаяоценка структуры в зависимости от размеров зерен и содержания. ГОСТ 1778-84 устанавливает металлографические методу определения загрязненности сплавов неметаллическими включениями. Неметаллические включения определяют сравнением i эталонными шкалами, подсчетом количества и объемного процент включений, линейным подсчетом включений. Терминологию и определение дефектов в отливках из чугуна и стал! устанавливает ГОСТ 19200-80; масштабы изображения на фотоснимках при металлографических методах исследования — ГОСТ 25536-82. Металлографическое исследование металла действующего оборудования в полевых условиях производит с помощью переносных микроскопов, путем отбора и последующего исследования и лаборатории малых проб, методов оттисков (слепков) с поверхности. Безобразцовый метод исследования микроструктуры с помощью полистирольных оттисков рекомендован для проведент |исследований на действующих объектах. При исследовании оттиска устанавливают: • характер зерна, • величину зерна, • характер распределения карбидов, • степень сфероидизации перлита, • состояние межзеренных границ, • наличие повреждений типа водородной коррозии и т.п. Метод исследования и подготовка поверхности объекта регламентированы ведомственными инструкциями (например, "Инструкция по техническому освидетельствованию сосудов, работающих под давлением на предприятиях "АГРОХИМ", РИ-001- 08-91. Согл. с Госгортехнадзором СССР 25.11.91.). В практике металлографических исследований в полевых условиях на предприятиях РАО Газпром применяют металлографический комплекс, выпускаемый фирмой Struers (Дания), в состав которого входят средства подготовки поверхности (портативный прибор для электролитической полировки и травления электропроводящих материалов), портативный микроскоп с автономной подсветкой, набор оттисков. Для лабораторного исследования металлов находит применение рентгеновский метод, основанный на способности атомных плоскостей кристаллов отражать по определенному закону направленные на поверхность рентгеновские лучи. (ГОСТ 16865-79. Аппаратура для рентгеноструктурного и рентгеноспсктрального анализов. Термины и определения.). 3.3. Определение механических характеристик материалов. Для определения механических свойств материалов применяют методы испытания на образцах и неразрушающие методы. При диагностике текущего состояния материалов объекта образцы материалов вырезают из конструкции, предварительно останавливая объект (с последующим восстановлением поврежденных участков), а также проводят исследования на образцах-свидетелях. Испытания на изгиб осуществляют на образцах круглого или прямоугольного поперечного сечения, положенных на две опоры и нагружаемых медленно возрастающей, приложенной по середине пролета, нагрузкой. Предел текучести при изгибе определяют при наличии на диаграмме нагрузка — перемещение площадки текучести стти = Мт/W, где Мт - момент сил, соответствующий площадке текучести, W - момент сопротивления поперечного сечения образца. Ударными испытаниями выявляют сопротивляемость материала динамическим нагрузкам и его склонность к хрупкому разрушению. Ударные испытания осуществляют на маятниковых копрах. Мерой сопротивлению удару служит удельная ударная вязкость а, — отношение работы, расходуемой для ударного излома образца, к его поперечному сечению. Испытания на ползучесть проводят с целью оценки способности к пластическим деформациям под воздействием нагрузки при повышенных температурах. Эта способность оценивается пределом ползучести — величиной действующего при заданной температуре напряжения, при котором скорость ползучести за определенный промежуток времени не превосходит некоторой величины (например, от 10"'до 10 ч мм/мм в час). Испытания на длительную прочность являются разновидностью испытаний на ползучесть, при которых испытуемый образец доводят до разрушения. В результате испытаний определяют время, необходимое для разрушения образца, при заданном напряжении и температуре, а также остаточное удлинение и поперечное сужение образца при разрушении. Под усталостью понимают постепенное разрушение материала при большом числе повторно-переменных напряжений, а его свойство выдерживать, не разрушаясь, эти напряжения, носит название выносливость. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механических свойствах, макроструктуре, микроструктуре и субструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от влияния среды. На определенной стадии начинаются необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостные повреждения. Сначала в структурных составляющих материала и по границам их сопряжения (зерна поликристаллического металла, волокна и матрица композитов, молекулярные цепи полимеров) образуются микротрещины, которые в дальнейших стадиях перерастают в макротрещины. либо приводят к окончательному разрушению элемента конструкции. Испытания на усталость проводят на образцах в форме галтелей! на специальных машинах для испытания на усталость. Образец нагружают консольно, либо чисто изгибом. Образец приводят во вращение. Напряжения изменяются во времени циклично. Форма цикла повторно-переменных нагрузок на образец может быть различная: симметричная, знакопостоянная, симметричная знако-j переменная, ассиметричная знакопостоянная. Целью испытаний; является определение для заданного типа цикла нагружения предела? выносливости оа — наибольшего напряжения, допускающего! повторения N раз данного цикла без разрушения образца. Для определения предела выносливости строится диаграмма;максимальное напряжение (или амплитуда цикла) — число циклов до; разрушения (кривая усталости). Эта диаграмма строится, как правило,! в логарифмических координатах lg oa - lg N. За предел выносливости'; а_\ принимают значение, при котором не происходит разрушения (для многоцикловой усталости принимают значение N = 10"). Кривые усталости в области малоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов 104 и менее), за которую ответственны повторные' пластические деформации, строят в виде зависимости lg £ - lg N. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости Под трещиностойкостью материала понимают его способность сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях. Испытания проводят на стандартных разрывных машинах, доводя образец до разрушения. По результатам испытаний определяют следующие основные характеристики трещин стойкости: • силовые (коэффициент интенсивности напряжений К,' • деформационные (раскрытие трещины в вершине δ), • энергетические (I-интервал — величина, характеризующая Трещиностойкость оценивается по одной или нескольким из указанных характеристик. Определение твердости материала. Под твердостью понимают способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого тела различной формы (шарика, конуса, пирамиды) из другого более твердого материала, не получающего при данном давлении остаточной деформации. Величина твердости и ее размерность зависят от применяемого метода измерения. Твердость измеряется с помощью специальных приборов — твердомеров, общие требования к которым изложены в ГОСТ 23677-88. Методы испытания на твердость регламентированы стандартами: ГОСТ 9012-79 — по Бринелю, ГОСТ 9013-89 - по Роквеллу, ГОСТ 22915-83 - по Супер-Роквеллу, ГОСТ 2999-85 - по Виккерсу, ГОСТ 23273-84 - по Шору, ГОСТ 9450-92 — измерение микро твердости. При измерении твердости поверхность металла должна быть подготовлена (удалена окалина, поверхность отполирована до шероховатости не более Ra = 2.5 мкм по ГОСТ 2789-80). Перерасчет значений твердости,' определенных различными методами, производится по таблицам или эмпирическим формулам. Твердость является мерой пластичности и связана с пределом текучести формулой ст - С * HV. Экспериментально могут быть установлены корреляционные:вязи между твердостью и прочностью. Преимуществом использования твердости в качестве оценки механических свойств материала является простота и высокая производительность метода измерения, выполняемого без разрушения целостности конструкции. Для измерения твердости и полевых условиях используют переносные твердомеры, работающие по принципу вдавливания индентора при постоянной нагрузке, вдавливания индентора при динамической нагрузке, по разности скоростей падения и отскока индентора от поверхности, резонансно-импендансного метода. Измерение твердости по Брннелю переносными твердомерами статистического действия производится по ГОСТ 22761-77; методом ударного отпечатка — по ГОСТ 18661-73. Переносные приборы, основанные на принципе измерения отпечатка индентора при постоянной нагрузке, имеют большие, размеры и массу, поэтому в полевых условиях предпочтительны; твердомеры на основе резонансно-импендансного метода. Принцип измерения твердости с помощью таких приборов следующий. Алмазная пирамида для измерения твердости по Виккерся закрепляется на конце металлического стержня, который пол действием пьезоэлектрической пластины колеблется с собственной резонансной частотой. При внедрении алмазной пирамиды в материал стержень меняет свою резонансную частоту. Между твердостью и изменением частоты существует прямая корреляция. Выпускаемые приборы измеряют твердость по Виккерсу, пересчитывают результаты в единицы твердости по Роквеллу, Бринелю, а также в значения предела прочности и текучести материала, имеют память и показывающий индикатор. Для измерения твердости в труднодоступных местах приборы снабжены набором зондов. В основе измерения твердости по отскоку индентора лежит зависимость разности скорости падения и отскока от поверхности от твердости материала. Приборы, основанные на этих принципах калибруются по мерам твердости ГОСТ 9031-90. На этих принципах выпускаются многочисленные твердомеры отечественного и зарубежного производства (фирм КРАУТКРАМЕР (Германия) AM ДАТА и др). К специальным методам измерения твердости относится метод определения усилия текучести для некоторых легированных сталей, применяемых в теплотехнике. Твердость измеряют на пределе текучести материала путем вдавливания шарика (ГОСТ 22762-77). Измерение микро твердости царапаньем алмазными наконечниками (склерометрия) установлено ГОСТ 21318-82. Методы определения механических свойств сварных швов регламентированы ГОСТ 6996-91. Приборы для измерения твердости подлежат поверке в соответствии с ГОСТ 8.398-83 ГСИ (Приборы для измерения твердости металлов и сплавов. Методы и средства поверки) и ГОСТ 8.406-80 ГСИ (Твердомеры для резин. Методы исредства поверки). Для исследования структуры и механических свойств материалов используюттакже акустические методы (РД 26-11-87. Инструкция по акустическим методам контроля структуры и механических характеристик серых и высокопрочных чугунов.) С целью повышения достоверности оценки состояния конструкционного металла и ускорения диагностирования применяют методы диагностирования по комплексу физико-механических свойств. В основу "Методики экспресс-диагностических свойств металла сосудов, аппаратов и трубопроводов из конструкционных сталей приборами неразрушающего контроля и оценки допустимого срока работы в нефтеперерабатывающих (и родственных) производствах" (разработан предприятием "ИНТГХ" и согласован с ГГТН России2.11.94) положено допущение о том, что основным наиболее опасным видом структурной повреждаемости для металла являетс яего охрупчивание и снижение характеристик трещиностойкости, особенно при наличии и металле трещин и дефектов. Структурно-физическое состояние металла оценивается по трем условным категориям свойств в связи со степенью его структурного охрупчивания, оцениваемого по повышению температуры вязко-хрупкого перехода (смешение порога хладоломкости) и снижающего характеристики сопротивления хрупкому разрушенийи трещиностойкости металла. Комплекс физических характеристик диагностируемого металла сравнивают с таким же комплексом металла-анналога образца в исходном и опасном структурно-охрупченном состоянии. По результатам сравнения устанавливают категорию свойствметалла эксплуатируемого оборудования. 4. ДЕФЕКТЫ В МЕТАЛЛАХ И НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИХ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ 4.1. Основные виды дефектов в металлах. При оперативном обследовании потенциально опасных объектов и выяснении причин аварий необходимо обнаружить дефекты в конструкционных материалах и выяснить причины их появления. Обнаружить дефекты различной физико-химической природы непосредственно в эксплуатационных условиях позволяют' многочисленные методы неразрушаюшего контроля, основанные на; различных физических принципах. По происхождению дефекты в металлах подразделяют на производственно-технологические, возникающие при отливке, прокате, ковке, термической и других видах обработки, сварке, пайке, клепке, неправильной сборке, и эксплуатационные, возникающие вследствие появления дополнительных нагрузок, ударов, вибрации, перепада температур, а также коррозии,; изнашивания, старения. Анализ дефектов сталей дан в ГОСТ 10243-; 82 и ГОСТ 8233-56. Рассмотрим основные из них. К дефектам плавки и.литья относятся неметаллические (шлаковые и флюсовые) включения, образующиеся вследствие загрязнения шлаками, продуктами раскисления, огнеупорами. Эти включения имеют неправильную форму и расположены в различных местах отливки. При обработке давлением включения деформируются в направлении волокна. При кристаллизации из-за выделения газов, растворившихся металле в процессе плавки, возникают газовые пузыри. Эти дефекты рассеяны по всему объему слитка или сосредоточены в подкорковом слое. При обработке давлением пузыри могут завариваться или, запрессовываться. При нагреве запрессованный пузырь может вздуться и обнажиться в виде трещины. В процессе кристаллизации отливки возникают усадочные раковины. Часть слитка с усадочными раковинами, как правило; удаляется. Результатом неправильной технологии литья являются неслитины — несплошности в металле у поверхности слитка. Частым, дефектом металла является ликвация — неоднородность отдельны участков металла по химическому составу, структуре, неметаллическим включениям. Ликвация может быть точечной, пятнистой, в виде квадрата или круга. При этом сплошность металла не нарушена, однако прочность его существенно снижается. Под действием термических и усадочных напряжении высоких температурах образуются межкристаллические горячие трещины с сильно окисленными поверхностями. Эти трещины часто бывают в виде трех и более извилистых, паукообразных полосок, направленных от оси заготовки в стороны. После окончания затвердевания металла, при относительно низких температурах под действием усадочных и термических напряжений могут возникнут холодные трещины со светлыми неокисленными поверхностями. Вероятность образования таких трещин выше у высоколегированных сталей и сплавов, обладающих низкой температуропроводностью и меньшей пластичностью. При обработке давлением в поковке появляются поверхностные трещины и внутренние разрывы в результате высоких напряжений деформации. Эти трещины появляются в областях металла, ослабленных литьевыми дефектами. В процессе прокатки металла на поверхности появляются риски, царапины, а в результате деформирования газовых пузырьков — дефекты в виде тонких прямых линий длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров (волосовины). Если в слитке имелись крупные газовые пузырьки, то в прокате появляются расслоения — внутренние нарушения сплошности металла. При прокате по краям слитка могут возникнуть закаты металла, рванины. Одним из часто, встречающихся дефектов являются флокены — тонкие извилистые трещины длиной от 1 до 30 мм, ориентированные беспорядочно. Их образование связано с выделением растворенного в металле водорода. При термической обработке из-за несоблюдения температурного режима возникает перегрев или пережог, в результате которого образуются крупнозернистые структуры, оксидные исульфидные выделения по границам зерен. Эталонныеи другие термические трещины возникают при резком нагреве и охлаждении. При нагреве изделий в зависимости от среды может происходить как обезуглероживание, так и науглероживание поверхностного слоя. В обезуглероженном слое возникают поверхностные трещины глубиной до 1-2 мм. Науглероживание ведет к повышению хрупкости и склонности к трещинообразованию. Насыщение водородом поверхностных слоев под воздействием щелочей, кислот и электрохимической обработки приводит к резкому падению пластичности и хрупкому разрушению, очагом которого являются поверхностные микротрещины.
4.2. Методы неразрушаемого контроля конструкционных материалов. Дефекты в металле становятся причиной изменения физических характеристик: плотности, электропроводимости, магнитной проникаемости, упругих и других свойств. Исследование этих свойств и с помощью обнаружении дефектов составляет физическую основу методов неразрушаешего контроля. Основные требования: · достоверность и объективный контроль измеряемого параметра; · воспроизводим ость результатов измерения; · ограниченное время проведения анализа; · оптимальный вес и транспортабельность приборов; · скорость подготовки объекта к исследованию; · сопоставимость результатов анализа объекта с результатами образцов; · проведение экспертизы средним техническим персоналом; · оперативность выдачи результатов обследования в форме · надежность в эксплуатации, · взрывобезопасное исполнение. Промышленностью выпускается широкий ассортимент приборов неразрушающего контроля и исследования состояния и свойств материалов и оборудования: • переносные анализаторы химического состава металлов, • переносные микроскопы, • портативные наборы д. ч измерения геометрических • Толщиномеры, • эндоскопы для визуального обследования внутренних • приборы термовидения с дистанционным обследованием • дефектоскопы для обнаружения дефектов в материалах, • портативные приборы для измерения твердости, • переносные приборы для измерения шероховатости. изложены в стандартах: 21104-86, 21105-90, 23480-89, 23483-89, 23479-89, 20426-82, 20415-82, 18442-86. В стандартах установлена возможность применения конкретных видов неразрушающего контроля. ГОСТы: 7512-88, 23702-90, 23764-88, 25113-90 регламентируют основные потребительские характеристикисредств неразрушающего контроля, их комплектность, правила приемки, упаковки и другие требования. Конкретные требования к методикам поверки и образцовой аппаратуре устанавливаются стандартами (ГОСТ 8.452-S2), атакже техническими условиями на конкретные средства неразрушающего контроля. Согласно ГОСТ 18353-79 методы неразрушающего контроля тарифицируют по видам: акустические, магнитные, оптические, проникающими веществами, радиационные, радиоволновые, тепловые, электрические, электромагнитные. Каждый вид представляет собой условную группу методов, объединенных общностью физических характеристик. Акустические методы основаны на регистрации параметров других колебаний, возбужденных в исследуемом объекте. Эти методы применяют для обнаружения поверхностных и внутренних дефектов (нарушений сплошности, неоднородности структуры, межкристаллитной коррозии, дефектов сварки, пайки, склейки) в изделиях, изготовленных из разнообразных материалов, а также для наблюдения за динамикой их развития. Они позволяют измерять геометрические параметры при одностороннем доступе к объекту, а также физико-механические свойства материалов без их разрушения. Применение акустических методов регламентировано следующими стандартами:
Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения. Контроль неразрушающий. Методы акустические. Общие требования. Сталь. Методы ультразвукового контроля. Общие требования. Контроль неразрушающий. Швы сварные. Методы ультразвуковые. Контроль неразрушающий. Трубы металлические бесшовные цилиндрические. Методы ультразвуковой дефектоскопии. Прутки и заготовки круглого и квадратного сечения. Ультразвуковой контроль эхо-методом. Сталь толстолистовая. Методы ультразвукового контроля. Соединения сварные стыковые и тавровые арматуры железобетонных конструкций. Ультразвуковые методы контроля качества. Правила приемки. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые. Контроль неразрушающий. Соединения паяные. Ультразвуковые методы контроля качества. Контроль неразрушающий. Поковки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии. Рекомендации к техническими условиям на ультразвуковой.контроль многолистового проката и биметалла толщиной от 8 до 160 мм. - М.: НИИХИММАШ, Дончермет, 1972. Рекомендации по ультразвук- эому контролю водородных дефекто.в. - М.: ВНИИнефтемаш, 1992. Приборы ультразвулового контроля должны быть сертифицированы и удовлет ворять требованиям: ГОСТ 23667-85. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерения основных параметров. ГОСТ 23702-90. Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Основные параметры и методы их измерений. ГОСТ 26266-90. Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Общие технические требования. В зависимости от частоты акустические волны подразделяют на инфракрасные - с частотой до 20 Гц, звуковые (от 20 до 2 10Гц ультразвуковые (от 2* 10' до КГ Гц) и гиперзвуковые (свыше 10'' Гц Ультразвуковые дефектоскопы работают с УЗК от 0,5 до 10 МГц. Упругие волны характеризуются следующими параметрами длиной, частотой, скоростью распространения, амплитудой волны акустическим давлением, смешением, скоростью и ускорение* частиц среды, энергией волны. Для обнаружения различных дефектов применяют различные схемы прозвучивания. В зависимости от назначения, метод диагностирования, объекта и дефектов применяют различны преобразователи (датчики излучения и приема ультразвуковых волн). Пьезоэлектрические датчики различаются формой, направленностью ультразвуковой волны. Для проверки приборов и контроля точности используют стандартные образцы. Порядок утверждения применения стандартных образцов в ультразвуковой дефектоскопии, методы и средства поверки ультразвуковых дефектоскопе изложены в РД: 50-263-81, 50-337-82, 50-365-83, 50-407-83. Для наглядности и большей информативности результаты звукового анализа дефектов в материале применяют методы ультразвуковой интроскопии, основанные на преобразовании полу акустических сигналов в оптическое, изображение на экране дисплея (интегральные методы получения изображений, сканирование фокусирующими преобразователями, стробоскопические эффекты, методы вычислительной томографии, голографические методы и др.) Акустические методы подразделяют на активные, основанные излучении и приеме волн (теневой, резонансный, эхо импульсный, велосиметрический методы), и пассивные, основанные на прием колебаний волн исследуемого объекта (акустической эмиссии и виброшумодиагностические методы). Теневой метод основан на уменьшении амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта. Временной теневой метод основан на запаздывании импульса вызванного огибанием дефекта. Зеркально-теневой метод основан на ослаблении сигнала отраженного от противоположной поверхности изделия (донный эффект). Велосиметрический метод основан на изменении скорости других волн при наличии дефекта. Эхо-методы основаны на регистрации эхо-сигналов от дефектов зеркальном эхо-методе импульсы отражаются от дефектов ориентированных вертикально к поверхности, с которой ведется контроль.
|