Металлографический способ исследования металлов

Металлографические исследования металла

Металлографическое исследование строения металлов и сварных соединений

Металлография исследования – это комплекс испытаний и аналитических мероприятий, направленный на изучение макроструктуры и микроструктуры металлов, исследование закономерности образования структуры и зависимостей влияния структуры на механические, физико – механические, электрические и другие свойства металла.

Металлографические методы исследования металлов и сварных соединений позволяют определить размеры, форму и взаимное расположение кристаллов, а также неметаллические включения, трещины, раковины, поры, свищи и т. д.

Различают макроскопический и микроскопический методы изучения строения металлов. Макроскопический метод — исследование строения металлов и сварных соединений невооруженным глазом или с применением лупы, дающей увеличение в 5—30 раз. Макроанализ дает возможность выявлять раковины, шлаковые включения, нарушение сплошности металла, трещины и другие дефекты строения сплава, химическую и структурную неоднородность.

Микроскопический анализ металлов заключается в исследовании их структуры с помощью оптического или электронного микроскопов, на специально подготовленных образцах. Методами микроанализа определяют форму и размеры кристаллических зерен, обнаруживают изменения внутреннего строения сплава под влиянием термической обработки или механического воздействия на сплав, микротрещины и многое другое.

Так как все металлы непрозрачны, то их строение можно исследовать на изломах или специально подготовленных шлифах. Исследование строения методом фактографии по изломам часто применяют при анализе причин разрушения деталей машин, аппаратов и элементов стальных конструкций. Макроструктурный метод используется также для ориентировочного определения глубины закаленной зоны инструментальных сталей, глубины цементованного слоя и т. д.

Изучение макроструктуры металла обычно проводят на специально подготовленных шлифах. В этом случае деталь или изделие разрезают. Поверхность, которую необходимо исследовать, тщательно обрабатывают под плоскость на металлорежущем станке. Если деталь разрезали при помощи газовой горелки, то необходимо снимать весь слой металла, в котором произошло изменение структуры в результате нагрева пламенем горелки. Обычно глубина этого слоя для сталей, применяемых в котло- и турбиностроении, не превышает 10—12 мм. Затем поверхность следует отшлифовать на плоско-шлифовальном станке и наждачной бумагой. Для выявления структуры металла его необходимо подвергнуть травлению. В процессе травления кристаллы растворяются с различной скоростью, так как они по-разному ориентированы относительно исследуемой поверхности. Свойства же кристаллов, в том числе и растворимость в химических реактивах, разные в разных направлениях. Границы между кристаллами содержат повышенный процент примесей, поэтому они растворяются быстрее кристаллов. Иногда травлением получают различную окраску структурных составляющих сплава. Поэтому в результате травления можно получить четкую картину кристаллического строения металла.

Травитель сильнее разъедает трещины, закатанные плены, пористые участки и слабее — основной металл.

В теплотехнике принято исследовать макроструктуру сварных соединений паропроводов, по которым транспортируется перегретый пар с температурой выше 450° С независимо от давления и трубопроводов, по которым транспортируется вода или насыщенный пар при температуре свыше 120° С и давлении более 8 Мн/м2 (80 am). Контроль макроструктуры сварных соединений обязателен также для остальных элементов парового котла, работающих при температуре стенки свыше 450° С и независимо от температуры стенки при давлении свыше 4 Мн/м2 (40 am).

В процессе металлографического исследования выявляют макро- и микроскопические дефекты сварного шва: непровары, трещины, поры, шлаковые включения, а также устанавливают структуру металла.

Образец для металлографического исследования вырезают из сварного соединения- поперек оси шва. Образец должен включать в себя как шов, так и зону термического влияния.

Трещины в основном металле шва, несварившиеся слои, крупные шлаковые включения, непровар сверх нормы не допускаются. Непровар не должен превышать при односторонней сварке без подкладного кольца 15% толщины стенки; если толщина стенки превышает 20 мм — не более 3 мм.

Допускаются видимые невооруженным глазом мелкие поры и шлаковые включения в количестве не более пяти штук на 1 см 2 площади поперечного сечения шва. Максимальный линейный размер отдельного дефекта по наибольшей протяженности не должен быть более 1,5 мм, а сумма максимальных линейных размеров всех дефектов — не более 3 мм.

Микроскопический анализ строения металлов и сварных соединений позволяет наблюдать непосредственно их строение при увеличении до 2000 раз. Обычно пользуются увеличением от 100 до 800 раз.

Изучение структуры металла проводят при помощи микроскопа в отраженном свете. Образец металла тщательно обрабатывают под плоскость на металлорежущем станке, шлифуют и полируют. После такой подготовки он отражает лучи как зеркало. На нетравленом шлифе видны трещинки, поры, неметаллические включения. Чтобы выявить границы зерен и отдельные структурные составляющие, шлиф травят. Для травления микроструктуры стали и сварных соединений часто применяют 3—5%-ный раствор азотной кислоты в спирте.

Исследования и фотографирование микроструктуры проводят с помощью специального стационарного металлографического микроскопа. На фото 1, а показан микроскоп Neophot 2 представляющий собой, инвертированный фотомикроскоп отраженного света, предназначенного для металлографической микроскопии. С компьютеризированной системой воспроизведения результатов.

На тепловых электростанциях необходимо проводить контроль за структурой металла паропроводов как в исходном состоянии, так и после различных сроков эксплуатации. Такой контроль осуществляют по образцам, вырезанным из паропровода, при помощи переносных микроскопов, устанавливаемых непосредственно на паропроводе, а также при помощи оттисков.

В случае использования двух последних способов отпадает необходимость в вырезке для металлографических исследований образцов из паропровода. Подготавливается шлиф непосредственно на трубе (на объекте исследования). Окалина и поверхностный обезуглероженный при термической обработке слой металла глубиной 0,5—1 мм снимаются при помощи переносного наждачного круга, который приводится во вращение от пневматического или электрического привода.

Подготовка микрошлифа: обработка поверхности проводится последовательно тремя кругами: крупнозернистым электрокорундовым, мелкозернистым электрокорундовым с вулканитовой связкой и войлочным или фетровым, покрытым пастой ГОИ на половине круга по ширине. Если отсутствует мелкозернистый круг, то тонкую шлифовку проводят при помощи шкурки вручную. При переходе от одного круга на другой направление обработки меняется на 90°. При этом легче выводятся риски от предыдущего круга. При полировке пастой ГОИ ее остатки снимаются чистой половиной войлочного или фетрового круга.

Подготовленная поверхность шлифа обезжиривается ватным тампоном, смоченным этиловым спиртом.

Травление проводят чаще всего 4%-ным раствором азотной кислоты в спирте. Для лучшего выявления микроструктуры процесс полировки и травления обычно повторяют несколько раз.

Подготовленный таким образом шлиф можно изучать либо непосредственно на объекте при помощи переносного оптического микроскопа, либо, сняв слепок со шлифа и исследуя уже его при помощи стационарного микроскопа, в лаборатории.

Имеется переносной металлографический микроскоп типа ММУ-3У (фото 2), позволяющий проводить исследования микроструктуры при увеличении до 400 раз.

Для снятия слепков со структуры чаще всего используют полистирол. Его размягчают при помощи бензола, в котором он легко растворяется. На кусочек полистирола в виде кубика со стороной 10—20 мм или цилиндра такого же диаметра и высоты кисточкой наносят бензол. Им смачивают только ту грань или торец, которые в дальнейшем прижмут к предварительно подготовленному шлифу. Между моментом нанесения бензола и прижатием кусочка полистирола должно пройти 3—5 секунд. За это время полистирол успеет размягчиться. Далее кусочек полистирола плотно прижимают к шлифу и выдерживают в течение 5— 10 сек при помощи миниатюрного ручного пресса или рукой. Затем он прилипает к шлифу. Его оставляют в таком положении на 1,5— 2 ч. За это время полистирол затвердевает, а кусочек легко отделяется рукой. Оттиск должен просохнуть и окончательно затвердеть, после чего его помещают на металлографический микроскоп. Методика исследования оттиска на металлографическом микроскопе ничем не отличается от методики исследования обычного шлифа. Для исследования оттисков удобно использовать косое освещение.

При исследовании причин разрушения различных деталей в процессе эксплуатации образцы для анализа вырезают вблизи места разрушения и в отдалении от него, чтобы можно было определить наличие каких-либо отклонений в строении металла. Кроме того, изучают структуру в продольном и поперечном направлениях.

1. Результаты макроисследования

(на примере наплавки дистанционное кольцо нижнего отвода реактора, установки каталитического реформинга).

При макроисследовании в наплавке дистанционного кольца выявлена магистральная трещина глубиной

11мм рис.1, 2. Раскрытие трещины до 0,19мм. Характер растрескивания трещины показан на рис.3. Края трещины острые, рваные, что свидетельствует о динамике ее развития. Трещина в металле наплавки распространяется по всему периметру кольца. Длина трещины

2160мм. Из наплавки трещина переходит в основной металл, см. рис. 4. При определенном насыщении водородом аустенитные коррозионные стали, в нашем случае наплавка, подвержены водородному охрупчиванию, что объясняет процесс трещинообразования в металле наплавки.

Излом ударных образцов хрупкий, кристаллический. Согласно «Шкалы изломов» доля хрупкой составляющей в образцах – 100%, сам излом представляет собой однородную поверхность хрупкого разрушения с мелкокристаллическим строением без признаков макропластической деформации см. рис.5.

Рис.1. Растрескивание в наплавке дистанционного кольца. Увеличено в 3 раза.

Рис. 2. Характер трещины в наплавке.

Рис. 3.Внешний вид излома ударного образца.

2. Результаты микроисследования

Характер микроструктуры по линии сплавления основной металл кольца — наплавка показан на рис. 8. Микроструктура основного металла кольца, см. рис. 5а отпущенный бейнит + феррит. Линия сплавления сформирована нормально, см. рис. 5б. В металле наплавки выявлены микротрещины см. рис.8в. Структура металла наплавки аустенитная, литая, см. рис. 5г.

Микроструктура металла дистанционного кольца по сечению, см. рис.6а, 6б отпущенный бейнит+феррит. Различий в структурах наружной и внутренней поверхности кольца не выявлено. Обезуглероживания либо науглероживания в основном металле дистанционного кольца не выявлено. Межкристаллитной коррозии (МКК) в основном металле кольца и наплавке не выявлено.

Источник

Что такое металлография, этапы и методы исследований

Металлография — это оптический метод определения качеств металла под микроскопом с большим увеличением. Мы рассмотрим этапы экспертизы, используемое обордование для анализа металлов и сплавов.

Металлографией называют прикладной раздел металловедения, который занимается исследованием структуры и состава металлов и сплавов. Предметом ее изучения являются состав, форма, пространственное расположение, взаимосвязи, а также количественные и качественные характеристики микро— и макрокомпонентов, образующих физическую структуру металла. Основной инструментальный метод, применяемый в металлографии, — это визуальное изучение отшлифованных образцов исследуемого материала при большом увеличении.

По своей сути металлографический анализ универсален и может использоваться не только для изучения структурных особенностей металлов. Поэтому со временем его стали применять при исследовании других материалов, в том числе и неметаллических. Вследствие этого появились новые разновидности структурного анализа: керамография, пластография и пр., которые используют научные наработки, оборудование и инструментальные методы металлографии. Сейчас все эти направления объединены в единую научно-исследовательскую дисциплину, которая носит обобщающее название материалография.

Что такое металлографический анализ

Металлографические исследования должны не только определить физико-химические свойства металлического образца, но и описать такие эксплуатационные характеристики его материала, как твердость, пластичность, прочностные параметры, коррозионная стойкость и пр. Методы металлографии позволяют получить все эти характеристики путем изучения состава и структуры отполированных образцов металла под микроскопом при большом увеличении.

В случае неразрушающего контроля металлографические исследования проводят непосредственно на изделии, для чего применяют портативное оптическое оборудование. При разрушающем контроле из анализируемого участка детали или заготовки вырезают образцы, из которых затем изготавливают металлографические шлифы — тонкие пластинки с идеально отполированной поверхностью.

Чаще всего металлографию применяют при исследовании образцов из стали и чугуна, что связано с особенностями физической и металлургической структуры этих материалов. Еще одна область, где широко используется металлография, — это анализ специальных сплавов из цветных металлов: титана, тантала, циркония и пр. Кроме того, без металлографических исследований не обходится ни одна экспертиза трубопроводов и металлоконструкций, получивших повреждения в результате аварий и катастроф.

Этапы и методы исследований

1. Подготовка металлографических шлифов — тонких полированных металлических пластинок.
2. Различные виды травлений и иные виды обработки шлифов.
3. Изучение структуры образца под микроскопом.
4. Анализ полученных изображений и описание результатов.

Выбор того или иного метода металлографического анализа зависит от физико-химических характеристик исследуемого материала, среди которых одними из самых значимых являются размеры и контрастность его зерен.

Подготовка образцов

После такой обработки отдельные структурные элементы металлографического образца хорошо видны даже невооруженным глазом, а другие становятся хорошо различимыми под оптическим микроскопом. Кристаллическая структура некоторых металлов не требует дополнительной химической обработки, т. к. хорошо проявляется в поляризованном свете. Для других материалов в металлографии обычно применяют химическое или электролитическое травление, которое делает более отчетливой структурную компоновку металлографического шлифа.

Оборудование

Размер зерен металлических материалов лежит в диапазоне от 1 до 1000 мкм. Поэтому при металлографических исследованиях применяют различные типы оборудования, обладающего соответствующей разрешающей способностью:

• световые оптические микроскопы с различными типами подсветки;
• просвечивающие электронные микроскопы;
• сканирующие электронные микроскопы;
• установки рентгеновской дифракции.

В случае невозможности получения надлежащих результатов с помощью оптического оборудования в металлографии применяют электронные микроскопы. К таким исследованиям прибегают гораздо реже, так как этот вид металлографического анализа значительно дороже и занимает больше времени. Кроме того, эти устройства имеют ряд технических ограничений.

У используемых в металлографии сканирующих электронных микроскопов при увеличениях менее, чем 500х, четкость изображений становится ниже, чем у световых. А просвечивающие, как правило, не предназначены для использования на увеличениях менее 2000х. Установки рентгеновской дифракции применяются в металлографии реже, т. к. являются узкоспециализированными и больше предназначены для определения доли различных фракций, имеющих разные кристаллические структуры.

Определение количественных показателей

Сфера применения

Металлографический контроль является обязательным для тех видов оборудования, где металл подвергается воздействию высоких температур, критического давления и агрессивных сред. Сюда относятся установки, аппараты, трубопроводы и емкости в энергетике, нефтегазовой отрасли, химической и атомной промышленности. Существует не менее десятка ГОСТ, устанавливающих нормативные характеристики и порядок применения металлографии, и еще большее количество отраслевых инструкций, методик и регламентов. К примеру, металлографические способы оценки зернистости стали паропроводов высокого давления на электростанциях (t до 600 ºC, P до 200 атмосфер) регламентируется ГОСТ-5639. А в случае их аварийного выхода из строя отраслевой нормативный документ предписывает обязательное проведение металлографического контроля.

А приходилось ли кому-нибудь из вас сталкиваться с проверкой сварных швов металлографией? В каких случаях это применяется и как металлографические исследования соотносятся с дефектоскопией? Напишите, пожалуйста, о своем опыте в комментарии к этой статье.

Источник