Металлография

Металлография – направление металловедения, метод исследования и контроля металлических материалов, подготовка и изучение строения макро- и микроструктуры металлов.

Стали – многокомпонентные сплавы на основе железа и углерода.

Железо и углерод – полиморфные химические элементы, которые способны изменять тип элементарной кристаллической ячейки под действием температуры и давления. Содержание углерода в таких сталях не превышает 2,14 %. Сплавы, содержащие большее количество углерода называются чугунами. Сталь, в которой присутствуют легирующие элементы (усложняющие ее химический состав), называется легированной.

Для оценки качества сталей, закономерностей процессов разрушения необходимо знать их структурное состояние и его влияние на свойства.

Под структурой понимают строение, форму, размеры и характер расположения соответствующих фаз.

Фазы являются структурными составляющими, имеющими однородное (гомогенное) кристаллическое строение и агрегатное состояние, отделенные от других составных частей поверхностями (границами) раздела.

В сплавах железа и углерода различают следующие типы фаз (компонентов):

В твердых растворах основной компонент (растворитель) сохраняет свой тип кристаллической решетки, а атомы растворенного компонента замещают часть атомов в этой решетке или распологаются между ними. На диаграмме состояния железо-углерод им соответствуют области обозначенные буквой Ф. Твердые растворы: аустенит, феррит. Твердый раствор может быть фазой и структурой. Растворимость углерода в α-феррите 0,02-0,03 %

Кристаллическая решетка химических соединений отличается от кристаллических решеток составляющих его компонентов и образуется при определенном соотношении химических элементов, т. е. имеет химическую формулу. Например Fe₃C (цементит) – это однофазный сплав на основе железа, содержащий 6,67 % углерода.

Химическое соединение может быть фазой и структурой.

Механическая смесь фаз, которые не растворяются друг в друге, каждая сохраняет свой тип кристаллической решетки. Содержание углерода в сплавах с такой структурой 0,02-6,67%.

При проведении металлографии элементов оборудования, эксплуатирующийся длительное время под воздействием повышенных давления и температуры следует обращать внимание на различные параметры микроструктуры. Ниже будут приведены основные характеристики и их изменения, которые необходимо оценивать при оценке возможности дальнейшей эксплуатации оборудования.

Величина зерна стали не оказывает существенного влияния на стандартный комплекс механических свойств, получаемых при испытании на статическое растяжение и твердость

Чем крупнее зерно, тем ниже ударная вязкость, работа распространения трещины и выше порог хладноломкости. При высокой температуре крупнозернистая сталь лучше сопротивляется ползучести и имеет более высокий предел длительной прочности.

Одним из наиболее опасных структурных изменений является ползучесть стали – способность к деформации под действием постоянного механического напряжения. Ползучесть проявляется в следствие микроповрежденности стали в виде межзеренных пор со средним размером 0,3-1,5 мкм. Количество пор увеличивается (см. а), превращается в цепочки (см. б) , затем в микротрещины (см. в). Данные повреждения не могут быть выявлены визуальным контролем, УЗК или МПД. Следующей стадией развития ползучести являются макротрещины (см. г), что в дальнейшем может привести к разрушению элементов оборудования.

Под длительным воздействием повышенной температуры в углеродистой и низколегированной сталях особенно вблизи сварных швов углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии в форме графита – графитизация стали. Наличие зерен графита в стали с практически нулевой механической прочностью равносильно появлению в стали раковин или пустот, ослабляющих металл и приводящих к ускорению ползучести.

Так же при эксплуатации может происходить сфероидизация пластинок цементита, входящего в состав перлита: при этом пластинчатый перлит превращается в зернистый, в результате чего значительно уменьшаются твёрдость и прочность, но повышается пластичность металла.

К зонам повышенного внимания оборудования, работающего при высоких температурах можно отнести:

- Трубопроводы: сварные соединения, гибы (растянутая часть и зона выхода на прямую), тройниковые соединения;

- Сосуды: сварные соединения и основной металл корпуса;

- Котлы: межштуцерное пространство коллекторов, основной металл барабанов, сварные соединения коллекторов и барабанов.

Микроструктурный анализ проводится при изучении поверхности образцов по средствам светового металлографического микроскопа. Образцом для исследования может быть скол (спил) с поверхности объекта либо реплика. Толщина стенки элемента в месте отбора скола должна быть не менее 7мм. Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.

Для того, чтобы провести анализ микроструктуры металла без повреждения объекта контроля изготавливают реплики поверхности. Основа для реплики накладывается на полностью подготовленный и протравленный шлиф на объекте контроля. Для реплик используются размягченные соответствующими растворителями твердеющие пластичные материалы или твердеющие жидкие растворы полимеров. Полученный «отпечаток» изучают так же как шлиф при помощи микроскопа на увеличениях х100, х500, х1000.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:

Твердометрия

Визуальный и измерительный контроль

Ультразвуковой контроль