Е. А. Богданов Основы технической
Контроль состава и структуры
жүктеу/скачать 6.94 Mb.
|
| 11.4. Контроль состава и структуры конструкционных материалов
Определение состава металла осуществляют с помощью ряда методов, основанных на различных явлениях: химических (весового и объемного), физико-химических (колориметрия, фотоколориметрия, электроанализ, потенциометрия, полярография и др.) и физических (спектральный, рентгенофлюоресцентный, рентгеновский). Наиболее традиционными, но отличающимися высокой трудоемкостью, являются методы химического анализа. Они регламентированы действующими стандартами: для углеродистых сталей и нелегированного чугуна - ГОСТ 22536(1 -14)-90; для легированных сталей - ГОСТ 12344-12355. Для химического анализа используют образцы, вырезанные для механических испытаний, или стружку в количестве 30...50 г, полученную засверловкой стенки конструкции. Современные методы определения марок сталей и их идентификация основываются на результатах спектрального анализа, отличающегося универсальностью, высокой производительностью и малой стоимостью. Различают абсорбционный и эмиссионный спектральные анализы. Абсорбционный спектральный анализ осуществляют по спектрам поглощения электромагнитного излучения, поглощаемого анализируемым объектом. Для целей технической диагностики применяют эмиссионный анализ. Источником излучения при этом является дуга постоянного тока, зажигаемая между исследуемым Рис. 11.2. Экспресс-анализ с помощью рентгено-флюоресцентного спектрометра NITON XLt80 образцом и электродом. В современных передвижных приборах получаемый спектр не только анализируется, но и записывается и хранится в памяти встроенного микропроцессора, а также производится идентификация марок стали и содержания в ней различных элементов. Химический и спектральный анализы стали проводят после зачистки металла (пробы) до металлического блеска в целях исключения искажения результатов анализа состава металла. В последнее время для определения состава и идентификации сплавов находит применение метод рентгеновской флуоресцентной спектроскопии. Метод основан на взаимодействии испускаемого рентгеновского излучения с веществом, в результате чего в последнем возникает возбуждение и эмиссия характерных для каждого элемента вторичных рентгеновских лучей. Интенсивность вторичного излучения и его спектральное распределение пропорциональны элементному содержанию вещества. С помощью этого метода возможен анализ порошковых, твердых и жидких проб металла всех элементов атомных номеров от 9 (фтора) до 92 (урана). На рис. 11.2 приведен один из наиболее портативных рентгено-флюоресцентных спектрометров NITON Lt80. Спектрометр предназначен для экспресс-анализа 22 элементов от Тi (22) до Вi (83). Источником излучения служит миниатюрная рентгеновская трубка; источником питания — сменная литиевая аккумуляторная батарея. Химический состав материалов в значительной мере определяет как их механические показатели, так и технологические свойства. Одним из важнейших технологических свойств конструкционных сталей является их свариваемость. Это свойство в значительной мере определяет качество изготовления и ремонта сварных металлоконструкций и наличие дефектов в их сварных соединениях. Свариваемость сталей оценивается величиной так называемого углеродного эквивалента Сэкв, допустимый диапазон которого указывается в нормативной документации на конкретное оборудование. Так, для основных несущих элементов вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов по ПБ 03-605-03 углеродный эквивалент стали с пределом текучести 390 МПа и ниже для основных элементов конструкций не должен превышать 0,43. Расчет углеродного коэффициента производится по формуле В любой стали вредные примеси (сера, фосфор и газовые примеси) строго ограничиваются. Фосфор, растворяясь в феррите, снижает пластичность и ударную вязкость стали при низких температурах, т. е. увеличивает склонность стали к хладноломкости. Сера в железе не растворяется, и любое ее количество образует сульфид железа Ре5, который соединяется с железом в легкоплавкую смесь - эвтектику Ре5+Ре. При охлаждении стали эвтектика затвердевает последней и, в конечном итоге, располагается по границам зерен стали в виде легкоплавкой составляющей. При дальнейшей обработке стали, связанной с нагревом, особенно до температур красного каления 1100...1200 °С (например, при ковке или прокатке), эвтектика плавится и образует в стали надрывы и трещины. Сталь при этом становится хрупкой, т.е. вместо деформации происходит ее разрушение. Это явление носит название красноломкости. Кислород, азот и водород даже в очень малых количествах охрупчивают сталь, поэтому допускаются только следы этих элементов. Атомы азота на границах зерен феррита образуют прослойки хрупких нитридов. Водород диффундирует в сталь в атомарном состоянии и скапливается по границам пор и неметаллических включений. Увеличиваясь в объеме при воссоединении в молекулы, водород повышает давление и создает напряженное состояние на этих участках, что может вызвать образование в них микротрещин (флокенов) и газовых раковин. Основным методом изучения структуры является металлография. Микроструктуру металла контролируют при увеличении в 30...1500 раз с помощью оптических микроскопов на специально подготовленных образцах-шлифах (полированных и протравленных). Метод основан на различии в травимости бездефектного металла и участков с наличием пор, ликвации, неоднородности структуры и других дефектов. Строение металла, наблюдаемое при увеличении в 3000...100 000 раз с помощью электронных микроскопов, называют субструктурой. При проведении технической диагностики действующего оборудования металлографические исследования могут выполняться в полевых условиях. Шлифы при этом делают без вырезки образцов непосредственно на исследуемой поверхности, а строение металла изучают с помощью переносных металлографических микроскопов (рис. 11.3). Исследование микроструктуры позволяет установить фазовый состав, величину зерна и степень повреждения межзеренных границ, наличие и размеры неметаллических включений, степень сфероидизации графита и перлита, характер и глубину термической обработки, наличие межкристаллитной коррозии, наличие повреждений типа водородной коррозии и т.д. Исследование субструктуры (тонкий структурный анализ) на электронных микроскопах дополнительно позволяет выявить дефекты кристаллической решетки, наличие и скопление дислокаций, вакансий, состояние границ кристаллических блоков различных структур Применение современных цифровых технологий позволяет существенно снизить трудоемкость металлографических исследований и повысить объективность количественных оценок. Регистрация изображения структуры в металлографических микроскопах при этом осуществляется с помощью цифровых фото- или видеокамер. Далее изображение вводится в компьютер, где обрабатывается с помощью специальной программы-анализатора. Существует ряд версий таких программ, как отечественных, так и зарубежных. В инженерном центре Архангельского государственного технического университета применяется отечественная программа-анализатор Огат Апа1угег РКО 2.9, разработанная НИИИН МНПО «Спектр». Программа позволяет решать основные стандартные металлографические задачи и, выполняя фазовый, морфологический и гранулометрический анализы структуры, получать соответствующие объективные количественные оценки с минимальными трудозатратами. жүктеу/скачать 6.94 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|