Основными элементами микроструктуры металла, контролируе-мыми металлографическим способом, являются перлит и его более дисперсные разновидности (сорбит, троостит), феррит, избыточный цементит, мартенсит и продукты его распада при отпуске, аустенит и дельта-феррит в специальных сталях, карбидная составляющая в заэвтектоидных сталях и чугунах, графит, структуры химико-терми-ческих обработок, неметаллические фазы (сульфиды, оксиды, нитриды и т. д.), интерметаллиды, различные эвтектоидные и перитектоидные структуры и продукты их распада, продукты дисперсионного твердения в железных, никелевых и цветных сплавах, разно-образные структурные составляющие сплавов, однофазные структу-ры отдельных сплавов и др.

Контроль микроструктуры.

Основные реактивы для травления микрошлифов стали: раствор азотной кислоты (4 см 3 , плотность 1,405) в этиловом спирте (100 г); раствор пикриновой кислоты (4 г) в этиловом спирте; для двухфазных сталей — раствор пикри-новой (0,4 г) и соляной (5 мл, плотность 1,19) кислот в спирте (55 мл). Оценку микроструктуры выполняют просмотром травленых микрошлифов на оптических микроскопах и сравнением с эталон-ными изображениями. Например, по , по степени дисперсности зернистый и пластинчатый перлит, мартенсит, нитри-ды подразделяют на 10, а по характеру карбидной неоднородности и карбидной сетки — на 6 баллов. Смешанные структуры, состоя-щие из перлита и феррита мартенсита и троостита, зернистого и пла-стинчатого перлита, также оценивают сравнением с эталонами десятибальных шкал. Выбор увеличения микроскопа зависит от контролируемой микроструктуры: Х500 — для обычного перлита и Х1000 — при определении дисперсности пластинчатого и зернистого перлита и размеров игл мартенсита; Х500 — при опре-делении карбидной сетки и X 100 — при определении карбидной не-однородности.

Оценку микроструктуры инструментальных углеродистых сталей (ГОСТ 1435—74) проводят по 10-балльной шкале. Недопустимые для отправки металла баллы — 1 (структура неотожженного метал-ла) и 10 (грубопластинчатый перлит, полученный при перегреве в процессе отжига). Кроме того, для стали марок У10 (А) — У13 (А) не допускается структура, соответствующая эталонам 2 и 9. Микро-структура по эталонам 3—8 (зернистый перлит с небольшим коли-чеством пластинчатого) считается допустимой для всех марок ста-ли. Прутки толщиной до 60 мм контролируют на поперечных шли-фах при увеличении Х500. Шлака для оценки микроструктуры ин-струментальных легированных сталей (ГОСТ 5950—73) состоит из 10 микрофотографий; первые пять баллов — структура зернистого перлита с размерами зерен цементита до 10 мкм; далее — с посто-янным возрастанием количества пластинчатопг перлита до 100% в эталоне № 10. Допустимыми для прутков размерами до 60 мм являются баллы 1—6.

Большой объем контроля микроструктуры осуществляют в шарико- и роликоподшипниковой стали (ГОСТ 801—78). Структура перлита представлена десятью эталонами, из которых первые пять иллюстрируют равномерно распределенный мелкозернистый перлит, баллы 6 и 7 — крупнозернистый перлит с присутствием пластинча-того перлита, баллы 8—10 — грубопластинчатый перлит. Для стали ШХ15 допустимыми считаются эталоны с 1-го по 4-й, для стали ШX15C— с 1-го по 5-й. Оценка структурной полосчатости прово-дится на продольных микрошлифах толщиной 10—12 мм. Образцы отожженной стали закаливаются (845±5 °С, масло), отпускаются (150—160 °С, 1 ч) и травятся (15—20 с) в свежеприготовленном 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Используют пятибалльную шлаку, построенную по принципу увеличения шири-ны структурных полос. В подшипниковых сталях проверяют также карбидную ликвацию. Образцы, отобранные для контроля структур-ной полосчатости, травят до сильного потемнения поверхности шли-фа и при увеличении X (90—110) сравнивают с фотоэталонами четырехбалльной шкалы по протяженности и размерам карбидов.

Контроль микроструктуры листов и ленты из углеродистой и малоуглеродистой стали регламентирован ГОСТ 5640—68. Оцени-вают структурно-свободный цементит, перлит, полосчатость и видманштеттовую структуру. Микрошлифы размером 30X40 мм выре-зают так, чтобы их плоскость совпадала с направлением волокон (продольные образцы). Оценку структурно-свободного цементита и перлита в малоуглеродистых сталях осуществляют при увеличении X (360—400), полосчатости и видманштеттовой структуры — при увеличении Х100. Шкала для оценки структурно-свободного цемен-тита в отожженной малоуглеродистой стали (углерода до 0,15%) построена в зависимости от количества, формы и расположения цементитных частиц и состоит из трех рядов и шести баллов; для оценки количества и характера расположения перлита в малоугле-родистой (углерода 0,10—0,30%) деформированной стали — два ряда и шесть баллов. Полосчатость структуры контролируется по ликвационной зоне из скоплений перлита или феррита. Шкала для оценки видманштеттовой структуры (два ряда, шесть баллов) в перлитных сталях построена по принципу возрастания количества и размеров игольчатых выделений феррита и величины зерна, опре-деляемой по ферритной сетке.

По ГОСТ 801—78, ГОСТ 5950—73, ГОСТ 1435—74 и ряду ТУ предусмотрен контроль карбидной сетки. Продольные образцы для контроля шарикоподшипниковой стали вырезают из центра заго-товки и закаливают, микрошлифы травят в 4%-ном растворе азот-ной кислоты в этиловом спирте, при увеличении Х500 их сопостав-ляют с пятибалльной шкалой. Образцы инструментальной легиро-ванной стали (ГОСТ 5950—73) вырезают на расстоянии не менее 20 мм от торца прутка (вдоль или поперек волокна) и закаливают с температуры, предусмотренной для данной марки стали. Травле-ные микрошлифы сопоставляются с шестибалльной шкалой. Шкала для оценки карбидной сетки в заэвтектоидных углеродистых инструметальных сталях (ГОСТ 1435—74) состоит из пяти фотоэталонов.

Контроль карбидной неоднородности (карбидной ликвации) ведут в быстрорежущих (ГОСТ 19265—73) и некоторых инструмен-тальных легированных (ГОСТ 5950—73) марках стали. По ГОСТ 19265—73 вырезают продольные образцы толщиной 10 — 12 мм на расстоянии не менее 30 мм от зоны смятия конца. Образ-цы подвергают закалке по режиму, установленному для каждой стали, и отпуску при 680—700 °С (1ч).

Микрошлифы травят в 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. В зависимости от формы поперечного сечения ста-ли карбидную неоднородность контролируют в круге на середине радиуса, в квадрате — на расстоянии 0,25 стороны квадрата, поло-су — на расстоянии 0,25 толщины от середины широкой стороны. При увеличении х (90—110) их сравнивают с двумя восьмибалль-ными фотоэталонами прилагаемых шкал. Балл карбидной неодно-родности каждого шлифа устанавливается как среднеарифметиче-ское из оценок пяти "худших полей зрения. Высоковольфрамовые стали оценивают по шкале 1, стали с низким вольфрамом и вольфрамомолибденовые — по шкале 2.

Карбидную неоднородность по ГОСТ 5950—73 контролируют на образцах как в состоянии поставки (после отжига), так и после закалки с отпуском по шкалам этого стандарта. По требованию по-требителей сталь марок 11ХФ, 13Х, 9X1, X, 12X1, 9ХС, В2Ф, ХГС, 9ХВГ, ХВГ, оценивают по шкале 6А ().

При контроле карбидной неоднородности на отожженных образ-цах применяется электролитическое травление в 10%-ном водном растворе щавелевой кислоты в режиме: плотность тока 40 А/дм 2 , время травления 30—40 с. Оценку проводят по наихудшему месту шлифа. Для стали размером до 25 мм просматривают всю плос-кость шлифа, для стали больших размеров — поле шлифа на поло-вине радиуса ±0,5 мм. Оценку осуществляют при увеличении х100.

Методы контроля ферритной составляющей (альфа-фазы) в аустенитных нержавеющих сталях установлены ГОСТ 11878—66. Образцы для металлографического контроля вырезают вдоль волок-на прутков. Микрошлифы подвергают электролитическому (в 10%-ном водном растворе щавелевой кислоты при комнатной температу-ре и плотности тока 0,03—0,08 А/см 2 в течение 20—40 с) или хими-ческому (реактив состава: по 20 мл воды и концентрированной соляной кислоты и 4 г медного купороса, при комнатной температу-ре, 8—10 с) травлению. Содержание альфа-фазы оценивают при увеличении X (280—320) по месту с наибольшим ее содержанием сравнением с двумя рядами фотоэталонов пятибалльной шкалы.

Контроль неметаллических включений (НВ).

Применяют сле-дующие металлографические методы оценки загрязненности сталей и сплавов неметаллическими включениями (ГОСТ 1778—70):

метод Ш (варианты Ш 1— Ш 4) — сравнение с эталонными шкала-ми, применяют для оценки деформированного металла;

метод К (варианты Kl—К2) — подсчет количества включений, применяют для деформированного и литого металла;

метод П (варианты П1 — П4) — подсчет количества и объемного процента включений, исполь-зуют для деформированного и литого металла;

метод Л (варианты Л1—Л2) —линейный подсчет включений для литья. Испытывают не менее шести образцов каждой плавки.

Оценку НВ деформиро-ванного металла методом Ш выполняют сравнением с эталонными шкалами при просмотре всей площади нетравленых шлифов с про-дольным направлением волокон, в зависимости от варианта оценки увеличение — х (90—110) или х (170—210).

Пятибалльная шкала классифицирует следующие виды НВ:

ок-сиды строчечные (ОС), оксиды точечные (ОТ), силикаты хрупкие (СХ), силикаты пластичные (СП), силикаты недеформирующиеся (СН), сульфиды (С), нитриды и карбонитриды строчечные (НС), нитриды и карбонитриды точечные (НТ) и нитриды алюми-ния (НА).

Если включения по форме и размерам не могут быть оценены одним из двух соседних баллов, допускается оценка в 0,5; 1,5; 2,5 и т. д. балла. Включения выше балла 5 оценивают знаком «Более» (>5). Оценку «нуль» ставят при отсутствии какого-либо вида включений, а также в том случае, когда включения более чем в два раза меньше по сравнению с баллом 1. Если в одном поле зрения встречается несколько видов включений, оценку делают по каждому виду включений в отдельности: Исключение составляют случаи, ког-да в одном поле зрения встречаются строчечные включения окси-дов, хрупких и пластичных силикатов и нитридов и точечные вклю-чения оксидов и нитридов. В обоих случаях оценку осуществляют совокупно, а результаты записывают по преобладающему виду включений.

В методе Ш предусмотрены два критерия оценки шлифа: по наиболее загрязненному месту шлифа (максимальный балл) и по количеству полей зрения с баллом 2 и более по каждому виду вклю-чений. Загрязненность плавки оценивается по четырем критериям: средний балл, подсчитанный как среднее арифметическое макси-мальных оценок каждого образца для каждого вида включений; средний и максимальный баллы и количество образцов с баллом выше максимального в процентах общего количества образцов; средний и максимальный баллы и количество образцов с макси-мальным баллом; количество полей зрения с баллом 2 и. более (раздельно по кислородным, сульфидным и нитридным включениям, отнесенным к площади 10 см 2).

При контроле загрязненности стали НВ методом К подсчитывают количество включений при увеличении х (170—180) на всей площа-ди шлифа с использованием окулярной шкалы с ценой деления 0,007±0,0005 мм. Применяют шлифы с продольным направлением волокна. Количество кислородных, сульфидных и нитридных вклю-чений определяется отдельно по пяти группам, число их может быть увеличено в зависимости от максимальных размеров включений. При контроле НВ таким методом существуют два критерия оценки загрязненности шлифа и плавки в зависимости от варианта: вари-ант К1 — критерием загрязненности шлифа является количество включений 1 — 5-й групп, плавки — количество включений каждой группы по площади 24 см 2 ; вариант К2 — за критерий загрязненно-сти шлифа принимается количество включений 2 — 5-й групп, плавки — количество включений каждой группы на площади 24 см 2 .

По методу П деформированный металл оценивают на шлифах поперек направления волокон, не допускается применение продоль-ных шлифов. Размер включений определяют с помощью окулярной шкалы и распределяют в зависимости от их площади по 13 группам (от 0,18 до 1444 делений окулярной шкалы в квадрате). Увеличение микроскопа устанавливается х300 (вариант П1), х400 (П2), х500 (ПЗ) и х 600 (П4). Критерием оценки загрязненности шли-фа является величина объемного процента и количество включений определенного размера, плавки — среднее арифметическое значение объемного процента каждого шлифа и количество включений опре-деленных групп на площади 100 мм 2 . Перед просмотром шлиф рас-черчивают от края до центра на пять равных зон. Набор полей зре-ния выполняют в зависимости от увеличения микроскопа. Для подсчета площади, занятой включениями на шлифе, количество включений каждой группы умножают на среднее значение площади включений данной группы и полученные произведения по всем группам суммируют. Содержание НВ в объемных процентах для плавки подсчитывают как среднее арифметическое определений всех образцов.

Методы выявления и определения величины зерна в стали.

Металлографическими методами (ГОСТ 5639—82) могут быть уста-новлены: склонность зерна к росту путем измерения его величины после нагрева при определенных температурно-временных условиях; кинетика роста зерна путем определения его величины в зависимо-сти от температуры нагрева и времени выдержки; величина факти-ческого (действительного) зерна при фиксированном состоянии металлопродукции.

Зерно аустенита при определении склонности к росту выявляется одним из следующих методов: цементацией, окислением, травлением границ зерен, по ферритной или цементитной сетке, по сетке троостита. Метод выявления зерна подбирают в зависимости от хими-ческого состава стали, цели испытания и в соответствии с НТД. По методам цементации и окисления зерно выявляют после травления шлифов по цементитной сетке и сетке окислов. Метод травления границ зерен аустенита применяют для углеродистых и легирован-ных сталей, закаливающихся на мартенсит или игольчатый троостит (бейнит), а также для сталей, в которых затруднено получение фер-ритной или цементитной сетки. В этом случае для выявления зерна шлиф травят в реактивах с добавлением алкилсульфонатных соеди-нений, которые содержатся в моющих средствах «Астра», «Но-вость», «Синтол» и др.

1)для сталей аустенитного класса, сплавов на никелевой и железоникелевой основе применяется химическое травление в реак-тиве Марбле (20 г медного купороса, 100 см 3 соляной кислоты, 100 см 3 этилового спирта);

2)для сталей аустенитного и мартенситного классов и сплавов на никелевой основе — электролитическое травление в течение 1 — 10 мин при напряжении на зажимах ванны 2—10 В в 1%-ном раст-воре щавелевой кислоты;

3)для сталей аустенитного и мартенсито-аустенитного клас-сов — химическое травление (смачивание поверхности шлифа ват-ным тампоном) в реактиве, состоящем из 50 см 3 соляной и 25 см 3 серной кислот, 10 г медного купороса и 50 см 3 воды;

4)для сталей аустенитного и мартенситного классов — электро-литическое травление в растворе, содержащем 75% азотной и 25% уксусной кислот при плотности тока 2 А/см 2 ;

5)для сталей мартенситного и мартенсито-ферритного клас-сов— химическое травление в течение 10—30 мин при нагреве до 70 °С в насыщенном водном растворе пикриновой кислоты с добав-лением 3—4% моющего средства («Синтол», «Экстра»);

6)для сталей ферритного класса химическое травление в 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте или в 4—5%-ном растворе пикриновой кислоты в этиловом спирте или в 2%-ных азотной и пикриновой кислотах в этиловом спирте (режимы травле-ния подбираются экспериментально);

7)для сталей мартенситного класса — химическое травление в течение 15—60 с в 15%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте или электролитическое травление с плотностью тока 0,4— 0,8 А/см 2 (для образцов, закаленных в масле, 1,5 А/см 2), время травления — 1 мин при комнатной температуре в 10%-ном водном растворе щавелевой кислоты.

Величину зерна определяют с помощью оптического микроскопа одним из следующих методов: визуальным сравнением зерен с эта-лонными изображениями шкал; подсчетом количества зерен, прихо-дящихся на единицу поверхности шлифа; измерением среднего условного диаметра зерен или количества зерен в 1 мм 3 . При методе сравнения используют увеличение х100; просматривают всю пло-щадь шлифа. Если встречают зерна двух или более номеров, то величину зерна этой стали обозначают двумя или более номерами. Величину равноосных зерен методом подсчета количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа, определяют на мато-вом стекле камеры микроскопа или на микрофотографиях, где огра-ничивают поле зрения окружностью диаметром 79,8 мм (соответ-ствует площади на шлифе 0,5 мм 2). Увеличение подбирают так, что-бы на исследуемой поверхности насчитывалось не менее 50 зерен.

Величину равноосных зерен методом измерения среднего услов-ного диаметра зерен или их количества в 1 мм определяют на мато-вом стекле или микрофотографии, где проводят несколько прямых линий произвольной длины в любом направлении. Длину линий выбирают с таким расчетом, чтобы каждая из них пересекала не менее 10 зерен, при этом увеличение подбирают так, чтобы на ис-следуемой поверхности было не менее 50 зерен. Подсчитывают точки пересечения прямых линий с границами зерен, после чего опреде-ляют суммарную длину отрезков в миллиметрах натуральной вели-чины на шлифе и суммарное число пересеченных зерен. Частное от деления первой суммы на вторую дает значение среднего условного диаметра зерна. В случае измерения величины зерен неравноосной формы на микрофотографиях с продольных шлифов проводят пря-мые линии по трем направлениям, соответствующим осям симмет-рии, из которых два должны быть взаимно перпендикулярными. Одна из прямых должна быть направлена параллельно оси вытяну-тых зерен. Количество зерен в 1 мм 3 определяют по известной фор-муле.

Контроль глубины обезуглероженного слоя.

Обезуглероженный слой металлографическими методами определяют в поверхностных или других слоях деформированной конструкционной и инструмен-тальной (углеродистые и легированные марки), быстрорежущей, рессорно-пружинной, шарикоподшипниковой сталей, содержащих не менее 0,3% углерода; в отдельных случаях проводят и на сталях с содержанием углерода менее 0,3%. В практике ЦЗЛ основным методом контроля является металлографический (различают три разновидности: М, Mlи М2). Распространены физические и хими-ческие методы. К физическим относятся замер термоэлектродвижу-щей силы (т. э. д. с.)» который применяют, главным образом, для шлифованной стали и стали серебрянки; изучение тетрагональности мартенсита рентгеноструктурным методом. К химическим — по-слойный анализ содержания углерода, определение углерода на вакуумных квантометрах и твердостные методы.

Металлографические методы предусматривают определение глубины обезуглероженного слоя по структуре. По методу М глуби-на слоя определяется на поперечных травленых шлифах в состоя-нии поставки; методом Ml(метод карбидной сетки) — на попереч-ных травленых шлифах, изготовленных из образцов, подвергнутых специальной термообработке и окрашивающему травлению; мето-дом М2 — на поперечных травленых шлифах, изготовленных на об-разцах, подвергнутых специальной термообработке. Отбирают образ-цы от прутков, труб, листов, лент и полос. Травление шлифа, за исключением метода Ml, осуществляют в 2—4%-ном растворах азотной или пикриновой кислот в этиловом спирте. Оно гарантирует четкое выявление структурных составляющих.

Различают зоны полного и частичного обезуглероживания. Об-щая глубина обезуглероживания включает обе зоны. Глубину определяют в миллиметрах или процентах по отношению к общей толщине проката или полуфабриката. Определение проводится при увеличении X(63—150), допускается увеличение х(200—500).

Контроль методом т. э. д. с. проводят на специальной установке. Металлический стержень, температуру которого с помощью нагре-вательного элемента поддерживают в интервале 150—160 °С, одним концом ставят на контролируемый образец. Измерительный прибор, соединенный со вторым концом стержня и образцом, регистрирует возникающую при этом т. э. д. с. Работу установки проверяют по эталонам, на которых заранее металлографическим методом опре-делено наличие или отсутствие обезуглероживания и установлена разница в показаниях прибора. Перед испытанием на образце гото-вится «лыска», обеспечивающая полное удаление обезуглерожен-ного слоя; проводят 5—10 замеров т. э. д. с. на поверхности образ-ца и 3—5 замеров вдоль по «лыске». Если разница в показаниях прибора на «лыске» и на поверхности не превышает установленной по эталонам величины, образец считают необезуглероженным. Контроль обезуглероживания методом замера твердости произво-дится для закаленных образцов на приборе Роквелла (ГОСТ 9013—59).

Шкала № 2 Видманштеттовая структура (игольчатость феррита) для стали с содержанием углерода до 0,10%. - Отдельное издание.

Шкала № 3 Микроструктуры металла труб из сталей марок 12Х1МФ,

12ХШФ-ПВ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР
1 Микроструктура металла труб из сталей 12Х1МФ, 12Х1МФ-ПВ Сдаточные микроструктуры:

1 балл - микроструктура содержит от 100 до 30% ощущенного бейнига и перлита плюс феррит ;

3 балл - микроструктура содержит от 30 до 20% отпущенного бейнита и перлита плюс феррит;

4-5 балл - микроструктура содержит от 20 до 15% отпущенного бейнита и перлита плюс феррит.

Браковочные микроструктуры:

6 балл - микроструктура содержит от 15 до 5% отпущенного бейнита и перлита плюс феррит;

7 балл - мифоструктурасодержит от 5 до 0% отпущенного бейнита и перлита плюс феррит;

2 Микроструктуры металла труб из стали 15Х1М1Ф Сдаточные микроструктуры:

1 балл - микроструктура содержит не менее 100% отпущенного бейнита ;

2 балла - микроструктура содержит не менее 80% отпущенного бейнита;

3 балл - микроструктура содержит не менее 60% отпущенного бейнита;

4 балл - микроструктура содержит не менее 40% отпущенного бейнита;

5 балл - микроструктура содержит не менее 20% отпущенного бейнита.

Браковочные микроструктуры:

6 балла - феррито-перлитная микроструктура;

7-9 баллы - микроструктуры перегрева при отпуске свыше Ас и

10 балл - микроструктура содержит 100% отпущенного мартенсита с бейнитом.

3 Микроструктуры металла труб из стал 12Х2МФСР Сдаточные микроструктуры:

1 балл - микроструктура содержит от 100 до 90% отпущенного бейнита плюс феррит ;

2 балл - микроструктура содержит от 90 до 70% отпущенного бейнита плюс феррит;

3 балл - микроструктура содержит от 70 до 50% отпущенного бейнита плюс феррит;

4 балл - микроструктура содержит от 50 до 30% отпущенного бейнита плюс феррит;

5 балл - микроструктура содержит от 30 до 15% отпущенного бейнита плюс феррит.

Браковочные микроструктуры:

6 балл - микроструктура содержит от 15 до 5% отпущенного бейнита плюс феррит;

7 балл - микроструктура содержит от 5 до 0% отпущенного бейнита плюс феррит;

8 балл - микроструктура перегрева при отпуске выше Ас1

Шкала № 2

Для стали с содержанием углерода до 0,15% х 100

Шкала № 2 (продолжение)

Видманштеттовая структура (игольчатость феррита)

Проблемы и решения структурной неоднородности (полосчатость), ее причины появления

На практике стали в отличие от идеальных - неоднородны и несовершенны как по составу, так и по своему строению: макро-, микро- и тонкой структуре. Величина, характер и степень равномерности распределения этих несовершенств и определяет свойства реальных сплавов, их поведение в процессах обработки, их прочность и работоспособность в конкретных условиях службы деталей. Схематично неоднородность состава и несовершенства строения кристаллов и кристаллитов можно разделить на два вида: биографические и обработки.

Биографические несовершенства, прежде всего, связаны с исходным составом сплава и условиями его кристаллизации. Наиболее ярким примером такого несовершенства в реальных сталях является зональная и особенно дендритная ликвация, под которой понимается химическая неоднородность сплава в пределах одного кристалла (кристаллита). Большинство элементов в стали, включая углерод, ликвируют от оси дендрита к междуосным пространствам. Совместная ликвация элементов-примесей может и усиливать и ослаблять степень дендритной химической неоднородности легированных сталей.

Для потребителя стали важна не столько сама междендритная неоднородность стали, а связанная с ней полосчатость структуры, строчечное расположение отдельных ее составляющих (неметаллических включений, карбидов), анизотропность механических свойств деформированной стали. Степень анизотропности оценивают по величине отношения значения того или иного свойства (ув, ут, д, ш, ан), определенного при испытании образцов, вырезанных в направлении прокатки, к тем же характеристикам, определенным на образцах, вырезанных поперек направления течения металла.

Чем сильнее загрязнена сталь неметаллическими включениями (особенно нитевидной формы), чем больше в ней содержится карбидов, нитридов и других труднорастворимых соединений, тем ниже оказываются механические свойства стали в поперечном направлении.

Несовершенства обработки также могут влиять на развитие полосчатости в стали. Несовершенства обработки могут быть связаны с:

Процессами нагрева - аустенизации, гомогенизации и т.д.;

С условиями охлаждения;

С процессами стабилизации сплава (отпуском, старением, коагуляцией карбидной фазы);

Со специально создаваемой химической или физической неоднородностью

Высокотемпературный нагрев - гомогенизация - в известной мере устраняет химическую неоднородность стали в пределах кристалла. Вместе с тем аустенизация, гомогенизация может приводить и к диаметрально противоположному процессу - к появлению неоднородности состава в микрообъемах при наличии в стали малых количеств поверхностно активных относительно железа (горофильных) элементов. Происходит образование концентрационной неоднородности в объеме зерна. С обогащением его граничных или межблочных зон каким-либо элементом или элементами, характерной особенностью которых является значительная разница в величинах их атомных радиусов, по сравнению с атомным радиусом растворителя (в стали - железа является проявлением внутренней адсорбции сплава. Перераспределение отдельных легирующих элементов (или примесей в объеме зерна при нагреве стимулируется способностью чужеродных атомов понижать избыточную энергию структурных неоднородностей. Особенно заметное влияние на свойства сплава оказывает внутренняя адсорбция тогда, когда в результате уменьшения поверхности грани: (например, при росте зерна аустенита в процессе высокотемпературное нагрева) концентрация горофильного элемента превзойдет (при выдержке или в процессе последующего быстрого охлаждения) предел растворимости. В этом случае становится возможным локальный распад твердое раствора с выделением дисперсных частиц избыточной фазы, хотя усредненный состав сплава еще далек от достижения предела растворимости.: Ванадий и ниобий являются элементами поверхностно активными относительно железа. Концентрационную неоднородность стали в микрообъемах нередко удается наблюдать при металлографическом исследовании с применением обычного или специальные методов травления. Обогащение границ зерен горофильными элементами, снижающими их поверхностную энергию, оказывает, согласно В.И. Архарову, огромное влияние на диффузионную способность стали и на уровень механических и химических свойств сплава в целом.

В процессе горячей обработки давлением слитка его дендритная структура разрушается и дендриты вытягиваются в направлении деформации. Междендритные пространства, содержащие большое количество примесей и неметаллических включений, также деформируются и образуются характерные волокна. Такое строение, называемое полосчатостью, влияет на механические свойства, главным образом на ударную вязкость; она выше в продольном направлении и ниже в поперечном направлении (по отношению к направлению течения металла при прокатке). В меньшей степени подобная полосчатость влияет на пластичность (относительное удлинение и сужение). Прочность и твердость не зависят от полосчатости.

Считалось, что применение контролируемой прокатки приводит к снижению производительности и к развитию текстурованного феррита, что способствует анизотропии свойств проката. Интенсивность такой анизотропии усиливается деформацией в феррито-аустенитной двухфазной области, таким образом, исключение этой операции могло привести к дальнейшему улучшению свойств.

При производстве стали 10Г2ФБ существует проблема получения минимального разброса свойств по длине полосы и нормируемого значения показателя ут/ув0,90. Большая однородность свойств обеспечивается, во-первых, стабильным фазовым составом стали в различных участках полосы и, во-вторых, одинаковой величиной дисперсионного упрочнения. Для получения однородного фазового состава металла температура окончания прокатки (Ткп) должна соответствовать нижней части аустенитной области на всех участках полосы. Перспективной можно считать структуру игольчатого феррита, обусловливающую высокую прочность вследствие увеличения количества дислокаций и формирования субструктуры, доля дисперсионного упрочнения при этом несколько снижена. Такая структура стати формируется при пониженных значениях Тсм, соответствующих бейнитной области ТКД (< 600 °С), когда выделяются мелкодисперсные карбонитриды, а возможности их роста ограниченны. Таким образом, получению равномерного уровня дисперсионного упрочнения по длине полосы способствует применение дифференцированной температуры смотки по длине полосы при обеспечении стабильного фазового состава, особенно в концевых участках полосы.

Наиболее эффективными средствами борьбы с анизотропией механических свойств на металлургическом заводе является совершенствование технологии производства стали и гомогенизация проката, обеспечение равномерного распределения карбонитридной фазы по длине проката для стали 10Г2ФБ.

25.11.2019

Пиломатериалы – изделия, которые получают из бревен путем их продольного распиливания. Части, которые получены на первом этапе производства, далее при необходимости...

25.11.2019

Каждому современному человеку рано или поздно приходится решать, куда поставить компьютерный стол. Оцениваем свободное место в квартире и вперед – подбирать модель,...

25.11.2019

Вопрос, где в квартире расположить ковры, не менее важен, чем умение правильно выбрать ковер. Как это сделать расскажет данная статья....

25.11.2019

В каждой отрасли, где происходит производство жидкой или вязкой продукции: в фармацевтическом деле, в косметической отрасли, в пищевом и химическом секторах – везде...

Классификация дефектов деформированной стали. Неметаллические включения: оксиды, сульфиды, нитриды и т.д. Причины их возникновения, их влияние на структуру и свойства деформированного металла. Характерные отличия неметаллических включений. Макродефекты: трещины, расслоения, ликвация и др. Обезуглероженный слой в деформированной стали. Видмандштеттовая структура, пережог – причины их образования и возможность исправления дефектов. Деформационное старение. Процессы, происходящие при деформационном старении.

Дефекты деформированной стали можно классифицировать следу­ющим образом:

1. Неправильность профиля и общей формы.

2. Поверхностные дефекты.

3. Внутренние дефекты.

4. Несоответствие по механическим свойствам.

5. Дефекты микроструктуры.

6. Несоответствие различным специальным требованиям.

В настоящей главе рассмотрены поверхностные, внутренние де­фекты и дефекты микроструктуры. Причиной появления многих де­фектов служит несоблюдение технических условий горячей и холод­ной деформации стали.

Дефекты слитка могут проявляться в деформированной стали, изменяя свой вид в результате обработки давлением. Общим признаком дефектов сталеплавильного происхож­дения является ликвация, в частности фосфора и серы. Дефекты про­катного производства, как правило, не связаны со структурными изменениями, хотя иногда наблюдается частичное обезуглероживание с плавным переходом к основной структуре. Морфологические призна­ки у дефектов сталеплавильного и прокатного происхождения могут быть сходными, так как все дефекты вытянуты в направлении дефор­мации и часто имеют одинаковую форму в поперечном сечении. Воз­никновение дефектов прокатного происхождения не зависит от техно­логии сталеплавильного производства и марки стали, а связано глав­ным образом с нарушением режимов нагрева и деформации.

Некоторые дефекты деформированной стали являются общими для различных заготовок и изделий независимо от способа деформации (рис. 4.33).

Поверхностные дефекты. На поверхности заготовок, листов, про­волоки, труб, профилей, штампованных изделий наблюдаются раз­личные трещины (рис. 4.33, а): продольные, поперечные, извилистые, прерывистые и непрерывные. Причинами их образования служат раскатанные поры или подкорковые пузыри, большие остаточные напряжения в слитке или заготовке, напряжения, вызванные очень быстрым нагревом и охлаждением, а также неравномерностью дефор­мации. Форма трещин определяется их происхождением, а также способом деформации. Например, в листах и полосах они продольные или извилистые, в трубах - расположены в продольном направле­нии или по спирали.

Плены, вздутия, мелкие раковины на поверхности стальных из­делий получаются из-за внутренних дефектов литой стали, в част­ности из-за газовых пузырей, неметаллических включений. Эти дефекты носят локальный характер, но могут располагаться по всей поверхности. Закаты представляют собой смещения или завороты стали (рис. 4.33, б). Они могут появляться при закатывании усов, возникающих в случае переполнения предыдущего калибра или облоя на слитке.

К поверхностным дефектам стали относятся язвины, формирующие­ся при неравномерном травлении поверхности стали (рис. 4.33, в ), а также темные и светлые пятна и полосы. Анализ темных пятен по­казал, что вдоль направления деформации раскатана посторонняя фаза, выступающая над поверхностью стали (рис. 4.33, г). Это части­цы разрушенной футеровки нагревательных печей, вкатанные при прокатке в сталь. Появление светлых полос на поверхности стали обусловлено вскрытием сотовых пузырей при нагреве слитков перед деформацией и окислением их поверхности.

При нарушении технологии шлифовки деформирующего инстру­мента возможно появление участков с рифленой поверхностью, со­провождающееся образованием трещин и даже сквозных разрывов (рис. 4.33, д).

Деформированная сталь может иметь специфические дефекты, ха­рактерные для данного вида изделий. Например, рваная кромка на полосе (рис. 4.33, е) формируется при разрывах по кромкам из-за нарушения технологии прокатки или в результате потери пластич­ности стали в местах скопления оплавившихся в процессе деформации сульфидных включений.

Рисунок – Дефекты деформированной стали

К специфическим поверхностным дефектам штампованных изде­лий относятся складкообразование и заковы. Складкообразование представляет собой трещины, проходящие в местах перемены сече­ния и по внутренней поверхности кольцеобразных выступов. Оно может быть вызвано встречным движением стали в штампе, несовпа­дением форм исходной заготовки и полости штампа. Заковы - это складки, образующиеся на особо опасных местах изделий и направ­ленные по контуру штамповки. При холодной штамповке деталей простой и особенно сложной конфигурации из листового проката часто возникают разрывы. Им способствуют такие дефекты структуры холоднокатаной листовой стали, как неметаллические включения, разнозернистость, наличие крупных частиц цементита, неоднород­ность химического состава, а также наличие поверхностных или внут­ренних дефектов листов.

Внутренние дефекты. К распространенным внутренним дефектам деформированной стали относятся расслоение, флокены, трещи­ны. Расслоение представляет собой грубое нарушение сплошности (рис. 4.33, ж ). Причинами расслоений могут быть дефекты сталепла­вильного происхождения - остатки усадочной раковины, газовые пузыри, неметаллические включения.

Флокены - это разрывы круглой или эллиптической формы с бле­стящей поверхностью разрушения. Они формируются вследствие скопления в микрообластях водорода.

В центральной области стальных изделий могут образоваться многочисленные тонкие трещины по границам первичных зерен, вы­званные неравномерным прогревом, наличием ликвации легкоплавких элементов или карбидной ликвации. При деформации слитков сложнолегированных и высокоуглеродистых сталей, имеющих внутренние термические трещины, последние в процессе прокатки не завари­ваются, а наоборот, раскрываются, образуя полости, которые назы­вают «скворечниками».

В случае недостаточной пластичности стали и неблагоприятных температурно-скоростных условий при косой прокатке в центральной части трубной заготовки возникают напряжения, приводящие к так называемому «центральному» разрушению. Трещины появляются в местах структурной неоднородности (рис. 4.33, з). Для предотвраще­ния центрального разрушения при прокатке труб необходимо строго соблюдать температурно-скоростные условия деформации и опреде­ленный угол подачи. Это позволит получить равномерную субзеренную структуру стали.

В деформированных сталях иногда обнаруживают термические трещины, которые образуются под действием напряжений, возникаю­щих при быстром и неравномерном нагреве и резком или неравномер­ном охлаждении стали после деформации. При увеличении скорости охлаждения проката создается большая разность температур в центре и на поверхности изделия, что приводит к развитию значительных термических напряжений. В начале охлаждения поверхностные слои испытывают напряжения растяжения, а внутренние - сжатия. При дальнейшем охлаждении уменьшение объема средней части изделия сдерживается более остывшими наружными слоями. Поэтому первыми возникают наружные дефекты, а затем - внутренние. Особенно часто термические трещины образуются в высокоуглеродистых и высоколегированных труднодеформируемых сталях. Структурные напряжения появляются в результате неодновременных структурных и фазовых превращений, обусловленных разностью температур по длине и сечению прокатанного изделия.

Если напряжения при пластической деформации, а также терми­ческие и структурные напряжения совпадут по знаку, то суммарное напряжение может достичь значительной величины. В пластичной стали оно релаксирует путем микросдвигов, в малопластичной - при образовании трещин. Чем выше скорость охлаждения, тем больше вероятность появления трещин. В местах интенсивного охлаждения чаще всего формируются мелкие продольные трещины. Склонность к трещинообразованию возрастает в грубозернистой стали.

Дефекты микроструктуры деформированных и отожженных изде­лий могут образоваться при всех способах деформации. Поверхностное обезуглероживание происходит в результате взаимодействия углерода, содержащегося в стали, с кислородом или водородом окружающей среды. Обезуглероживание может быть следствием слишком длитель­ной выдержки стали при высоких температурах, попадания в печь обезуглероживающей газовой атмосферы, наличия окалины на по­верхности. Этот вид дефектов обнаруживается микроструктурно и хи­мическим анализом (рис. 4.34). В низкоуглеродистой стали с ферритной структурой в поверхностном слое при обезуглероживании растут зерна (рис. 4.34, а ), в сталях с более высоким содержанием углерода возникает ряд переходных структур (рис. 4.34, б ), что приводит к уменьшению прочности, твердости металла, снижает его сопротивле­ние деформации и износу. В некоторых случаях поверхностное обезугле­роживание полезно. Например, низкоуглеродистую холоднокатаную листовую сталь отжигают во влажном водороде для улучшения штам­пуемости, трансформаторную - в водороде или вакууме для повы­шения магнитных свойств.

Рисунок – Поверхностный обезуглероженный слой в листах из сталей 08кп и 65

Очень распространенным дефектом является полосчатая, или стро­чечная, структура деформированной стали. Существует несколько причин возникновения этого дефекта (рис. 4.35). При наличии в ли­той стали внутрикристаллической ликвации осевые участки дендритов содержат меньше углерода, кремния, фосфора, серы и других элементов по сравнению с междендритными участками. В процессе горячей прокатки дендриты аустенита, ранее располагавшиеся хаоти­чески или перпендикулярно к поверхности слитка, постепенно изме­няют свою ориентацию и переориентируются своими главными осями параллельно направлению прокатки. Структура стали становится во­локнистой. При охлаждении доэвтектоидной стали после горячей прокатки в интервале температур А Г3 - А Г1 происходит полиморфное превращение аустенита в феррит. Поскольку аустенит был неодно­роден по химическому составу, феррит появляется ранее в участках, обедненных углеродом, затем в участках аустенита, обогащенных углеродом, в результате эвтектоидного превращения образуется пер­лит. Структура стали после эвтектоидного превращения имеет резко выраженную полосчатость (рис. 4.35, а).

Полосчатость горячекатаной стали может быть обусловлена окон­чанием прокатки в межкритическом интервале температур. Если доэвтектоидную сталь прокатать в интервале температур А Гз - А Г1 , т. е. в двухфазном состоянии, в момент окончания деформации зерна аустенита и феррита будут вытянутыми. При охлаждении стали до температуры А г1 часть аустенита превращается в феррит, а после прохождения через точку А г1 оставшийся аустенит распадается на перлит. При этом вместо вытянутых зерен аустенита образуются фер­рит и перлит. Зерна избыточного феррита остаются вытянутыми. Полосчатая структура в доэвтектоидной стали может возникнуть из-за неметаллических включений, слу­жащих центрами зарождения избы­точного феррита (4.35, б).

Рисунок – Полосчатые структуры деформированной стали (х100)

Полосчатость доэвтектоидной стали уменьшается в результате длительного гомогенизирующего отжига при температуре 1250- 1300 °С, во время которого можно частично устранить ликвацию.

При горячей прокатке заэвтектоидной стали и легированных сталей карбидного и ледебуритного класса в интервале температур А ст - А г1 в процессе холодной прокатки может возникнуть карбид­ная полосчатость как результат дробления вторичного или эвтектоидного цементита и расположения его в строчки в направлении прокат­ки (рис. 4.35, в). Полосчатость такого типа называется карбидной неоднородностью. Основная причина ее образования - неравномерное распределение первичных и вторичных карбидов. Карбидная строчечность может быть уменьшена в результате спе­циального гомогенизирующего отжига при 1100-1300 °С, а также в процессе нагрева стали для горячей деформации. Карбидная неод­нородность значительно ухудшает прочность и вязкость стали.

В холоднокатаной стали также образуется волокнистая структура, что вызвано ориентировкой ферритных и перлит­ных зерен в направлении деформации. Сталь с полосчатой структурой обладает анизотропией механических свойств, причем поперек про­катки они значительно хуже, чем вдоль. На рис. 4.36 показано изме­нение значений ударной вязкости а н и относительного удлинения 5 в зависимости от угла наклона оси образца по отношению к направле­нию прокатки θ П. Для оценки качества стали испытываются попереч­ные образцы.

Структурный дефект - цементитная сетка образуется в заэвтектоидной стали при формировании вторичного цементита или карбида в виде грубых выделений на границах аустенитных зерен. Чем выше в стали содержание углерода и медленнее охлаждение, тем грубее цементитная сетка. Возникает этот де­фект в случае окончания горячей де­формации стали при температуре вы­ше А ст и слишком медленном охлаждении. Для предупреждения появле­ния цементитной сетки следует строго соблюдать температуру конца дефор­мации и, если сталь деформирована при температурах выше А ст , быстро охлаждать ее после деформации. Уст­ранить этот дефект можно путем по­вторного нагрева до температуры вы­ше А ст и ускоренного охлаждения.

Рисунок – Изменение механических свойств в зависимости от угла наклона образца по отношению к направлению прокатки.

Дефектом структуры деформиро­ванной стали является разнозерни-стость. Под ней понимают присут­ствие в структуре стали зерен раз­ных размеров, что приводит к неоднородности свойств. Следует различать Разнозернистость, связанную с ликвационными явлениями, т. е. с неоднородным распределением примесей, карбидных и карбонитридных включений, задерживающих рост зерен при горячей де­формации или отжиге, и обусловленную наследованием неоднород­ности литого состояния, неравномерностью распределения темпера­туры и деформации по толщине заготовки. В местах с очень мелкими зернами микротвердость стали повышается. Зоны с мелкозернистой структурой вытягиваются в направлении деформации.

Разнозернистость деформационного происхождения зависит от темпёратурно-скоростного режима деформации, величина зерен в стали и степень их размерной однородности определяются темпера­турами нагрева стали перед деформацией и окончания деформации, а также степенью деформации (суммарной и в последней клети, если прокатка осуществляется в несколько проходов).

Пластическая деформация всех видов неравномерна по сечению и вдоль оси деформируемого изделия. В очаге деформации возникают зоны, в которых степени деформации колеблются в довольно ши­роком интервале и могут быть ниже критических, критическими и выше критических. Такая неоднородность деформации стимули­рует рост зерен в процессе динамической и статической рекристалли­зации.

В структуре горячедеформированной стали могут наблюдаться зоны крупных слабодеформированных и нерекристаллизованных зе­рен, участки с рекристаллизованными зернами, претерпевшими пер­вичную, собирательную и даже вторичную рекристаллизацию, об­ласти с измельченными зернами. При последующей холодной дефор­мации сталь сохраняет эту неоднородность, которая усугубляется неравномерным развитием холодной деформации и проявляется при отжиге. В участках, претерпевших холодную деформацию со степе­нями выше критической, образуется нормальная зеренная структура; в зонах, где степень деформации соответствовала критической, вы­растают крупные зерна. В доэвтектоидной стали, прокатанной в интервале температур А Сз - А С1 , т. е. в двухфазной аустенитно-ферритной области, также проявляется разнозернистость структуры. Причиной ее является разная скорость динамической и статической рекристаллизации фер­рита и аустенита, причем ферритные зерна, более склонные к рекри­сталлизации, растут быстрее. Разнозернистость в деформированных сталях, как правило, имеет зональный характер. Она приводит к сни­жению прочностных и пластических свойств стали.

ЛИТЕРАТУРА

Бельченко Г.И., Губенко С.И. «Основи металографии и пластической деформации»: М., Машиностроение, 1987г.

Золотаревский B.C. «Механические свойства металлов», М.,Машиностроение, 1983г.

Новиков И.И. «Дефекты кристаллического строения», М., Машиностроение,1975г.