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).
Основной технологической схемой производства листового проката для электросварных труб большого диаметра является термомеханическая (контролируемая) прокатка непрерывнолитых слябов, во многих случаях с последующим регламентированным ускоренным охлаждением. Формирование структуры металла проходит в несколько стадий, основными из которых являются нагрев под прокатку, предварительная (черновая) стадия прокатки, окончательная (чистовая) стадия прокатки, последеформационное охлаждение. На конечную структуру также оказывают влияние процессы кристаллизации непрерывнолитой заготовки.Проведенные исследования промышленного металла показывают, что формирующаяся структура металла характеризуется различными типами неоднородности, в их числе: разнозернистость; характер взаимного расположения структурных составляющих (полосчатость); неоднородность структуры по сечению проката (поверхностные слои, осевая зона), к неоднородности можно отнести и формирование смеси различных фаз и структурных составляющих (рис. 3.44); кристаллографическая текстура в феррите и др.
К источникам формирования неоднородных структур в прокате можно отнести:
- неоднородность химического состава исходной заготовки (ликвация дендритная, осевая);
- влияние процесса горячей деформации (температурный интервал, неравномерность деформации по сечению проката);
- влияние процесса охлаждения (в первую очередь, ускоренного), обусловливающего неравномерность температуры металла по сечению (особенно с учетом больших толщин проката и повышенной скорости охлаждения), а также и его неравномерность;
- особенности (γ-α)-превращения (неодновременность превращения в участках металла с различным химическим составом, протекание процесса при непрерывном охлаждении).
Основные типы неоднородных структур в трубных сталях можно классифицировать следующим образом:
1) связанные с природой процессов:
- полосчатая структура, включая осевую зону сляба;
- неоднородность по сечению проката (поверхностные слои и сердцевина);
- смесь различных типов структур при непрерывном охлаждении;
2) связанные с неправильно выбранными технологическими параметрами:
- разнозернистость (аустенита, феррита) → локальное изменение типа структуры (бейнит, полосы грубого высокотемпературного феррита);
- локальная неоднородность в объеме проката (в том числе по длине);
3) целенаправленно создаваемые неоднородные структуры:
- феррит + перлит;
- полиэдрический и деформированный феррит (текстуриро-ванный) + перлит;
- деформированный феррит + бейнит;
- другие сочетания.
Самая распространенная структура горячекатаных и нормализованных сталей - ферритно-перлитная смесь, в большинстве случаев характеризуемая неравномерным расположением структурных составляющих - полосчатостью. Механизм формирования полосчатой структуры представляется следующим. В процессе затвердевания ликвирующие элементы (марганец, фосфор) вытесняются из первых сформировавшихся дендритов 5-феррита, что приводит к формированию междендритных зон, обогащенных этими элементами. Впоследствии эти области будут характеризоваться оладьеобразной формой зерен после горячей прокатки и станут основой микрохимической и микроструктурной полосчатости. Аналогичный механизм приводит к осевой химической неоднородности в непрерывнолитом слябе.
Микроструктурная полосчатость, состоящая из чередующихся слоев доэвтектоидного феррита и перлита (или бейнита/мартенсита), есть результат влияния элементов замещения на температуру превращения аустенита.
Так как эта температура понижается при повышении содержания элементов, входящих в твердый раствор, феррит в первую очередь зарождается в обедненных легирующими элементами зонах. Углерод вытесняется из доэвтектоидного феррита, образуя обогащенные углеродом области аустенита, который превращается в перлит или другие составляющие - высокоуглеродистый мартен-сит/бейнит. Зерна доэвтектоидного феррита и островки второй структурной составляющей связаны с обедненными и обогащенными областями соответственно.
Разнозернистость аустенита может формироваться вследствие ряда причин:
- малые деформации за проход и получение более крупного зерна в средней части проката при деформации выше Трекр;
- условия деформации (температура, степень и другие параметры), приводящие к частичной рекристаллизации;
- деформация аустенита ниже Трекр (крупное и разноразмерное исходное зерно аустенита и/или недостаточное суммарное обжатие) - получение аустенитных зерен с различной плотностью несовершенств (полос деформации), являющихся местами зарождения феррита - неравномерное зарождение феррита.
Разнозернистость аустенита может привести к разнозернистости феррита либо формированию грубых областей верхнего бейнита вместо ферритно-перлитной структуры или структуры гранулярного бейнита вследствие повышения устойчивости крупнозернистого аустенита.
Одна из технологических схем производства проката для электросварных труб большого диаметра - прокатка с завершением деформации в (γ+α)-области. При деформации в (γ+α)-области в феррите наблюдаются зерна полигонального типа с низкой плотностью дислокаций, а также деформированные зерна с повышенной плотностью дислокаций, в которых наблюдается формирование субзеренной структуры (полигонизация). Такой металл имеет своеобразный характер разрушения - в изломах ударных образцов наблюдаются «расщепления» - трещины небольшой глубины, расположенные перпендикулярно магистральной трещине и лежащие в плоскости прокатки. При прокатке с завершением в γ-области в феррите формируется многокомпонентная текстура; с понижением температуры окончания прокатки в (γ+α)-области в наибольшей степени усиливается ориентировка {100}, что и является основной причиной возникновения расщеплений, поскольку плоскость типа {100} является плоскостью скола в металлах с ОЦК-решеткой.
При такой технологической схеме прокатки в стали формируется полосчатая ферритно-перлитная структура, при этом наблюдаются ферритные зерна двух видов: деформированные и равноосные с низкой плотностью дислокаций. Сталь после такой обработки характеризуется повышенной прочностью и хладостойкостью, при этом также повышается анизотропия свойств. Металл характеризуется низкой стойкостью к сероводородному растрескиванию.
В современных высокопрочных низколегированных сталях после термомеханической прокатки и последующего охлаждения в различных температурных интервалах обычно формируется смесь разнообразных фаз и структурных составляющих: полигональный феррит, квазиполигональный феррит, бейнитный феррит различных типов, мартенсит или составляющая М/А. Влияние второй фазы (структурной составляющей) на свойства сплава зависит от ее объемной доли, размера частиц, свойств и ряда других факторов. Так, при малой доле более твердой фазы основная деформация (особенно при малых степенях деформации) протекает в мягкой матрице, хотя в некоторой степени процесс происходит и вокруг участков второй фазы. В связи с этим вторая фаза в виде относительно крупных частиц оказывает меньшее влияние на сопротивление малым деформациям.
Для повышения однородности структуры по сечению проката можно использовать воздействие на вид диаграммы превращения при непрерывном охлаждении (применении оптимальной системы легирования стали): расширение области бейнитного превращения, что приводит к формированию более однородной структуры в широком интервале скоростей охлаждения и повышению равномерности структуры по сечению проката.
При низких температурах конца прокатки по толщине листа наблюдается заметное изменение структуры. Оно носит сложный характер и включает изменение размера зерна, количества структурных составляющих и текстуры. Поэтому некоторые локальные значения свойств, таких как критическое напряжение скола, трудно связать с одним структурным параметром, например размером зерна. Более того, неоднородная структура по толщине листа может приводить к появлению значительных остаточных напряжений, что усложняет поведение металла при последующем деформировании (и эксплуатации).
Неоднородное распределение свойств по толщине проката должно приниматься во внимание при производстве труб. Более высокие остаточные напряжения и более существенное снижение прочностных свойств (по сравнению с листом с однородной структурой) были обнаружены в листе с неоднородной структурой и свойствами. Допустимая неоднородность структуры по сечению проката зависит от исходной структуры аустенита - свойств бейнита; содержания углерода - типа бейнита; требований и назначения проката. В целом степень неоднородности обычно регулируется путем ограничения скорости охлаждения и снижения углеродного эквивалента материала.
Структура по сечению проката может быть неоднородной вследствие пониженной прокаливаемости низколегированных сталей. В работах развивается идея создания «конструктивной анизотропии». В них обоснованы целесообразность формирования в сечении проката градиента структур - от закалочных (у поверхности) до продуктов диффузионного распада аустенита (в средней части сечения проката), а также преимущество комплекса механических свойств проката с такой структурной неоднородностью по сравнению со структурной неоднородностью в горячекатаном состоянии.
При изменении соотношения структурных составляющих изменяются вид диаграммы напряжение-деформация (рис. 3.45), коэффициент деформационного упрочнения, проявление эффекта Баушингера, прочностные свойства, вязкость.
Рассмотрение взаимосвязи неоднородности структуры со свойствами позволяет сделать ряд заключений:
- полосчатость - наиболее распространенная неоднородность структуры с точки зрения свойств приводит к анизотропии, пониженной стойкости к сероводородному растрескиванию;
- осевая ликвационная неоднородность - обусловливает пониженную стойкость к сероводородному растрескиванию, ухудшение свариваемости, снижение свойств в Z-направлении;
- неоднородность структуры по сечению - приводит к остаточным напряжениям;
- при смешанной структуре изменяется тип диаграммы напряжение-деформация, наблюдается отклонение от заданного комплекса свойств;
- разнозернистость - приводит к ухудшению хладостойкости;
- текстура обусловливает особый характер разрушения, повышение хладостойкости, увеличение анизотропии свойств.
Механизмы устранения неоднородности структуры:
- полосчатость структуры - повышение скорости охлаждения снижает полосчатость; при завершении деформации в (γ+α)-области и последующем ускоренном охлаждении происходит замена перлита на бейнит с сохранением полосчатости;
- осевая ликвационная неоднородность уменьшается при снижении содержания углерода, марганца и с помощью технологических приемов (мягкое обжатие и др.);
- неоднородность структуры по сечению (смешанная структура) устраняется путем воздействия на фазовые превращения;
- разнозернистость уменьшается при правильном выборе режима деформации;
- кристаллографическая текстура определяется режимом прокатки.
Какую же структуру трубной стали считать оптимальной? Это зависит от требований, которые очень сложны и часто противоречивы: прочность, вязкость, хладостойкость, свариваемость, трещиностойкость, деформируемость (сейсмические районы, вечная мерзлота), стойкость в среде H2S и других с учетом класса прочности и размерного сортамента.
Приведем примеры, как целенаправленного формирования неоднородных структур, так и попытки повышения однородности структуры.
Формирование и эффект неоднородных структур:
- перлит в ферритной матрице (повышение σв, снижение соотношения σт/σв);
- деформированный и полигонизованный феррит с выраженной кристаллографической текстурой (деформация в (γ+α)-области) - повышение хладостойкости за счет особого характера разрушения с формированием расщеплений в изломе, повышение прочностных свойств; расположение структурных составляющих в виде полос;
- двухфазная ферритно-бейнитная (мартенситная) структура для улучшения деформируемости (снижение σт/σв, повышение деформационного упрочнения, высокое равномерное удлинение);
- феррит деформированный, расположение структурных составляющих в виде полос.
Устранение неоднородности структуры и результат этого:
- снижение осевой сегрегационной неоднородности - улучшение сплошности проката (по результатам УЗ-контроля), свариваемости, стойкости в среде сероводорода, снижение анизотропии свойств;
- устранение полосчатости - стойкость в среде сероводорода, вязкость, трещиностойкость, снижение анизотропии свойств;
- устранение участков М/А - повышение вязкости, трещиностойкости, стойкости в среде сероводорода (рис. 3.46, а);
- устранение грубых участков верхнего бейнита (формирование однородной структуры гранулярного бейнита) - получение высокой прочности и вязкости (см. рис. 3.46, в);
- формирование однородной структуры нижнего бейнита: получение сверхвысокой прочности стали (Х120) и вязкости (см. рис. 3.46, г);
- общее повышение однородности структуры - улучшение трещиностойкости и сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением.
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...
Дефект «полосчатость» является одним из распространенных дефектов анодированных профилей из , например, сплавов 6060 и 6063 по международной и европейской классификации или сплава АД31 по отечественному ГОСТ 4784. По-английски этот дефект называют « streaking ». Обычно он проявляется уже после анодирования, что затрудняет выявление его причины. Сущность этого дефекта в том, что на поверхности профиля визуально видны узкие полосы с различным контрастом блеска или матовости как между ними самими, так и по сравнению с окружающей нормальной анодированной поверхностью. Пример этого дефекта анодирования представлен на рисунке.
Причины дефекта анодирования “полосчатость”
Известны, как минимум, три причины возникновения дефекта «полосчатость»:
- Прессовые сварные швы
Металл из поверхностной зоны слитка
Первая причина – попадание в поверхность профиля металла поверхностной, так называемойсегрегационной зоны исходного слитка, обогащенногоинтерметаллидами и оксидами.
Прессовые сварные швы
Вторая причина – технологические, «прессовые» сварные швы профиля, продольные и поперечные. Поперечные швы возникают при обычной практике прессования заготовок «стык в стык», когда металл двух последовательных заготовок сваривается непосредственно в матрице и в него попадает металл поверхностного слоя из заднего конца предыдущей заготовки. Продольные швы возникают на полых профилях при соединении потоков металла после прохождения смежных портов матрицы. При стыковке двух заготовок материал загрязнения из заднего конца заготовки могут попадать и в продольные швы. Для устранения первых двух причин применяют: 1) более качественные слитки с минимальной толщиной сегрегационной зоны и 2) увеличенную толщину пресс-остатка.
Неправильная конструкция матрицы
Более сложной является третья причина, связанная с недостатками конструкции матрицы. В этом случае полосы возникают из-за сильных различий в пластической деформации или ее скорости в различных зонах сечения профилей со сложным или полым сечением. В результате возникают зоны металла с резко отличающимися характеристиками микроструктуры, такими как размер зерна, ориентация зерен, а также размер и количество выделений вторичных фаз. Кроме того, продольные швы также могут протравливаться неоднородно и быть видны даже и без участия загрязненного металла из поверхностного слоя. Это может быть опять же из-за неадекватной конструкции матрицы по размерам, форме или расположению сварочных камер.
Оптика дефекта анодирования “полосчатость”
Оптическая сущность полосчатостизаключается в том, что разные полосы имеют различную степень блеска или матовости. Блеск и матовость поверхности зависят от ее отражательных свойств, которые, в первую очередь, зависят от микротопографии поверхности. Эта топография определяется различными поверхностными несовершенствами, которые образуются в основном при травлении.
Часто поверхность дефектных полос имеет более грубую струкутуру, чем у нормальной поверхности и поэтому выглядит более матовой, так ее поверхностные несовершенства увеличивают диффузионную часть отраженного света. При оксидный слой образуется на поверхности исходного металла. Оптические свойства поверхности после анодирования в основном зависят от топографии поверхности исходного металла и мало зависит от самой оксидной пленки, потому что она является прозрачной.
Матовое щелочное травление алюминиевых профилей
Цель травления поверхности перед анодированием – получить гомогенную матовую поверхность. Травление меняет микроструктуру и оптические свойства поверхности за счет создания дополнительных поверхностных несовершенств: ямок травления, канавок границ зерен и ступенек травления зерен.
Роль железа в алюминиевом сплаве
Размер и распределение ямок травления зависит в основном от размеров и распределения в поверхностном слое интерметаллидных фаз: первичных частиц Al 3 Fe , α- AlFeSi и β- AlFeSi и вторичной фазы Mg 2 Si . Железосодержащие частицы имеют более высокий электрохимический потенциал, чем окружающий их алюминий, поэтому растворяются не они, а алюминий вокруг них. При достаточно длительном травлении эти частицы полностью выпадают и размер ямок часто больше, чем их исходный размер, иногда до 10 мкм в диаметре. Поэтому содержание железа в сплаве и оказывает значительное влияние на оптический вид поверхности после травления. Напротив, частицы Mg 2 Si действуют как аноды, что приводит к полному их вытравливанию с образованием ямок, повторяющих форму частиц. Поэтому малый размер частиц β- Mg 2 Si и их высокая плотность распределения дают значительный вклад в формирование матовой поверхности, в том, числе в ямках от первичных Fe -частиц. Такая высокая плотность мелких частиц Mg 2 Si достигается эффективной закалкой и искусственным старением профилей.
Роль границ зерен
Другим важным параметром микроструктуры поверхности, влияющим на ее оптические свойства, являются канавки границ зерен . Обычно границы зерен более восприимчивы к щелочному травлению. Однако, оказывается, что внутри на «полосчатой» поверхности канавки границ зерен еле видны, тогда как на нормальной поверхности – границы зерен глубокие и видны очень четко. Эту «смазанность» канавок границ зерен считают одной из причин, почему дефектные полосы выглядят светлее: мелкие канавки уменьшают долю диффузионной части отраженного света.
Ступеньки зерен
Еще одним элементом микроструктуры поверхности, влияющим на ее оптические свойства, являются так называемые ступеньки травления зерен. Дело в том, что при прессовании алюминиевых сплавов образуются некоторые предпочтительные ориентации зерен, то есть определенная текстура зерен. Установлено, что в дефектных полосах большинство зерен ориентировано в направлении прессования, а на нормальной поверхности зерна ориентированы случайным образом. Различие в текстуре дефектных и нормальных участковприводит к различной интенсивности отражения света.
Роль конструкции матрицы
Установлено, что описанные выше особенности поверхностной микроструктуры профилей возникают при прессовании сложных и, вдобавок, полых профилей, когда возникают сложные потоки металла с большими деформациями и скоростями деформаций. Именно это и приводит к возникновению неоднородной поверхностной микроструктуры поверхности профилей, которая является причиной дефекта «полосчатость».
Источник : X. Zhang et al, Aluminum Extrusion Technology Seminar, 2008.
Шкала № 1 Полосчатость феррито-перлитной структуры для сталей с содержанием углерода до 0,25%. - Отдельное издание.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 № 1
Полосчатость феррито-перлитной структуры для стали с содержанием углерода до 0,25% х 100
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.