А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозернистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способствующих образованию трещин.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются объемные дефекты: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины т. д. Эти дефекты снижают прочность металла.

2.1.2. Кристаллизация металлов и сплавов

Известно, что любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, называемой соответственно температурой плавления, кристаллизации, кипения или сублимации.

По мере увеличения температуры твердого тела растет подвижность атомов в узлах решетки, амплитуда колебаний увеличивается и при достижении определенной температуры, называемой температурой плавления, атомы вырываются из узлов и решетка разрушается с образованием жидкой фазы. Температура плавления – важная константа, информация о ней входит во все справочники: температура плавления ртути – 38,9; олова – 232; цинка – 419; алюминия – 660; меди – 1083; железа – 1536 и т. д. до температуры плавления вольфрама – 3410 °С.

Противоположная картина наблюдается при охлаждении жидкости и ее последующем затвердевании. При охлаждении жидкости, наоборот, подвижность атомов падает, вблизи температуры плавления образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами, на которых впоследствии нарастает слой кристаллов. При достижении температуры плавления–затвер- девания вновь образуется кристаллическая решетка и металл переходит в твердое состояние.

Переход металла из жидкого в твердое состояние при определенной температуре называется кристаллизацией.

71

Механизм процесса кристаллизации. Процесс кристаллиза-

ции состоит из двух элементарных процессов – зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

При температуре, близкой к температуре затвердевания, в жидком металле образуются небольшие группировки атомов, так называемые флуктуации, в которых атомы упакованы так же, как и в твердых кристаллах. Из части этих флуктуаций образуются зародыши, или центры кристаллизации. С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся центров кристаллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит как за счет возникновения новых центров кристаллизации, так и за счет роста существующих. Схема последовательных этапов процесса затвердевания изображена на рис. 2.7.

Взаимным ростом кристаллов объясняется неправильная форма зерен. Реальные твердые кристаллы неправильной формы называются кристаллитами. Размер зерен определяется переохлаждением металла при кристаллизации и количеством зародышей – центров кристаллизации. Источником образования зародышей служат различные твердые частицы: неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления.

Рис. 2.7. Схема последовательных этапов кристаллизации металла (а–г)

72

Модификаторами для стали являются алюминий, ванадий, титан; для чугуна – магний.

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Кристаллизация начинается от стенок формы или изложницы. В направлении отвода тепла, т. е. перпендикулярно к стенке формы, кристалл растет быстрее, чем в других направлениях, при этом образуются оси первого порядка. Одновременно на их ребрах происходят зарождение и рост перпендикулярных им осей второго порядка, затем третьего и т. д. В результате образуется древовидный кристалл – дендрит (рис. 2.8).

Так как при затвердевании имеет место избирательная кристаллизация, т. е. в первую очередь затвердевает более чистый металл, то границы зерен более обогащены примесями. Неоднородность химического состава в пределах дендрита называется дендритной ликвацией. В большей степени, чем другие элементы, ликвации подвержены углерод, сера, фосфор.

Рис. 2.8. Схема дендритного кристалла

Строение слитка спокойной стали можно представить себе следующим образом. Зерна (дендриты), образующиеся в стальном слитке, могут иметь различные формы, размеры и ориентировку. Схема строения слитка спокойной стали показаны на рис. 2.9.

Структура слитка состоит из трех зон: наружной мелкозернистой зоны I, зоны столбчатых кристаллов II и зоны равноосных кристаллов III. Наружная мелкозернистая зона состоит из не-

73

ориентированных в пространстве мелких кристаллов. Ее образование обусловлено резким перепадом температур: жидкий металл – холодные стенки изложницы. Металл в этой зоне сильно переохлаждается, в нем образуется большое число центров кристаллизации, и он приобретает мелкозернистое строение.

Рис. 2.9. Строение слитка спокойной стали

После образования корковой зоны условия теплоотвода меняются, температурный градиент в прилегающем слое жидкого металла падает, снижается степень переохлаждения. В результате из сравнительно небольшого числа центров кристаллизации в направлении отвода тепла, т. е. перпендикулярно к стенке изложницы, начинают расти столбчатые кристаллы, образующие вторую зону. Развитие их в стороны сдерживается соседними дендритами.

Третья зона – зона равноосных кристаллов. В центре слитка нет определенной направленности отвода тепла. Здесь зародышами обычно являются различные мелкие твердые частицы, оттесненные при кристаллизации к центру слитка.

Основными дефектами слитка являются усадочная раковина, усадочная пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадочной раковины и по оси слитка. Образование усадочной раковины и усадочной пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме висмута, в твердом состоянии имеют меньший удельный объем, чем в расплаве.

74

2.1.3. Исследования макро- и микроструктуры металлов

Наука, исследующая особенности структурообразования в металлах и сплавах, называется металлографией. Металлография является одним из разделов металловедения. В свою очередь, металловедение – это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлов и сплавов, а также закономерности их изменения при воздействии различных факторов (механических, химических, тепловых, электромагнитных, радиоактивных и др.).

Металлография изучает влияние химического состава и различных видов обработки на структуру металла. Изучение структуры металла проводят на специально подготовленных плоских и гладких поверхностях – металлографических шлифах. Приготовление шлифа заключается в шлифовке и последующей полировке металла. Полировку металла можно проводить механическим (при помощи абразивных материалов) и электролитическим (растворением в специальном реактиве под действием электрического тока) способами.

Существуют различные способы выявления структуры металла. Чаще всего применяют химическое травление. При этом способе поверхность шлифа подвергают воздействию специального реактива, который в зависимости от цели исследования выявляет границы зерен, различные фазы, неметаллические включения, поверхностные слои, поры, трещины и прочие детали строения металла.

Для практических целей обычно проводят исследование макро- и микроструктуры.

Макроструктура – это строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (в 30–40 раз). Анализ макроструктуры позволяет обнаружить в металле крупные неметаллические включения, пористость, усадочные раковины, трещины, выявить направление волокон после обработки металла давлением.

Микроструктура – это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа. Анализ микроструктуры дает возможность определить величину и расположение зерен металла, размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в металле, проконтролировать состояние структуры поверхностного слоя изделия, выявить мик-

75

родефекты (мелкие трещины, раковины и т. д.), а также некоторые дефекты кристаллического строения (дислокации и их скопления).

Многочисленными исследованиями установлено, что структура металла является одним из основных факторов, определяющих свойства металлических изделий. Макро- и микроанализ металла заготовок и изделий позволяет своевременно выявить дефекты металла, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надежность изделий в работе. Поэтому контроль структуры производится на всех этапах изготовления изделий, начиная от выплавки металла и кончая термической обработкой готовых деталей.

Анализ макроструктуры. Макроструктура – это структура, строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз) с помощью лупы или специального микроскопа. К анализу макроструктуры прибегают при проведении многих исследований и контроле готовой продукции.

Существует три основных способа изучения макроструктуры:

1.Просмотр хорошо отшлифованной и протравленной контролируемой поверхности готового металлического изделия. В этом случае изделие не разрушается и после контроля идет в эксплуатацию.

2.Просмотр специально приготовленных макрошлифов.

3.Изучение излома образца.

Возможности макроструктурного анализа велики, по выполнению он прост и не требует сложного оборудования. Преимуществом макроанализа является то, что ему может быть подвергнут большой объем металла: или все изделие, или его основные части. Поэтому в ГОСТах на большинство металлоизделий различные виды макроанализа включены как обязательные.

Макроанализ позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на разных этапах производства заготовок и изделий. При контроле и исследовании слитков или отливок макроанализом можно выявить дефекты, зависящие от условий плавки, разливки и кристаллизации металла. С помощью этого метода можно выявить также дендритное строение и направленную кристаллизацию, местонахождение, форму и размер усадочной раковины, усадочной рыхлости, трещин, неметаллических включений, пористость.

76

При контроле и исследовании катаного и кованого металла макроанализ позволяет оценить степень и направленность волокнистости, полосатости структуры.

При контроле и исследовании металла после термической или химико-термической обработки с помощью макроанализа можно оценить толщину поверхностного слоя (закаленного, цементированного и др.), структура которого отличается от структуры основного металла, а также выявить трещины и т. д.

Контролируемую поверхность темплета торцуют, строгают и шлифуют. Готовая поверхность должна быть ровной, гладкой, без наклепа и прижога.

Место и направление вырезки образцов из изделия и их число зависят от целей макроанализа. Для контроля металла слитков, отливок, катаных и кованых заготовок образцы (пробы) вырезают в направлении, перпендикулярном продольной оси; их называют темплетами. При изучении строения слитка (рис. 2.10), макроанализе сварных швов (рис. 2.11) образцы макрошлифов вырезают в продольном направлении (параллельно продольной оси).

а

б

в

Рис. 2.10. Образцы (макротемплеты) четырехтонных слитков углеродистой стали, содержащей 0,15 % углерода в продольном и поперечном направлениях:

а– продольный образец; б – серный отпечаток того же образца;

в– поперечный образец, вырезанный из центральной части слитка

77

Рис. 2.11. Образец сварного соединения. Усталостная трещина на образце сварной прямошовной трубы диаметром 1240 мм Увеличение 5 крат

Для выявления дефектов структуры и неоднородности химического состава материала темплеты травят специальными реактивами.

Макроанализ широко применяют для выявления неоднородности химического состава (ликвации) металла. Такие вредные примеси в стали, как сера и фосфор, часто располагаются не равномерно по всему объему металла, а сосредоточиваются на отдельных его участках. Макроанализ дает полную картину их расположения, хотя и не позволяет произвести количественную оценку.

Для выявления ликвации серы применяют метод серных отпечатков. Хорошо подготовленную поверхность шлифа очищают спиртом от загрязнения. Лист фотографической бромосеребряной бумаги помещают на несколько минут в 5 %-й водный раствор серной кислоты и затем слегка просушивают между листами фильтровальной бумаги. Влажную фотографическую бумагу накладывают на поверхность макрошлифа. Фотобумага находится на макрошлифе около 30 мин. Затем ее снимают, промывают водой и фиксируют в течение 20–30 мин в растворе гипосульфита. После этого ее опять промывают и сушат. На бумаге отпечатывается поверхность макрошлифа серого цвета, а участки скопления серы имеют более темную окраску (см. рис. 2.10, б).

Потемнение участков, содержащих повышенное количество серы, происходит в результате химической реакции. Сера находится в металле в виде сульфидов железа и марганца (FeS и MnS). Сульфиды вступают в реакцию с серной кислотой, оставшейся на

78

бумаге, в результате чего выделяется сероводород. На участках макрошлифа, содержащих большее количество серы, выделяется и больше сероводорода. Выделившийся сероводород вступает в реакцию с бромистым серебром, входящим в состав эмульсионного слоя фотобумаги. В результате образуется сернистое серебро темного цвета.

Анализ микроструктуры. В металлографии образцы, применяемые для исследований микроструктуры, принято называть шлифами, так как основной метод подготовки образца для исследований – шлифование и полировка.

Для листового проката или отливок типа плит, т. е. изделий, у которых один размер (толщина) значительно меньше остальных (длины и ширины), структуру изучают на шлифе, плоскость которого перпендикулярна наибольшей плоскости изделия. Однако возможна вырезка шлифов и в продольном (осевом) направлении для уточнения однородности структуры по всему объему изделия.

Место вырезки образцов и их количество определяются целями и задачами исследования. При отборе проб и заготовок, а также при изготовлении образцов должны быть предусмотрены все меры, предохраняющие образцы от нагрева и наклепа (упрочнение металла под действием пластической деформации), которые могут привести к искажению структуры и изменению свойств.

Размер и формы образцов определяются как задачей исследования, так и габаритами и конфигурацией исследуемого изделия. Обычно вырезают образцы цилиндрической или прямоугольной формы, высота которых равна 15–20 мм, а площадь изучаемой поверхности (шлифа) – 2–3 см2.

Приготовление микрошлифов состоит из нескольких последовательных процессов: подготовки плоской поверхности, шлифования и полирования. После завершения шлифования на поверхности шлифа остаются тонкие риски – следы срезания тонкой стружки с поверхности образца абразивным инструментом (рис. 2.12). Чтобы окончательно выровнять поверхность, шлиф полируют до зеркального блеска. Применяют два способа полировки шлифов – механический и электролитический.

Анализ полированного образца. После полировки до травле-

ния и определения структуры материала полученная поверхность шлифа должна быть подвергнута тщательному анализу на предмет

79

выявления трещиноподобных дефектов различного происхождения, выявления изменений, произошедших в материале под воздействием агрессивной внешней среды, и т. п.

Рис. 2.12. Поверхность образца после шлифования

На рис. 2.13 приведен ряд фотографий поверхностей нетравленых шлифов материалов после различных условий эксплуатации, приведших к разрушению оборудования.

Исследование нетравленого шлифа является обязательной процедурой, проводимой в ходе экспертизы промышленной безопасности оборудования, и позволяет в ряде случаев определить причины, приведшие к его повреждению. Кроме выявления дефектов эксплуатационного, механического или коррозионного воздействия, на нетравленых шлифах выполняют исследования по выявлению неметаллических включений в материале.

Неметаллические включения – это макро- и микрочастицы в металлах и сплавах, образующиеся в результате различных физи- ко-химических процессов, которые происходят при выплавке металла и его кристаллизации. Неметаллические включения могут быть природными и посторонними. Природные включения возникают в результате различных, в основном химических, реакций, происходящих при производстве металла. К таким включениям относятся, например, сульфиды и нитриды. Посторонние включения (частицы огнеупоров, литейной формы и др.) образуют вещества, которыми металл соприкасается в ходе производства. Эти включения вносятся обычно механическим путем.

В сталях встречаются неметаллические включения различных состава и строения. В основном это простые и сложные окислы, силикаты, сульфиды, фосфиды и нитриды, состав которых зависит от содержания в металле различных химических элементов.

80