Видеоканал РЦИТ на YouTUBE


Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru


Статьи технической тематики из периодических изданий
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
ОБНАРУЖЕНИЕ КРУПНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТАЛЯХ:
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ


ОБНАРУЖЕНИЕ КРУПНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТАЛЯХ:
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ

  Настоящая работа, выполненная в университете Карлстад, Швеция, имеет целью оценку различных методов определения включений с позиции возможности прогнозирования распределения крупных включений в двух сталях. Это методы сканирования поверхности под оптическим микроскопом согласно Шведскому стандарту 11 11 16 и под растровым электронным микроскопом с применением компьютерной программы автоматизированного определения включений. Типичные для этих методов и изучаемых материалов включения находятся в диапазоне размеров от 2−3 до 25 мкм. Полученное таким образом распределение включений в плоскости трансформировали в объемное распределение стереологическим преобразованием на основе метода Салтыкова. Применили также объемное сканирование двумя методами: испытанием на усталость при высокочастотном нагружении до 109 циклов и измерением ультразвуковым методом в иммерсионной ванне.

   Для определения включений применили испытание на усталость с ультразвуковым возбуждением и числом циклов нагружения до 109 (гигацикловая усталость, GCF), измерение в ультразвуковой ванне (UIT), оптическую микроскопию (LOM) и растровую электронную микроскопию (SEM) с автоматизированным определением включений при компьютерной обработке.
   Распределение включений оценивали в двух сталях с высокими характеристиками:
   А - высокопрочная сталь, подвергнутая закалке и отпуску до 450 HV для получения высокой прочности в сочетании с высокой вязкостью;
   В - новая высокопрочная сталь после закалки и отпуска до 710 HV для достижения высокой прочности.

   Заготовки из сталей А и В в состоянии поставки подвергли горячему деформированию с относительным обжатием 75 и 50 % соответственно.

   Гигацикловая усталость. Образцы для испытания на усталость отбирали по короткой стороне в поперечном направлении, чтобы получить максимальную площадь проекции включений. Образцы подвергали станочной механической обработке и термообработке до заданной твердости, шлифованию и полированию с получением формы (рисунок).
   При такой геометрической форме образцов наиболее нагруженный объем образца оценивается равным 300 мм3. Если образец разрушался при числе циклов, меньшем чем 109, то считали, что он не прошел испытание, а следующий образец испытывали при амплитуде напряжений, пониженной на 10 МПа. Если данный образец не разрушался, то следующий испытывали при амплитуде напряжений, увеличенной на такую же величину. Испытания проводили в лабораторной атмосфере, при частоте 20 кГц, с коэффициентом асимметрии цикла R = 0,1. Амплитуду напряжений регулировали компьютером, и если резонансная частота выходила за пределы 20±0,5 кГц, испытание прекращали. Для поддержания температуры образца во время испытания на уровне температуры окружающей среды его обдували сухим сжатым воздухом.


Рисунок 1. Образец для испытания на усталость по методу ультразвукового резонанса (размеры указаны в мм)

   Поверхность разрушения всех образцов, не выдержавших испытания, изучали под растровым электронным микроскопом. Регистрировали размер, расположение и приблизительный химический состав дефектов, которые инициировали разрушение.
   Все включения оценивали по размеру, который определяли как корень квадратный из площади проекции. Всего на усталость испытали пять групп по 20 образцов из материала А и четыре группы по 20 образцов из материала В. Характеристику при ультразвуковых испытаниях использовали также в качестве одной из ранжирующих переменных.

   Ультразвуковые испытания с погружением (UIT). Ультразвуковые измерения в иммерсионной ванне провели только на образцах из материала А. Использовали зонд Krautkrämer с рабочей частотой 50 МГц, с настройкой глубины плоскости детектирования 0,25 мм и номинальным пределом обнаружения. Сканировали шлифованную полированную поверхность размером 60×100 мм на образце из мягкого отожженного материала; при эффективной глубине сканирования 0,3 мм получали эффективный объем 1800 мм3. Испытания UIT прекратили из-за слабой обнаруживаемости включений, о чем сообщают ниже.

   Микроскопия поверхности. По стандартной производственной процедуре два образца из каждой группы исследовали под оптическим микроскопом (LOM) согласно Шведскому стандарту SS 11 11 16. Согласно стандарту, включения, обнаруженные на полированной поверхности, классифицируют по размеру D и относят к одному из четырех классов крупности (табл. 1).

ТАБЛИЦА 1. КЛАССЫ КРУПНОСТИ ПО ШВЕДСКОМУ СТАНДАРТУ 11 11 16

Пределы класса крупности,
мкм
Площадь сканирования,
мм2
2,8 < D < 5,6 200
5,7 < D < 11,2 200
11,3 < D < 22,4 5000
22,5 < D 5000

Примечание. Если обнаружено менее 10 включений любого из двух классов наибольшей крупности, то образец подвергают повторному шлифованию и полированию с увеличением площади сканирования до 10000 мм2

   Определили ранжирующую переменную для содержания крупных включений и сравнили результаты с пределом (ограниченной) выносливости при 109 циклах.
   Кроме того полированные поверхности изучали под растровым электронным микроскопом (SEM) с автоматическим определением включений и системой измерений.
   По частоте включений на полированной поверхности оценивали их распределение в объеме путем стереологического преобразования. В настоящей работе объемную плотность рассчитывали аппроксимацией накопленной поверхностной плотности с гладкой функцией и применением описанного ниже метода расчета плотности для нескольких размеров.
   Накопленная поверхностная плотность NA(D) рассчитывается по данным событий в проведенных измерениях путем подбора к нескольким включениям аппроксимирующей функции в форме:

NA(D) = Cexp(−k√D).

   Экспоненциальная зависимость с корнем квадратным от размера выбрана для достижения лучшего согласования с опытными данными, чем это возможно при использовании простого экспоненциального соотношения.
   Пример дефекта, вызывающего усталостное разрушение, показан на рис. 2; это строчечное включение, обнаруженное на поверхности разрушения образца из группы А-1.

   Ультразвуковое (UIT) испытание материала А выявило очень малое количество крупных включений, их плотность оказалась приблизительно на два порядка ниже, чем при электронной и оптической микроскопии. В отношении материалов, изучаемых в настоящей работе, слабое обнаружение включений методом UIT можно объяснить тем, что материал не был подвергнут достаточному обжатию при горячей обработке давлением. Еще одним объяснением может быть то, что включения состоят из чистых сульфидов или сульфидов, окруженных твердыми оксидами, или присутствием строчечных включений оксидов/сульфидов с присутствием или отсутствием контакта между отдельными зернами в составе макровключения.
   Ранжирующие переменные по результатам оптической микроскопии и фрактографии демонстрируют некоторую корреляцию с пределом выносливости при 109 циклах.
   Для получения надежных результатов при анализе методами сканирования поверхности важно выделить поверхность достаточно больших размеров, чтобы гарантировать достоверное количество включений самых крупных классов.
   Если при испытании на гигацикловую усталость образцы содержат дефекты, отличные от неметаллических включений, предел выносливости может оказаться более низким, чем ожидаемый на основе измерений под оптическим и электронным микроскопом.

 Новости черной металлургии за рубежом (04.2010)


Статья "Обнаружение крупных включений в сталях: Методы оценки"
Журнал "Новости черной металлургии за рубежом" (04.2010)