Макроанализ изломов стали

Излом стали

Одним из основных и распространённых видов макроструктурного анализа является изучение характера излома сталей. Значение вида излома признано практикой для оценки качества металлов и сплавов, несмотря на его неколичественный характер.

Макроскопический метод изучения изломов прост и доступен. Объектом исследования является естественная поверхность разрушения образца или детали, не требующая специальной обработки. Для контроля качества металла по излому образец надрезают и разрушают ударной нагрузкой по месту надреза.

Вид излома был основным методом оценки изменений структуры в работах Д.К. Чернова, положивших начало учению о термической обработке стали в 1868 г.

Очень действенной оценкой качества металлов и сплавов остается вид излома в настоящее время. По виду излома можно судить о строении металла, его прочности и пластичности.

Вид излома отражает механизм разрушения материала и позволяет оценить его сопротивление распространению трещин.

Изучение изломов в 60-х годах позволило академику Садальскому разработать теорию наследственности стали.

Изломы разделяются на вязкие, их ещё называют волокнистые, и хрупкие (кристаллические).

Волокнистый излом стали свидетельствует о вязком характере разрушения, т.е. о высоких характеристиках пластических свойств. Так незакаленная сталь должна иметь вязкий излом. Перед разрушением происходит пластическая деформация.

По кристаллическому излому можно оценить величину зерна стали и качественно оценить ее прочность. Такой вид излома характерен для закаленного состояния. Разрушение происходит без заметной пластической деформации.

Кристаллические изломы подразделяются на межкристаллические, когда разрушение идёт по границам зерен, и на транскристаллические, когда разрушение идет по зерну.

Излом нормально закаленной конструкционной стали должен быть транскристаллическим.

Межкристаллические изломы стали обычно свидетельствуют об ослаблении границ зёрен в результате неправильной термической обработки (перегрев, пережог) или недопустимой ликвации некоторых элементов (фосфор, сера и др.).

После закалки и низкого отпуска оценивают температуру нагрева под закалку по величине зерна кристаллического излома.

В конструкционных легированных сталях после закалки и отпуска блестящий межкристаллитный излом свидетельствует о развитии отпускной хрупкости.

Блестящий транскристаллический излом в закалённых и низкоотпущенных сталях свидетельствует о присутствии в структуре бейнита, продукта промежуточного распада аустенита, получающегося при недостаточной скорости охлаждения.

В быстрорежущих сталях после повторной закалки без промежуточного отжига обнаруживается нафталинистый излом. Это транскристалличиский излом с избирательным блеском отдельных фасеток излома. Нафталинистый излом является результатом ориентированного кристаллографически упорядоченного превращения α —> γ, то есть при нагреве в этих сталях идет превращение, обратное мартенситному. Зерна аустенита не растут из зародышей, а происходит восстановление того аустенистого зерна, которое было до закалки. Иголки мартенсита переходят в аустенит с той кристаллографической ориентацией, как и остаточный аустенит.

Межкристаллический излом в литой термически обработанной стали может свидетельствовать о высоком содержании в ней азота и алюминия.

Шиферный излом образуется вследствие загрязненности деформированной стали неметаллическими включениями и полосчатости, связанной с дендритной ликвацией примесей и легирующих элементов. Имеет древовидный продольный излом, характеризующийся грубоволокнистым строением с обрывами групп волокон. На продольных макрошлифах при травлении реактивом Обергоффера наблюдается полосчатость. Наиболее резко шиферность выявляется после закалки с отпуском.

Камневидный излом в деформированных сталях обусловлен образованием на границах крупных зерен аустенита пленок сульфидов железа и марганца (с преобладанием сульфидов железа) и нитридов алюминия, сохраняющихся после охлаждения и последующей термической обработки, излом имеет матовый оттенок. Наблюдается после высокотемпературного нагрева (> 1250 °С) деформированного металла. Различают первичный камневидный излом, наблюдаемый непосредственно после перегрева и охлаждения, и устойчивый, невидный излом, наблюдаемый после перегрева и последующей термической обработки.

Для предупреждения дефекта следует использовать оптимальные температуры нагрева перед деформацией. Снижение склонности к камневидному излому достигается введением малых добавок титана и РЗМ (редкоземельный металл).

Черный излом связан с присутствием выделений графита в структуре высокоуглеродистых и легированных кремнием сталей, имеет темно-серую или черную окраску. Образованию дефекта способствует низкая температура конца горячей деформации, холодная деформация с последующим отпуском или отжигом, значительные добавки алюминия для раскисления.

При анализе излома можно обнаружить дефекты, которые не выявляются при анализе макроструктуры на темплетах. Так, грубые поры — пузыри в изломе вдоль волокна — имеют вид полос с некристаллическим строением. Грубая пятнистая ликвация в изломе имеет вид темных полосок, кристаллическое строение которых отличается по виду от кристаллического строения основного металла. Флокены в изломе имеют вид светлых округлых пятен с кристаллической поверхностью серебристого или светлого оттенка, а на поперечном макрошлифе флокены имеют вид трещин. При температурах ниже 200 °С из твердого раствора выделяется водород. Это создает в стали большие внутренние напряжения, которые приводят к образованию трещин — флокенов. Если в слитке были трещины, которые не заварились при деформации, то в изломе будут расслоения — узкие или широкие полосы с некристаллическим строением.

Если при кристаллизации металла по границам кристаллитов произошло отложение неметаллических включений, то в изломе будут видны межкристаллитные прослойки (сколы). Сколы имеют вид светлых участков различной формы и размеров, поверхность их имеет кристаллическое мелкозернистое строение. Этот же дефект может иметь вид слоистого излома, в котором происходит чередование полос с мелкозернистым и обычным строением металла.

Макроанализ излома стали позволяет с достаточной для практических целей точностью выявить глубину закаленного и цементованного слоев. Для этого контролируемые образцы подвергают закалке (без перегрева), надрезают и ломают. Закаленные и цементованные слои матовые и имеют более мелкое кристаллическое строение, чем заметно отличаются от вида излома сердцевины. Отличить закаленный или цементованный слой от металла сердцевины можно и по цвету. Для этого ломаный образец нагревают до температуры 300-350 °С. После этого поверхностный слой имеет темно-синий цвет, а сердцевина -светло-синий.

При оценке видов излома необходимо учитывать условия разрушения образцов, так как вид излома зависит от температуры испытания, от условий приложения нагрузки (ударная или статическая).

В связи с имеющейся четкой связью между изломом и структурой металла вполне понятна необходимость получения наибольшей информации при изучении поверхности излома. Их изучают при визуальном осмотре, при небольших увеличениях под бинокулярными микроскопами (до х 60) и при электронно-металлографическом исследовании, при больших увеличениях от х 2000 до 60000. К сожалению, при увеличениях, принятых в оптических металлографических микроскопах, изломы нельзя рассмотреть из-за малой глубины резкости световой оптики.

Следует отметить, что вид излома определяется непосредственным наблюдением, тогда как остальные особенности макростроения — на макрошлифах.