СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ БЕЙНИТА В СТАЛИ
METHOD OF DETECTING BAINITE IN STEEL

Изобретение относится к металлографическим исследованиям структурных составляющих стали преимущественно бейнитного класса.
Оно может быть использовано для выявления и идентифицирования нижнего-игольчатого бейнита, преимущественно бескарбидного бейнита, в сложных структурах среднеуглеродистой стали системы легирования типа Х2Г2С2МФ представляющей собой экономнолегированную высокопрочную сталь третьего поколения, относящуюся к перспективной конструкционной стали, используемой в нефтегазовой промышленности и как рельсовая сталь.
2
2
5
Известен способ выявления бейнита [Hairer F. Etching techniques for the microstructural characterization of complex phase steels by light microscopy / F. Hairer,  C. Krempaszky, E. Werner, T. Hebesberger, A. Pichler // international doctoral seminar, Smolenice, SK. 2008. P. 50-54], заключающийся в последовательном травлении несколькими травителями с получением цветных изображений каждой составляющей исследуемых сталей на поверхности шлифа после электротравления. После травления проводят анализ выявленных структурных составляющих на основании различия в окрашивании, в цвете. При этом одним из травителей, используемых при травлении с выявлением бейнита, является состав LePera (к 50 мл 1%-го водного раствора NaSO добавляют 50 мл 4%-го спиртового раствора пикриновой кислоты). После травления область микроструктуры бейнита окрашивается в темно-коричневый цвет. Травление проводят на низкоуглеродистых высокопрочных автомобильных сталях типа 10ХГ2. Изображение структурных составляющих стали после травления фиксируют и исследуют на оптическом (световом) микроскопе. Идентификацию всех
существующих составляющих в стали осуществляют по разнице в цвете каждой составляющей.
Недостатками способа являются невозможность четко идентифицировать бейнит (как и другие составляющие), тем более после изотермической выдержки стали со сложной организацией структуры - игольчатого бейнита. Тем более выявить α- и γ-фазы в субструктуре игольчатого бейнита после изотермических выдержек без учета особенностей взаимодействия структурных и фазовых составляющих с травителями. Способ функционально ограничен, используется светлое поле оптического микроскопа с выявлением наличия бейнита вообще в стали и только по разнице в цвете. Поскольку нет информации об оптимизации режима травления, который позволил бы сопоставлять изображения и осуществлять первичный контроль качества, а в дальнейшем и количества сравниваемых сталей, то способ не может быть реализован в этом направлении, особенно для игольчатого бейнита в сталях типа Х2Г2С2МФ с мелкоигольчатой морфологией.
Известен способ выявления бейнита в сталях [George Vander Voort. Identifying isothermally-transformed steel microstructural constituents / George Vander Voort // Tech notes. 2015. V. 5, №4. P. 1-5.], заключающийся в том, что для исследования используют легированные стали с различным содержанием углерода (20ХГНМ, 38ХМА, 50ХГА) после изотермической выдержки при закалке. Основным фактором, влияющим на количество фаз и составляющих, которые подвергают травлению в трех травителях (2% нитале, 4% пикриновой кислоте, 10% метабисульфите натрия в воде), погружая образец, подготовленный предварительным шлифованием и полировкой исследуемой поверхности, в раствор на 10-15 секунд. При этом, после травления в 4% пикриновой кислоте отлично выявляются цементит в ферритных сталях, феррито-цементитная структура, перлит и, в том числе, бейнит. Травлением в 10% водном растворе метабисульфита натрия выявляют структурные составляющие многих составов сталей, окрашивая
эти составляющие в очень плохо различимые цвета, которые усиливают с помощью частично пересеченного поляризованного света и чувствительной тонировочной пластиной. Травление пикриновой кислотой выявляет нижний бейнит только как одну из структурных составляющих стали, но если он различим визуально, т.е. крупноигольчатый бейнит.
Недостатками способа являются:
- нижней-игольчатой морфологии бейнит выявляют 4% пикриновой кислотой неизвестно в каком растворе - воде или спирте (а если в спирте, то какой процент спирта и какой воды), что важно при получении четкого изображения, и травление производят, не управляя процессом во времени. Выявляют области, где размещен бейнит, т.е. общую картинку и одну из составляющих структур - бейнит, но если он «различим визуально», т.е. мелкоигольчатый бейнит не выявляют, ограничивая диапазон исследования выявления и идентификации бейнита верхним пределом температуры формирования нижнего бейнита (375°С) и не реализуется в пределах 300-250°С изотермической выдержки. Тем более неизвестен эффект выявления нижнего бейнита ниже Мн. Травление проводят сложно, в пределах поиска какой травитель и какие составляющие структуры в стали он выявляет четко. После 4% пикриновой кислоты травят в 10% водном растворе метабисульфита натрия для получения цветного изображения и просмотра его в поляризованном свете для усиления картины цветного изображения крупных игл бейнита;
- выявление нижнего бейнита ограничено получением цветного изображения как структурной составляющей без выявления α- и γ-фаз и субструктуры, что снижает качество информации о состоянии фаз относительно друг друга в стали после изотермической выдержки; отсутствие сведений об α- и γ-фазах нижнего бейнита и об ориентировке субструктур игл бейнита не позволяет провести предварительную оценку механических свойств сложноструктурированных составов;
Н
Н
- в способе используется поляризованный свет только для усиления цвета при использовании в нем чувствительной тонировочной пластины после просмотра в светлом поле оптического микроскопа слабо выявленной в травителе структурной составляющей - нижнего бейнита, что не способствует выявлению α- и γ-фаз игольчатого нижнего бейнита и более тонкой структуры - субструктуры игл в высокопрочных сталях со средним содержанием углерода, относящимся к экономнолегированным, перспективным, со смешанным, плохо идентифицируемым составом структурных составляющих после изотермической выдержки. Особенно в области, близкой к температуре начала мартенситного превращения (М) или ниже М.
2
2
5
2
2
5
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является [Способ исследования структуры трубных сталей пат. №2449055, МПК C23F 1/28 от 18.10.2010]. Способ включает взаимодействие образца стали с водным раствором сульфосолей (10% NaSO и KSO), последующие промывку и просушку образца, и выявление областей бейнита с помощью оптического микроскопа. При этом после нанесения на поверхность образца водного раствора сульфосолей удаляют пленку. При этом при травлении использовали механическое воздействие на поверхность образца ватным тампоном с целью убрать образующуюся в ходе травления пленку, проводили промывку поверхности, которая не содержала окисную пленку. Высушивают исследуемую поверхность в потоке горячего воздуха для сохранения поверхности без пленки. Для идентификации и проведения измерений используют отдельно от оптического микроскопа автоматический анализатор изображения, т.е. отдельную программу, что усложняет способ и не гарантирует качество изображения, и следовательно, пользуются тем качеством, которое получено при травлении. Выявление бейнитных областей проводят с помощью поляризованного света оптического микроскопа, после чего фиксируют полученные изображения образца и
количественно определяют параметры выявленных областей бейнита реечной морфологии.
Недостатками способа являются:
- функциональное ограничение в выявлении бейнита - только верхнего бейнита и только реечной морфологии;
- выявление бейнита ограничено трубными горячедеформируемыми сталями типа Х70 и нереализуемостью выявления игольчатого нижнего бейнита с реечной субструктурой, состоящей из α- и γ-фаз, в перспективных сталях третьего поколения типа Х2Г2С2МФ, имеющих сложную структуру;
- для распознавания (идентификации) структуры исследуемой стали используют отдельно взятые комплектующие, что усложняет способ, так как не всегда есть возможность их иметь в совокупности с оптическим микроскопом;
- выявляют только область бейнита без детализации по фазам;
- выявляют области бейнита после удаления цветной окисной пленки, что делает состав травителя и его эффект окрашивания невостребованным в выявлении, в идентификации составляющих при исследовании сталей типа Х2Г2С2МФ с более сложной структурой;
- выявляют только область верхнего бейнита по наличию серого цвета этих областей по сравнению с темным фоном всего остального с использованием автоматического анализатора изображения, оснащенного камерой высокого разрешения, и поляризованного света в оптическом микроскопе - для предварительного фиксирования этих серых областей, что значительно усложняет выявление и сужает исследование, минимизирует информацию о фазовом состоянии бейнита после термической обработки. Тем более, после изотермической выдержки стали со сложной структуры.
Технический результат направлен на получение полной информации о нижнем бейните, сформированного в процессе изотермической выдержки, в
сталях системы легирования Х2Г2С2МФ с трудноразличимыми структурами во всем диапазоне формирования.
ИЗО
Задачей изобретения является получение полной информации о бейните игольчатой морфологии (нижнем бейните во всем диапазоне формирования его при изотермических выдержках (Т=375-200°С)) в сталях системы легирования Х2Г2С2МФ, относящихся к системам с трудноразделимыми составляющими и фазами при выявлении и их идентификации с использованием оптического микроскопа.
2
2
5
2
2
5
Техническое решение достигается тем, что способ выявления бейнита в сталях, заключающийся в подготовке поверхности исследуемого образца к травлению, химическом травлении исследуемой поверхности в травителе, содержащем водный раствор сульфосоли NaSO, с образованием окисной пленки при травлении, промывке в проточной воде и сушке в потоке воздуха, выявлении областей бейнита с помощью оптического микроскопа, идентификации изображения с использованием анализатора, фиксировании и съемке с использованием оптики высокого разрешения, согласно изобретению исследуют, преимущественно, бейнитные стали системы легирования Х2Г2С2МФ после формирования нижнего-игольчатой морфологии бейнита при изотермической выдержке в процессе закалки, при травлении используют травитель состава LePera (50 мл 1% водного раствора NaSO и 50 мл 4% пикриновой кислоты в этиловом спирте), при этом используют этиловый спирт не менее 95%, при этом окисную пленку сохраняют на поверхности травления в процессе промывки и высушивания исследуемой поверхности, контролируя и оптимизируя время выявления четкого изображения областей размещения игл бейнита и выявления α- и γ-фаз - субструктуры бейнита, а затем идентифицируют изображения по разнице в цвете и затем фиксируют полученные цветные изображения в светлом поле оптического микроскопа с использованием высокого разрешения, затем идентифицируют α- и γ-фазы в областях размещения на
травленной поверхности игольчатого бейнита, используя поляризованный свет, прошедший через кристалл-анализатор в этом же оптическом микроскопе, в виде светящегося изображения α-фазы и темного изображения γ-фазы, фиксируют изображение фаз и проводят съемку.
2
2
5
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что заявляемый способ обладает новизной используемых материалов в качестве исследования, последовательностью операций по выявлению бейнита и используемого состава травителя, имеет существенные отличия в решении задачи и функциональных возможностей комбинаций исследования по выявлению и идентификации плохо изученного на этом уровне нижнего бескарбидного бейнита, имеет промышленную применимость, так как способ использует существующие устройства и известный состав травителя в исследовании перспективных сталей, относящихся к экономнолегированным высокопрочным системы легирования Х2Г2С2МФ, которые имеют после изотермической выдержки сложноидентифицируемые структурные составляющие и еще более сложно выявляемые и выделяемые α- и γ-фазы игольчатого бейнита, образующихся при изотермической выдержке, в оптическом микроскопе в светлом поле и поляризованном свете, особенно γ-фаза. Комбинированный подход выявления и идентификации бейнита: в начале травление в выбранном-известном травителе с получением цветной пленки, которую сохраняют на протяжении всего периода исследования, но контролируют и оптимизируют время ее появления. Это является важнейшим процессом, который позволил решить сложнейшую задачу по выявлению и идентификации нижнего бейнита и расширил возможности исследования. Травление в известном составе LePera, содержащем 50 мл 1%-ого водного раствора NaSO и 50 мл 4%-ого раствора пикриновой кислоты в этиловом спирте, - результат длительного подбора травителя для среднеуглеродистой стали, способного четко выявить игольчатый нижний бейнит после изотермической выдержки.
Н
Результат показал, что неожиданно травление возможно с получением цветного изображения структурных составляющих, в том числе и нижнего бейнита, но при этом с соблюдением того, что пикриновую кислоту растворяют в этиловом спирте не ниже 95%. Меньшая концентрация этилового спирта ухудшает растворимость ее и, вероятно, уменьшает возможность влиять на процесс. Цветное травление позволило выявить четко иглы бейнита и наблюдать их в светлом поле оптического микроскопа при различных увеличениях и впервые обнаружить субструктуру игл (α- и γ-фазы), что ускорило процесс исследования морфологических особенностей нижнего бейнита более детально, не ограничиваясь областями нахождения бейнита на поверхности образца (как в прототипе), и что позволило после цветного травления и сохранения цвета на иглах бейнита зафиксировать изображение четко и провести съемку его для повышения предварительной информации о качестве изображения как общей структуры игл, так и субструктуры нижнего бейнита во всем диапазоне исследований формирования бейнита при изотермической выдержке, так и по количеству углерода в сталях в светлом поле оптического микроскопа. Также для того, чтобы, выбрав участок (участки) на травленой поверхности с иглами, провести в этой части исследования по идентификации α- и γ-фаз в игле и их расположении относительно друг друга в поляризованном свете. При этом, при пропускании поляризованного света в оптическом микроскопе через кристалл-анализатор в этом микроскопе впервые обнаружено, что α-фаза светится, тогда как γ-фаза остается темной, что упрощает процесс идентификации, дает полноту информации о фазах и их состоянии. Такой эффект свечения α-фазы позволил впервые обнаружить, зафиксировать и провести съемку игольчатого бейнита в оптическом микроскопе после изотермической выдержки ниже М. Вероятно, появление эффекта свечения возможно объяснить наличием в исследуемых сталях повышенного количества кремния, как оптически активного компонента, напряжения, кристаллографической особенностью.
Способ осуществляется следующим образом.
АУСТ
2
2
5
Для исследования используют пруток диаметром 22-23 мм стали системного легирования Х2Г2С2МФ и содержания углерода в пределах 0,40-0,50%. Из прутка вырезают образец в виде цилиндра длиной 10 мм, диаметром 3-3,5 мм. Проводят изотермическую обработку на высокоскоростном закалочном дилатометре по следующему режиму: нагревают со скоростью 1,5°С/с до температуры аустенитизации Т=1000°С, выдерживают 15 минут, охлаждают до температуры выдержки со скоростью 1,5°С/с, выдержка в области бейнитного превращения, охлаждение со скоростью 1,5°С/с до комнатной температуры. Стали имеют сложно выявляемую и сложно идентифицируемую структуру. Ранее, многочисленные попытки разделения составляющих привели только к выявлению на оптическом микроскопе в основном областей нижнего бейнита. Найден и используют готовый травитель, способный четко выявить структурные составляющие химическим травлением при комнатной температуре. Им оказался известный травитель LePera, который содержит 50 мл 1%-ого водного раствора NaSO и 50 мл 4%-ого раствора пикриновой кислоты. При этом пикриновую кислоту растворяют в спите, содержащем минимальное количество воды (95-99%), что позволяет улучшить качество цветного изображения в процессе травления структурных составляющих и в светлом поле оптического микроскопа выявить разницу в цвете иглы бейнита, т.е. выявить четко фазы в игле нижнего бейнита по разнице их в цвете.
Травление проводят после подготовки торцевой поверхности исследуемого образца путем шлифования и полирования поверхности. Для этого погружают образец в травитель на оптимальное время, при котором появляется четкое цветное изображение структурных составляющих. Перетравливание приводит к сильному потемнению цветов и усложняет разделение составляющих между собой: мартенсит и бейнит при перетравливании сложно различить. Для получения качественного
Н
Н
изображения выявленных структурных составляющих и субструктуры бейнита после травления образец осторожно, исключая механическое воздействие на исследуемую поверхность, промывают под струей воды. Высушивают струей теплого воздуха. Затем выявленное травлением изображение фиксируют в светлом поле оптического микроскопа Olympus GX-51 и проводят съемку при разных увеличениях для получения полной информации по форме и разнице в цвете: мартенситные иглы - светлокоричневый цвет; игольчатый нижний бейнит - синий цвет, при этом α-фаза в игле - синий цвет, а γ-фаза в игле - светлая; аустенит остается светлым. Затем проводят идентификацию фаз бейнита в поляризованном свете. Для этого выделяют для идентификации области, при фиксировании изображения в светлом поле, размещения игл нижнего бейнита в этом же оптическом микроскопе в поляризованном свете, пропуская свет через кристалл-анализатор [Методы исследования неметаллических материалов. Том III / Под редакцией Б.И. Паншина, Б.В. Перова и М.Я. Шарова. - М: Машиностроение. 1973. С. 284]. При этом обнаруживают, что одна из фаз светится. Оказалась, что это α-фаза, а вторая остается темной. Оказалась, что это γ-фаза. Таким образом, сочетание оптимально подобранных компонентов в травителе, светлое поле, цветное травление и свечение α-фазы в поляризованном свете дает полную информацию о наличии как структурных составляющих, так и фаз, облегчающих в дальнейшем исследования, и получения более достоверных количественных данных. Особенно о нижнем бейните, сформировавшегося вбили к М и впервые выявленным ниже М.
α- и γ-фазы размещены в игле параллельно друг другу. Съемку изображений проводят при увеличении в 1000 раз (×1000). Время травления для исследуемых образцов оптимизированно - 30 сек. Крупноигольчатый бейнит можно выявить при увеличении в 600 раз (идентифицировать при увеличении в 1000 раз), а мелкоигольчатый - в 1000-1500 раз, и выявить, и идентифицировать (фиг. 1 и 2 и фиг.3-6 соответственно).
В светлом поле оптического микроскопа после травления и выявления структурных составляющих стали в цвете, выявляют изображение в цвете игл нижнего бейнита: области размещения, выявляют иглы (по цвету), α- и γ-фазы в игле (по разнице в цвете).
ИЗО
Так, исследуя структурное состояние стали 44Х2Г2С2МФ после изотермической выдержки Т=375°С в светлом поле оптического микроскопа четко в цвете выявляется общая картина составляющих стали: мартенсита, игольчатого бейнита, аустенита (по светло-коричневому цвету, синему цвету и светлому изображению соответственно) (фиг. 1). И идентифицируются α- и γ-фазы в иглах бейнита: синий цвет - альфа-фаза, светлый цвет пластин. Увеличение в 1000 раз. Затем идентифицируется в иглах α- и γ-фаз в поляризованном свете, т.к. пластины α- и γ-фаз более четко обнаруживают в нем независимо от размера игл (фиг. 2). К тому же, в поляризированном свете обнаруживается, что α-фаза как бы светится и представляется при съемке в виде светлых пластин, а между ними размещены темные пластины γ-фазы.
ИЗО
ИЗО
Исследуя структурное состояние стали 44Х2Г2С2МФ после изотермической выдержки Т=250°С в том же порядке, что и ранее, получаем в светлом поле изображение в цвете (фиг. 3), а в поляризированном свете: α-светлые участки (в черно-белом изображении) и как бы светящиеся пластины - визуально (фиг. 4). γ-фаза также размещена параллельно пластинам α-фазы и визуально, и при увеличении в 1000 раз видна как темные пластины. Тот же эффект выявляется и при Т=200°С (т.е. ниже Мн и обнаруженный благодаря заявленному способу). При этом в светлом поле выявляют мелкоигольчатый бейнит синего цвета (фиг. 5), а в поляризованном свете также четко идентифицируется α-фаза - светящее (светлое) изображение, а γ-фаза - темные пластины (фиг. 6) между пластинами α-фазы.
Заявляемый способ имеет следующие преимущества:
способ четко выявляет и идентифицирует нижний игольчатый бейнит в сложноструктурированных системах легированных сталей;
способ, используя и светлое поле и поляризованный свет, пропущенный через кристалл-анализатор оптического микроскопа, позволяет получить всю информацию о состоянии нижнего бейнита: область, где он сосредоточен в стали, α- и γ-фазы - их наличие и соотношение в бейните, что важно для установления доли фаз в иглах (хрупкой и пластичной составляющих), определения степени надежности стали относительно области и режима эксплуатации ее;
способ расширяет функциональные возможности и травления, и выявления, и идентификации с выявлением субструктуры и появлением свечения α-фазы при использовании поляризованного света пропущенного через кристалл-анализатор;
способ позволяет, используя известный состав травителя найти усиливающий эффект окрашивания нижнего бейнита при химическом травлении, что упростило процесс выявления игл и субструктуры в цвете, что позволяет уже в светлом поле оптического микроскопа зафиксировать этот эффект;
выявление способом α- и γ-фаз нижнего бейнита - субструктуры игл, имеет предопределяющее значение для формирования эксплуатационных свойств высокопрочных сталей со сложной структурой, таких как экономнолегированных сталей, имеющие сложноразделяемый набор структурных составляющих;
способ позволил обнаружить то, что не удавалось ранее - игольчатый бейнит ниже температуры начала мартенситного превращения;
способ позволяет осуществить предварительный контроль качества стали по наличию всей информации о структурных составляющих по цвету, их четкому выявлению и свечению α-фазы, отвечающей за прочность стали, и γ-фазы, отвечающей за пластичность стали.