СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ МИКРОТРЕЩИН, ОБУСЛОВЛЕННЫХ НАЛИЧИЕМ ВОДОРОДА В СТАЛИ
METHOD OF DETERMINATION OF MICROCRACKS DUE TO HYDROGEN PRESENCE IN STEEL

Изобретение относится к диагностике технического состояния стальных деталей, а именно к способам выявления микротрещин, обусловленных наличием водорода в сталях.
Повышенное содержание водорода в стали является главной причиной, вызывающей появление тонких трещин - флокенов. Флокены представляют собой распространенный дефект стали, из-за которого на металлургических заводах до недавнего времени браковалось большое количество металла, а также готовых изделий машиностроения, поскольку флокены могут явиться причиной неожиданного разрушения деталей и конструкций.
Размер флокенов зависит от концентрации водорода в стали и от ее структурного состояния: чем больше водорода, выше прочность стали и, соответственно, выше уровень внутренних напряжений, тем протяженнее хрупкие водородные трещины.
Известен способ определения необратимого водородного охрупчивания металла, включающий подготовку микрошлифа и оценку наружных и внутренних признаков разрушения по металлографическому параметру в виде трещины, притом что микрошлиф подготавливают путем разреза металла детали вдоль трещины и дополнительно осуществляют оценку по металлографическому параметру в виде округлых зон скопления водорода. Оценку наружных признаков разрушения осуществляют на микрошлифах с травлением и без травления, а внутренних признаков разрушения с травлением. Способ повышает достоверность анализа причин разрушения и направлен на профилактику преждевременных разрушений деталей и катастроф.
(Патент RU 2089623, МПК C21D 1/55, C21D 3/06, опубликован 10.09.1997 г.)
Недостатком этого способа является то, что он применим для деталей, подвергавшихся поверхностному наводораживанию, обусловливающему появление на поверхности детали признаков разрушения типа вздутий и микротрещин, соединяющих неглубоко залегающие подповерхностные дефекты.
Известен способ выявления флокенов, заключающийся в изготовлении из массивных частей деталей образцов сечением 10×15 мм и длиной ~100 мм, которые закаливают на мартенсит с температуры Ac+20-300C и затем разрушают, причем трещина развивается под предварительно нанесенным надрезом.
(ГОСТ 10243-75 Сталь. Методы испытаний и оценки макроструктуры)
Хрупкая трещина в углеродистой стали с мартенситной структурой распространяется, как правило, по границам исходного аустенитного зерна и по пакетам кристаллов, так что трещина меняет направление при переходе от зерна к зерну и от пакета к пакету. Поэтому поверхность излома при визуальном наблюдении имеет матовый вид вследствие рассеяния света на мелких фасетках.
Поверхности хрупкой трещины флокена проходят, как правило, транскристаллитно, слабо изменяя свою плоскость при переходе от зерна к зерну. Поэтому при визуальном осмотре поверхности излома флокены, хорошо отражая свет (как микрозеркало), отчетливо видны на матовом фоне основного интеркристаллитного излома.
Однако при таком методе выявления флокенов всегда есть место сомнению: не является ли предполагаемый флокен просто участком хрупкого излома по аномально крупному зерну, т.е. магистральная трещина прошла по этому участку в процессе испытания и отсутствовала до испытания, т.е. не является настоящим флокеном.
Задача настоящего изобретения состоит в создании простого и достоверного способа выявления микротрещин, обусловленных наличием водорода в стали.
Технический результат изобретения - обеспечение простого и достоверного способа выявления микротрещин - флокенов, обусловленных наличием водорода в стали.
Указанный технический результат достигается тем, что способ выявления микротрещин в виде флокенов в стали включает изготовление ударных образцов с надрезом, закалку образцов на мартенсит, их разрушение и выявление на изломе методами световой и/или сканирующей микроскопии мартенситного микрорельефа, свидетельствующего о наличии внутренних трещин, обусловленных водородной хрупкостью.
Изобретение иллюстрируется схемами и фотографиями микроструктуры, где представлены:
- на фиг.1 - микрорельеф на свободной поверхности (СП) от одиночного кристалла мартенсита в форме ступеньки (а) и от пары кристаллов в форме ребра (б) (Схема);
- на фиг.2 - характерные сопряжения (группы) кристаллов мартенсита в углеродистой стали: пакеты параллельных реек (а) и остроугольные и тупоугольные сопряжения пластин (б) (Схема);
- на фиг.3 - поверхность излома закаленного образца стали 60Г с флокеном при увеличении ×500 (а) и ×2300 (б) светового микроскопа. Выделены участки с микрорельефом от вышедших на поверхность флокена остроугольных групп мартенситных кристаллов;
- на фиг.4 - типичная картина поверхности излома закаленного на мартенсит образца стали 60Г, полученная на сканирующем электронном микроскопе. Слева - интеркристаллитный излом в мартенситной структуре, справа - раскрытая поверхность флокена, ×550;
- на фиг.5 - поверхность флокена с микрорельефом от вышедших на нее мартенситных кристаллов в образце закаленной стали 60Г. Снимок со сканирующего электронного микроскопа при увеличении ×1300 (а);
- на фиг.6 - поверхность флокена с микрорельефом от вышедших на нее мартенситных кристаллов: 1 - от остроугольного сопряжения кристаллов; 2 - от пакета параллельных кристаллов в образце закаленной стали 60Г. Снимок со сканирующего электронного микроскопа при увеличении ×2200.
Сущность способа заключается в следующем.
Образование кристалла мартенсита из аустенита сопровождается сдвиговой деформацией вдоль габитусной плоскости кристалла на относительную величину ~0,2. Если кристалл выходит на свободную поверхность, то на ней возникает характерный рельеф в форме протяженной ступеньки (фиг.1, а). Кристаллы мартенсита в сталях группируются в специфические ансамбли (фиг.1(б) и 2), и поэтому на свободной поверхности с вышедшими на нее кристаллами можно наблюдать подобный же рельеф.
Очевидно, что если свободная поверхность содержится внутри образца (детали), т.е. имеется, например, внутренняя трещина со слегка разошедшимися берегами (флокен является именно такой трещиной), то при закалке кристаллы мартенсита будут образовывать на ней специфический микрорельеф. При разрушении закаленного образца магистральная трещина при прохождении через флокен просто обнажает его поверхности, на которых сохраняется этот микрорельеф в форме специфических групп мартенситных кристаллов.
При закалке углеродистой стали формируется мартенситная структура, включающая кристаллы двух типов: реечные и пластинчатые. Реечные кристаллы группируются в пакеты, в которых кристаллы параллельны друг другу. Пластинчатые кристаллы образуют сопряжения под углом друг к другу, создавая остроугольные и тупоугольные пары (фиг.2). Доля реечных кристаллов преобладает в мало- и среднеуглеродистых сталях и уменьшается с увеличением содержания углерода свыше 0,6-0,8 вес.%.
Поскольку габитусная плоскость кристаллов мартенсита располагается относительно поверхности флокена произвольно, под разными углами к ней, то высота ступенек на поверхности может быть различной и, соответственно, различна контрастность рельефа.
Для визуализации мартенситного рельефа на поверхности флокена можно применять оптические приборы с разрешением, характерным для обычного наблюдения мартенситной микроструктуры, т.е. использовать световой и сканирующий (растровый) электронный микроскопы
Примеры реализации изобретения
Проводили исследование углеродистой стали 60Г, из которой были изготовлены ударные образцы с надрезом. Образцы закалили от температуры 860°C и провели ударные испытания.
Исследовали поверхность излома с помощью светового микроскопа при увеличении до ×500 как при прямом, так и при косом освещении. В последнем случае рельеф от мартенситных кристаллов заметнее.
Характерный снимок поверхности флокена с микрорельефом от мартенситных кристаллов показан на фиг.3.
Если закалка образцов с флокенами в углеродистой стали производится с температуры около 860°C, то размер аустенитных зерен 20-30 мкм и, соответственно, размер (длина) мартенситных кристаллов составляет 5-10 и более микрон.
Обнаружение на поверхности плоских фасеток дополнительного микрорельефа от мартенситных кристаллов однозначно доказывает, что наблюдаемые фасетки являются свободными поверхностями, образовавшимися до закалки, т.е. представляют истинные флокены.
В результате мартенситного превращения на свободной поверхности образуется микрорельеф с заметным перепадом высот, поэтому рельеф возможно наблюдать в растровом микроскопе.
Изучение излома и фотосъемки поверхности флокена с помощью растрового электронного микроскопа проводят при увеличениях от ×500 до ×2000. Сначала выбирается такое место, на котором видны два различающихся участка: типичный излом по границам зерен (межзеренная трещина по мартенситной структуре) и поверхность предполагаемого флокена. Пример такого участка излома приведен на фиг 4. Затем при большом увеличении ×1000÷×2000 на плоской фасетке выявляют и микрорельеф в виде прямых игл, образующих остроугольные и параллельные сопряжения, характерные для групп мартенситных кристаллов в углеродистой стали 60Г (фиг.5, 6). Длина игл в группах может достигать 10 и более мкм, что согласуется с размером кристаллов мартенсита, образующихся в аустенитных зернах диаметром 20-30 мкм (балл 8-7).
Сопоставляя морфологию тонких игл, их размеры и характерные сопряжения, можно однозначно идентифицировать иглы на снимках со сканирующего микроскопа как выходы мартенситных кристаллов на свободную поверхность (внутреннюю несплошность) и заключить, что несплошность существовала в металле до закалки в виде хрупкой водородной микротрещины - (флокена).
Заявленный технический результат достигается выявлением методами световой и/или сканирующей электронной микроскопии рельефа от мартенситных кристаллов на поверхности излома образца, используемого для обнаружения и идентификации флокенов.
Наличие такого рельефа однозначно доказывает, что вскрытые микротрещины существовали в исследуемой детали в исходном состоянии и образовались как флокены вследствие водородного растрескивания.