Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Остановимся на некоторых методах исследования структуры, которые полезны при разработке современных высокопрочных сталей. По крайней мере с 1967 г. предпринимались попытки связать свойства бейнита с его микроструктурой, с использованием электронной микроскопии. При ускоренном охлаждении в структуре обычно наблюдается смесь квазиполигонального феррита, зернистого и верхнего бейнита, нижнего бейнита. Эти структуры по-разному выглядят при исследовании с помощью оптического микроскопа, но это мало помогает в понимании связей «структура-свойства», поэтому структура должна изучаться с применением электронной микроскопии.
Наиболее эффективный метод — просвечивающая электронная микроскопия тонких фольг. Однако с момента появления этой очень сложной задачи удалось получить в основном качественные оценки. За последние десятилетия для исследования бейнита были успешно использованы сканирующий электронный микроскоп с полевой эмиссией с использованием методики EBSD (Electron Backscatter Diffraction). Высокое разрешение, микротекстура, разориентировка границ и анализ изображений были добавлены к обычно используемым представлениям о размере и визуальном отображении для описания структуры. Основной задачей этих работ было определить размер эффективного зерна феррита или другие характеристики структуры, которые могут объяснить высокую прочность и вязкость этих сталей.
Картины микродифракции отраженных электронов содержат информацию об ориентации кристаллов, помогают в идентификации фаз с разной кристаллической структурой, а также способны давать информацию о локальных механических напряжениях. Все современные области применения этого метода связаны с использованием выше упомянутой информации. В комбинации с другими возможностями сканирующего электронного микроскопа это дает уникальную информацию об исследуемом образце. Картины микродифракции отраженных электронов формируются тогда, когда пучок электронов микроскопа падает на расположенную под углом 70° поверхность исследуемого образца. Визуально наблюдаемая дифракционная картина (рис. 6.60, а) формируется на помещенном в камеру микроскопа люминесцентном экране, она проявляется в виде тонких полос, называемых линиями Кикучи. Каждая из этих линий соответствует определенной группе кристаллических плоскостей. Результирующие картины EBSD состоят из множества линий Кикучи. С помощью специальных компьютерных программ автоматически определяется положение каждой из линий, производится сравнение с теоретическими данными о соответствующей кристаллической фазе и быстро вычисляется трехмерная кристаллографическая ориентация. Обработка и анализ картин микродифракции в реальном времени осуществляется с помощью специальной программы, полностью совместимой с графическим интерфейсом микроаналитической системы, позволяет извлечь кристаллографическую информацию из первичных снимков и обработать ее количественно. С ее помощью можно, в частности, получать диаграммы и карты ориентации кристаллов поликристаллических материалов, где ориентация определенных кристаллографических направлений кодируется цветом (см. рис. 6.60, б), получать гистограммы размера кристаллических зерен, строить полюсные фигуры (см. рис. 6.60, в) и др.
Еще один способ охарактеризовать сложную микроструктуру после термомеханической прокатки и ускоренного охлаждения и попытаться количественно разделить структурные составляющие, это способ с использованием анализа изображений системы EBSD-IQ (Electron Backscatter Diffraction — Image Quality) — метод, который стал недавно использоваться для анализа микроструктуры современных сталей. Так как и элементы, образующие твердый раствор (С и N), и дислокации, а также выделяющиеся фазы могут участвовать в деформации решетки, методика EBSD-IQ для понимания формирования прочности бейнита и мартенсита становится весьма перспективной. По методике EBSD-IQ, как только влияние поверхности образца и стабильности луча исключается, форма конечных дифракционных пиков, получаемых от линий Кикучи, измеряется, преобразуется и количественно оценивается.
Недавняя работа, использующая методику EBSD-IQ, показала, что многофазные микроструктуры могут быть охарактеризованы и количественно измерены с использованием этого метода. Данные EBSD-IQ первично обрабатываются и затем графически отображаются с использованием программного продукта Multi-Peak Software. Итоговые графики показывают спектр из нескольких пиков, где высота пика пропорциональна объемной доле структурных составляющих, а положение на оси абсцисс связано с уровнем искажения решетки (рис. 6.61 и 6.62). Методику EBSD-IQ можно представить следующим образом: разориентировка — картирование — гистограмма разориентировок, IQ — характеристика качества решетки (отсекаются качество луча и качество поверхности), т.е. имеется возможность получения информации о совершенстве решетки. Далее получается спектр, который разделяется на пять составляющих.
Методы исследования материалов посредством локального нагружения принято условно разделять на макро-, микро- и наноиндентирование (НИ), ориентируясь, в основном, на характерные размеры области испытания. Границы между ними весьма условны. Стандарт ISO 14577 выделяет в подобных испытаниях три диапазона:
— макро: P — (2-30 000) Н;
— микро: P ≤ 2Н; h ≥ 20 нм;
— нано: h ≤ 20 нм,
где P — сила вдавливания индентора, h — глубина отпечатка.
Приведенные критерии весьма формальны, поскольку не имеют каких-либо принципиальных оснований. С физической точки зрения НИ можно отнести к такой ситуации, когда отклик на локальную нагрузку обусловлен небольшой пластической деформацией на фоне большой упругой.
Рост нагрузки вызывает значительную пластическую деформацию, искажающую поле упругих напряжений под индентором. В этом случае необходим одновременный учет и упругой, и пластической деформации под контактной площадкой, поскольку их вклад в общую деформацию становится сопоставимым. Обычно это соответствует глубине погружения индентора 0,1-10 мкм. Подобные испытания называют микроиндентированием, хотя они могут быть выполнены с помощью большинства наноиндентометров.
При P ≥ 1 H и h ≥ 10 мкм возникает макроотпечаток в поперечнике порядка 1 мм, который анализируют традиционными методами.
Современный просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) является одним из наиболее дорогостоящих типов научного оборудования. При этом объем исследованного материала за все время существования метода не превысил 1 мм3. Несмотря на это, ПЭМ является наиболее эффективным методом структурных исследований материалов . Прогресс последних лет в исследованиях связан не только с разработкой новых микроскопов, таких как микроскопы с автоэлектронной эмиссионной пушкой, но и новых методов приготовления тонких фольг и компьютерного моделирования изображений высокого разрешения. Общий вид современного электронного микроскопа приведен на рис. 6.63. Основные технические параметры такого микроскопа: ускоряющее напряжение до 300 кВ; разрешение по точкам — 0,17 нм; разрешение по линиям — 0,1 нм; диапазон увеличений от х50 до х1 500 000.
Возможности метода значительно расширяются с использованием аналитической электронной микроскопии, объединяющей уникальные возможности изображения высокого разрешения и химического анализа (рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии и спектроскопии энергетических потерь электронов) с локальностью 1 нм.
Современный просвечивающий микроскоп способен объединять работу множества дополнительных устройств, таких как высокочувствительное сканирование электронным пучком (STEM), система анализа потерь энергий электронов (EELS), энергодисперсионный спектрометр рентгеновского излучения, система анализа дифракции нанопучка (NBD), обеспечивающих простой способ сбора целого комплекса данных. Все функции основного блока, включая управление инструментарием и отображением информации — автоматизированы, что значительно повышает удобство использования.
Система построения трехмерных изображений — система томографии. Она последовательно, слой за слоем снимает изображения объемного образца, а затем, с помощью компьютерной программы воссоздает трехмерное изображение, с возможностью обзора с разных сторон.
При металлографических исследованиях стали можно выделить две проблемные области.
1. Выявление границ исходных аустенитных зерен требует заметных усилий и исследований, зависящих от химического состава, термообработки и других часто неизвестных факторов. В принципе различают два основных метода для выявления границ аустенитных зерен:
— прямое наблюдение аустенита в γ-области с помощью высокотемпературного микроскопа;
— металлографические методики для выявления границ зерен при комнатной температуре.
2. Идентификация фаз в многофазных структурах, которая часто становится возможной с помощью цветной металлографии. Двухфазные, TRIP, многофазные стали состоят из структур ферритно-мартенситных, ферритно-бейнитно-мартенситных с остаточным аустенитом, ферритно-бейнитно-мартенситных, соответственно. Все эти структурные составляющие критичны для формирования свойств, поэтому требуется четкая их идентификация.
При травлении реактивом Le Pera феррит, бейнит, мартенсит и остаточный аустенит окрашиваются в желтый, голубой, коричневый и белый цвета, соответственно. В работе использовали для травления раствор, полученный путем смешивания водного раствора Na2S2O5 и 4%-ного раствора пикриновой кислоты и получили зеленый, коричневый и белый цвета для феррита, бейнита и мартенсита/остаточного аустенита, соответственно. В работе разработали двухступенчатое травление: на первой стадии пикраль выявляет бейнит и мартенсит/остаточный аустенит без какой-либо дифференциации мартенсита и аустенита. Вторая стадия — травление в растворе Na2S2O5 оставляет без воздействия мартенсит и аустенит. Окончательная микроструктура показывает мартенсит в соломенно-желтом цвете и, таким образом, он может быть идентифицирован отдельно от аустенита.
Выявление границ аустенитных зерен стали (ЭШП) состава, %: Fe - 0,39С - 2,96Ni - 1,16Сr - 0,57Мо - 0,26Mn - 0,28Si - 0,002Р - 0,005S. Подготовка образца: обычная шлифовка и полировка были выполнены с использованием алмазной пасты (1 мкм). После окончательной полировки образец был нагрет до потемнения поверхности. Затем он был промыт дистиллированной водой и очищен смоченной в мыльном растворе тканью, а также промыт этанолом. Образец затем был осушен потоком теплого воздуха. Состав реактивов для этого эксперимента приведен в табл. 6.4.
Образец, удерживаемый в вертикальном положении с помощью маленьких щипцов, немедленно погружали в раствор. Непрерывные покачивания проводили в течение всего периода травления, который изменялся от 15 до 30 с. После завершения травления поверхность образца была немедленно промыта этанолом и просушена в потоке холодного воздуха. На рис. 6.64 показано выявление границ зерен аустенита с помощью разработанной методики.
Цветное травление состава стали, %: Fe - 0,35С - 1,10Cr -0,23Мо - 0,52Mn - 0,36Si - 0,014Р - 0,006S. Режим термической обработки был разработан для получения многофазной равноосной ферритно-бейнитно-мартенситной структуры. Обычная шлифовка и полировка образца были выполнены с использованием алмазной пасты (1 мкм). После окончательной полировки образец был промыт дистиллированной водой, а также этанолом; затем был осушен потоком теплого воздуха. Эта операция должна быть повторена несколько раз для уничтожения следов включений от последней полировки. Составы реактивов приведены в табл. 6.3. Образец, удерживаемый в вертикальном положении с помощью маленьких щипцов, немедленно погружали в раствор. Непрерывные покачивания проводили в течение всего периода травления, который изменялся от 50 до 150 с. После завершения травления поверхность образца была немедленно промыта этанолом и просушена в потоке холодного воздуха.
При цветном травлении (рис. 6.65) наблюдали феррит, бейнит и мартенсит — частицы голубого, коричневого и белого цветов соответственно. Измерения микротвердости подтвердили результаты травления. В некоторых случаях необходимо изменить количество смешиваемых растворов. Если все фазы кажутся голубыми, то требуется добавить немного пикраля.
Углерод, кремний и молибден имеют существенное влияние на цвет феррита и бейнита. Более того, металлографическая оценка выявляет, что при снижении содержания кремния и углерода цвет феррита переходит от голубого к коричневому.
Образцы низкоуглеродистой стали с ферритно-бейнитной (с участками MA) структурой были протравлены в реактиве Le Pera. Вначале образцы были отполированы с использованием алмазной пасты (1 мкм), после промывки они были погружены на 10-20 с в свежеприготовленный раствор, представляющий собой смесь двух растворов (1:1): 1 г Na2S2O5 в 100 мл дистиллированной воды и 4 г пикриновой кислоты в 100 мл этилового спирта.
На рис. 6.66 приведен результат травления: фактически феррит имеет голубой цвет, бейнит — коричневый, MA — белого цвета (на рис. 6.66 — серый, черный и белый соответственно).
Металлография долго рассматривалась как комбинация науки и искусства, поскольку в литературе часто не давали детального описания подготовки образцов для выявления структуры. Информация о методике травления представлена в технической литературе фрагментально. Реактив Маршалла может заменять пикриновую кислоту, границы бывших аустенитных зерен стали (ASTM 508) после закалки и отпуска могут быть выявлены путем многократного травления и полировки с использованием как модифицированного реактива Уинстеда (2 г пикриновой кислоты, 10 мл этилового спирта, 200 мл H7O, 5 мл 40%-ного натрий-тридецилбензолсульфаната, 5 капель HCl) или модифицированного реактива Маршалла (1 мл HF/100 мл раствора) (рис. 6.67).
Следует отметить, что выявление исходных границ аустенитных зерен весьма сложная процедура, чувствительная к исходному состоянию, температуре реактива и времени травления.
Для выявления границ аустенитных зерен в работе предложена следующая методика: образец из стали, содержащей 0,04% С, 1,57% Mn, Cu, Ni, Mo, Nb, Ti, после аустенитизации охлаждали в межкритический интервал для декорирования границ ферритом, выдерживали до 10 с, затем закаливали и проводили стандартное травление в пикриновой кислоте (рис. 6.68).
