Оценка эффективности применения эталонных шкал для измерения неоднородности неметаллических включений по размерам в улучшенных

1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭТАЛОННЫХ ШКАЛ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПО РАЗМЕРАМ В УЛУЧШЕННЫХ

Автор: Фролов Д.О.
1

2. Литературный обзор

Изучить вопросы:
1) Требования к качеству и технологии получения
конструкционных сталей.
2) Факторы металлургического качества.
3) Применение эталонных шкал для оценки
загрязненности стали неметаллическими включениями.
4) Процедура количественного анализа изображений.
Выполнить практическую работу.

3.

1. Требования к качеству и технологии получения
конструкционных сталей.
Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода
составляет 2,14% (теоретически). На практике концентрация углерода составляет не
более 1,5%. Кроме углерода в стали находятся постоянные примеси: кремний, марганец,
сера, фосфор и другие химические элементы. Сущность производства стали
заключается в удалении углерода и других химических элементов в процессе плавки.
По химическому составу стали и сплавы подразделяются на две большие группы:
углеродистые и легированные.
Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углерод и постоянные
примеси, присущие железоуглеродистым сплавам. Другие химические элементы в
углеродистых сталях отсутствуют.
Легированные стали кроме углерода содержат различные химические элементы, как
металлы, так и неметаллы. Эти элементы вводятся в процессе плавки для получения
более высоких физикохимических и механических свойств, чем в углеродистых сталях.
Качество сталей зависит от особенностей металлургических процессов,
перерабатываемого сырья, вида плавки и других факторов. Эти факторы определяют
химический состав сталей, наличие в них вредных примесей ‒ серы и фосфора, а также
наличие различных газов: азота, водорода и кислорода. Вредные примеси и
присутствующие в них газы придают сталям отрицательные физико-химические и
механико-технологические свойства, т. е. ухудшают их качество.

4. 2. Факторы металлургического качества

Задача получения конструкционных сталей высокого качества на сегодняшний день
является актуальной, так как существует тенденция снижения металлоемкости
конструкций с ужесточением требований к прочности, свариваемости и коррозионной
стойкости. Для решения данной задачи необходима не только разработка новых марок
сталей, но и прогнозирование их качества. При этом задача оценки качества
металлопродукции требует разработки универсальной методики, позволяющей на
основе различных критериев спрогнозировать и оценить качество требуемой марки
стали.
В жидком состоянии металл обладает свойствами жидкости, однако на этом этапе
достаточно легко регулировать его химический состав путем добавления полезных и
удаления вредных для данной марки материала элементов. Главным показателем
качества при этом является количественное содержание элементов в ковше и
равномерное распределение этих элементов по объему ковша. После того, как металл
кристаллизовался, он превратился в миллиарды кристаллов неправильной формы.
Дальнейший комплекс деформационной и термической обработки должен обеспечить в
конце такое же равномерное распределение химических элементов от зерна к зерну в
изделии.

5.

Качество металла зависит от частоты в отношении различных неметаллических
включений. Последние могут попадать в сплав в виде инородных частиц или
образовываться в процессе раскисления стали и в результате взаимодействия металла со
шлаком.
К неметаллическим включениям относятся:
1) сульфиды, сернистые соединения марганца и железа;
2) окислы (Fe3O4, FeO, MnO, Al2O3);
3) силикаты – соединения кремнекислоты с различными окислами и др.
Неметаллические включения имеют разнообразные, характерные различимые под
микроскопом формы. Вредное воздействие включения зависит от природы и в
значительной степени от формы, размера и расположения.
Загрязненность металлопродукции из стали и сплавов неметаллическими
включениями определяют ГОСТ 1778-2022 «Металлопродукция из сталей и сплавов.
Металлографические методы определения неметаллических включений».
Оценку загрязненности неметаллическими включениями проводят сравнением с
эталонными шкалами при просмотре под микроскопом нетравленых шлифов (метод Ш).
Шкалы охватывают включения нескольких видов, наиболее часто встречающихся в
стали, имеющих различную природу и различных по качественным характеристикам.
К неметаллическим включениям относятся:
1) сульфиды, сернистые соединения марганца и железа;
2) окислы (Fe3O4, FeO, MnO, Al2O3);
3) силикаты – соединения кремнекислоты с различными окислами и др.

6.

4. Процедура количественного анализа изображений
Количественная металлография – это совокупность методов количественной оценки
геометрических параметров пространственного строения металлов и сплавов.
Основные операции количественной металлографии ‒ подсчет, измерение и
классификация элементов, находящихся в поле зрения. Под элементами
пространственного микроскопического строения понимаются различные микрочастицы
(зёрна, кристаллиты, включения, выделения и др.), а также точечные, линейные,
ареальные (плоскостные) образования (точки, линии и поверхности стыка
микрочастиц). Результатом операций количественной металлографии могут быть, в
частности, количественные параметры зерна или объемные доли различных фаз в
структуре сплава.
Простейшим видом количественного анализа является визуальная оценка структуры –
«мельче, крупнее, однородное или нет и насколько». В современной металлографии
этого недостаточно. Необходимы точные количественные оценки для того, чтобы
проследить кинетику изменения структуры в процессе внешнего воздействия
(термического, механического и т.д.) и определить механизмы реализующихся
процессов.
Основные этапы правильного металлографического исследования включают:
отбор проб; подготовку образцов (секционирование и резка, монтаж, плоское
шлифование, грубая и окончательная полировка, травление); микроскопическое
наблюдение;
фиксацию
изображения,
его
документирование;
извлечение
количественных данных с помощью стереологического анализа или методов анализа
изображений.

7.

Естественный окрас микроструктур обычно имеет очень ограниченное применение в
металлографии. При использовании определенных оптических методов, таких как
поляризованный свет или специальных методов подготовки образцов, таких, как цветное
травление, цвет может дать больше полезной информации. Основные коммерческие
сплавы: железо (Fe), медь (Cu) и алюминий (Al) не чувствительны к поляризованному
свету, поэтому только цветное или оттеночное травление обеспечивает дополнительный
эффективный метод, помогающий выявить различия и особенности их микроструктуры.
На рисунке 1 представлена демонстрация явного превосходства цветного травления
(нижний снимок б) в выявлении зернистой структуры сварной низкоуглеродистой
стали.
В лабораторной практике проводились количественные оценки структуры путем
примитивных линейных измерений, планиметрирования и т.п. Все эти методы давали
адекватные результаты, но были исключительно трудоемкими. Современные программы
обработки изображений позволяют определить площадь и линейные размеры зерна
любой фазы, периметр, а также производные от этих величин – фактор формы, средний
размер, эквивалентный диаметр, и т.д. Развитие компьютерных методов дает
возможность измерить непосредственно геометрические параметры каждой
структурной единицы, обработать результаты и получить не только среднее, но и ряд
определенных зависимостей – распределений определенной величины (размера зерна,
диаметра и пр.).
Можно провести математическую обработку результатов, создать файлы в Word или
Exel, построить разнообразные графические зависимости.

8. Теоретическая часть

Проблема неметаллических включений – одна из самых актуальных проблем,
стоящих перед металлургами и металловедами, которые занимаются получением и
обработкой качественных сталей. К сожалению, наличие включений может свести на
нет все усилия, затраченные на разработку состава стали и технологии ее производства.
Неметаллические включения являются неотъемлемой частью структуры любой
стали, свойства которой существенно зависят от структурного состояния, в том числе от
природы, количества и распределения неметаллических включений.
Включения в стали могут иметь размеры от дисперсных, неразличимых при обычно
применяемых увеличениях микроскопа, до крупных, видимых невооруженным глазом и
имеющих иногда протяженность в несколько десятков миллиметров, поэтому
различают макровключения размером более 1 мм и микровключения, размеры которых
менее 1 мм.
Традиционными методами оценки загрязненности металла, как было сказано выше,
являются методы сравнения загрязненности шлифа включениями с эталонными
шкалами и методы подсчета включений на нетравленом шлифе с определением
объемного или массового количества включений.

9.

Метод сравнения с эталонными шкалами
Степень загрязненности стали включениями устанавливают путем сравнения
включений, наблюдаемых на металлографическом шлифе с эталонными шкалами, на
которых воспроизведены наиболее типичные включения различного характера, формы
и размеров.
Каждая группа включений имеет пять баллов, наименее загрязненный металл
оценивается баллом 1, наиболее загрязненный ‒ баллом 5. Переход от балла к баллу
соответствует увеличению площади, занимаемой включениями, примерно в два раза.
Метод сравнения с эталонными шкалами и метод определения суммарной площади
включений отличается своей трудоемкостью и их результаты в какой-то мере зависят от
субъективного подхода исследователя, а обработка данных очень сложна.
Для более детальных исследований используется электронный микроскоп, который
позволяет автоматизировать операции поиска, подсчета, измерения размеров
включений и определения их химического состава. При использовании
автоматического метода исключается человеческий фактор, что снижает вероятность
ошибки и повышает объективность исследования.

10. Экспериментальная часть

ГОСТ 1778
№
балла
Средняя
площадь
включений, мкм2
Стандартные
отклонения
Коэффициент
1
2
3
4
5
45,3323
65,928
80,76938
83,3212
89,199435
8,2031
14,463
9,6132
7,47561
5,87136
1,63877
1,92036
1,9177
1,8027
2,05782
асимметрии
Коэффициент
эксцесса
распределения
4,0623
3,65937
4,6274
3,4077
6,52814
Сталь 15Х2НМФА
№
образца
Балл по
ГОСТу
Средняя
площадь
включений,
мкм2
Стандартные
отклонения
Коэффициент
асимметрии
Коэффицие
нт эксцесса
распределе
ния
0007
0019
0036
0049
0081
1
1
1
3
1
8,44
4,568
4,877
14,533
10,6
2,4678
0,941
1,425
5,71
4,42
2,0384
2,278
2,7
2,8839
1,999
4,717
6,74978
7,362
8,6467
2,698

11.

Сталь 38ХН3МФА
№
образца
Балл по
ГОСТу
Средняя
площадь
включений,
мкм2
Стандартные
отклонения
Коэффициент
асимметрии
Коэффицие
нт эксцесса
распределе
ния
143
182
183
184
222
3
3
4
4
5
2,769
2,7869
3,166
3,1766
2,714
0,111
0,112
0,166
0,162622
0,13999
3,7653
3,667
4,837
4,981
5,9265
23,6147
21,1517
34,0626
36,541
61,553

12.

Спасибо за
внимание!