Экспресс-анализ микроструктуры и механических свойств металлов
Диагностика промышленного оборудования предусматривает оценку его состояния прочностными расчетами. Однако такие расчеты могут считаться надежными лишь при условии достоверного знания марки стали, состояния ее микроструктуры, наличия и характера дефектов уровня деградации металла в процессе эксплуатации объектов.
При диагностике и при паспортизации объектов нередко возникает вопрос о химическом составе и марке стали. Особенно это касается старого и импортного оборудования.
Даже в пределах норм ГОСТов, возможен существенный разброс как химического состава, так и механических характеристик стали. Кроме того, в ходе эксплуатации в металле происходят изменения, связанные с процессом старения, интеркристаллитной коррозии, обезуглероживания, ростом зерна, фазовым наклепом сфероидизацией перлита и т. п. Все эти изменения сказываются на эксплуатационной надежности оборудования и могут быть учтены лишь при условии проведения металлографического анализа.
Ввиду затруднительности вырезки образцов из деталей действующего оборудования возникает потребность либо исследования микроструктуры металла на месте с помощью переносного металломикроскопа, либо использования метода отпечатков, исследуемых в лабораторных условиях. Оба эти метода используются в НПО «ТЕХКРАНЭНЕРГО».
Микроанализ с помощью переносного металломикроскопа
Для проведения исследований непосредственно на объекте, например котле, используется металлографический портативный микроскоп типа МПМ-1.
На контролируемом элементе выбирается интересующее исследователя место. В случае нештатных ситуаций в первую очередь исследуются аварийные участки, подвергшиеся недопустимым воздействиям (температура, давление и т.п.). При периодической диагностике имеет смысл выделить контрольные участки и фиксировать на них микроструктуру и твердость металла. На выбранном месте приготавливается микрошлиф в виде пятна диаметром 15-20 мм. Для этого поверхность металла очищается от накипи, ржавчины, окалины и различных повреждений. Снимается обезуглероженный слой (если не исследуется сам слой).
В качестве инструмента для механической зачистки, а также дальнейшего шлифования и полировки поверхности шлифа используется автономная (аккумуляторная) эл. дрель с различными насадками. Зачищенная поверхность шлифуется несколькими насадками с последовательно убывающей зернистостью шлифовальной бумаги до 600. Полирование возможно двумя способами: механическим и электролитическим. Первый способ наиболее прост. При этом используется полировальный круг с пастами типа ГОИ. Заключительный этап в приготовлении шлифа - травление. Состав реактива, время травления и количество раз, регламентируются в зависимости от типа стали и температуры металла и реактива. Обычно для малоуглеродистой и низколегированной стали используется 4% раствор азотной кислоты в спирте. Остатки реактива смываются спиртом или водой. Шлиф просушивается.
На готовый микрошлиф наводится объектив микроскопа. Сам микроскоп посредством магнита фиксируется на контролируемом элементе. Комбинацией различных объективов и окуляров можно получить увеличения от 100 до 800 крат.
Для фотографирования микроструктуры предусмотрена установка на микроскоп фотоаппарата. Необходимо отметить, что исследование микроструктуры металла и составление заключения по результатам анализа на объекте требует привлечения квалифицированного специалиста-металловеда. Поэтому проведение выездного микроанализа целесообразно лишь в наиболее ответственных случаях.
Микроанализ по отпечаткам
Для периодического контроля микроструктуры металла лабораторией надежности НПО «ТЕХКРАНЭНЕРГО» разработана методика металлографического анализа по отпечаткам. Технология снятия отпечатков включает приготовление микрошлифа по описанной выше методике и собственно получение отпечатков микроструктуры. В качестве штемпеля для получения отпечатка возможно использование металлического стержня диаметром 3-6 мм с нанесенным на один его конец специальным слоем. В этом случае штемпель приставляется рабочим слоем к поверхности шлифа и по верхнему концу стержня наносится легкий удар молотком. Отпечаток готов. Возможно также получение пластических реплик на полимерах, например, полистироле. При этом время получения оттиска увеличивается до 2 часов. После получения отпечатков микроструктуры производится измерение твердости металла по шлифу. Для этого используется ультразвуковой прибор типа УЗИТ, либо прибор Польди.
Полученные результаты доставляются в лабораторию надежности. В лаборатории проводится микроанализ с отпечатков на металлографическом микроскопе типа МИМ-7. Ведется фотографирование и получаются снимки микроструктур при различных увеличениях(100-1000).
Прорабатывается способ сканирования изображения с экрана микроскопа в компьютер исключая трудоемкое фотографирование. По результатам исследований составляют протоколы.
Протокол металлографического исследования
Объект исследования: микрошлиф трубы №17 левого экрана парового котла ДКВР 6,5/13 зав. №1342, рег. №5701, принадлежащего Нейскому лесозаводу г. Нея Костромской области.
Материал: Сталь 20 ГОСТ 1050-88
Цель исследования: Выявление микроструктуры металла.
Результаты исследования
Микроструктура металла состоит из феррита и перлита. Зерна примерно равноосные, феррит и перлит разобщены. Перлит частично сфероидизирован. Структура отвечает содержанию углерода ~0,20:0,25%. Размер зерна соответствует 5 баллу по ГОСТ 5639-82. Полосчатость ферритно-перлитной структуры соответствует 4 баллу по ГОСТ 5640-68.
Слои толщиной около 0,12 :0,20 мм с внутренней и наружной сторон окислены. Частично обезуглероженный слой имеет толщину до 0,11:0,15 мм.
Микроструктура металла при увеличении x400
Микроструктура металла при увеличении x200
Заключение
Структура металла в целом удовлетворительная, без значительных дефектов.