Состава стали

Для проведения подавляющего большинства химических анализов применяются различные химические и инструментальные методы: эмиссионная спектроскопия, спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, методы сжигания в несущем газе, атомно-абсорбционный анализ, рентгенофлуоресцентный анализ и др.

Химический состав стали может определяться стандартными методами аналитического или спектрального анализа, обеспечивающими точность, необходимую для установки марки стали.

Химические методыанализа, в основе которых лежат химические реакции определяемых веществ в растворах, включают, главным образом, гравиметрический, титриметрический и колориметрический анализы. Необходимо отметить, что такой химический анализ длителен и трудоемок.

Спектральный анализ — физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его спектрам.

Методы спектрального анализа стандартизованы, информация о характерных линиях большинства элементов и многих молекул хранится в компьютерных базах данных, что в значительной мере ускоряет анализ и идентификацию марки стали.

Основными преимуществами спектроскопии перед другими методами анализа являются:

высокая чувствительность (10^–5…10^–7%) – практически чувствительность спектрального анализа всегда выше чувствительности весового химического анализа;

достаточно хорошая точность (3…5 %) – при малых концентрациях точность спектрального анализа превосходит точность химического анализа и может несколько уступать ему при больших концентрациях;

экспрессность – в абсолютном большинстве случаев при спектральном анализе затраты времени от взятия пробы и до получения конечного результата несравнимо меньше, чем при других методах анализа;

многокомпонентность – методами спектрального анализа возможно одновременное определение 20 и более элементов, в то время как при химическом анализе возможно только раздельное определение каждого элемента, для чего требуется проведение отдельных специфических реакций;

контроль изделий без их разрушений – спектроскопия остается единственным доступным методом анализа крупногабаритных изделий и предметов, не допускающих повреждения их поверхностей;

требование малого количества анализируемого образца;

универсальность;

документальность – результаты анализа могут храниться длительное время и быть документом, по которому можно многократно произвести проверку правильности и точности анализа.

При выборе метода химического анализа и представления результатов необходимо знать главнейшие характеристики возможностей приборов для химического анализа, к которым относятся точность химического анализа, погрешность определения, правильность и чувствительность анализа и пределы обнаружения элементов. Кроме того, важной характеристикой является нижний предел определений, или порог чувствительности метода анализа – величина концентрации, меньше которой данным методом определить нельзя:

Лаборатории Центра оснащены современными приборами спектрального анализа. Внешний вид одного из таких приборов представлен на рис. 1.

Рис. 1. Мобильный оптико-эмиссионный анализатор химического

состава металлов ARC-MET 8000

Указанным прибором можно определять содержание в стали массовой доли следующих элементов, %:

Таблица 1

Точность измерений и погрешность результатов анализа должны соответствовать требованиям ГОСТ 18895-97.

Металлографическая лаборатория центра выполняет металловедческие исследования структуры, фазового состава, количественное и качественное определение неметаллических включений в сплавах и металлах.

Лаборатория оснащена металлографическими микроскопами (NEOFOT 32), растровым электронным микроскопом JSM T 200, микротвердомерами и другими приборами. На рис. представлен камера такого микроскопа.

Рис. 2. Камера микроскопа JSM T 200 и расположенные в ней функциональные

элементы

С помощью такого микроскопа проводится исследование изломов разрушенных деталей, т.е. фрактографические исследования.

Составной частью анализа разрушений в условиях эксплуатации является электронная фрактография. На фрактографиях имеется ряд очень различимых характерных черт, позволяющих различать механизмы разрушения. Это позволяет во многих случаях выявить механизм разрушения.

Принципиальная схема растрового электронного микроскопа приведена на рис. . Он состоит из следующих основных узлов: электронной пушки 1...3, эмитирующей электроны; электроннооптической системы 4...10, формирующей электронный зонд и обеспечивающей его сканирование на поверхности образца 12; системы, формирующей изображение 11...17. РЭМ имеет вакуумную камеру, которая служит для создания необходимого разряжения (~10^-3 Па) в рабочем объеме электронной пушки и электронно-оптической системы. Составными частями микроскопа являются механические узлы (шлюзы, гониометрический стол и т.д.), обеспечивающие установку и перемещение образца.

Электронная пушка состоит из катода 1, цилиндра Венельта 2 и анода 3. Обычно в качестве катода используется вольфрамовая V-образная проволока, согнутая под углом, как это показано на рисунке. При нагреве катода прямым пропусканием тока происходит термоэмиссия электронов. Электроны ускоряются напряжением, приложенным между катодом и анодом, которое можно изменять от 1 до 50 кВ. Цилиндр Венельта имеет высокий отрицательный потенциал и служит для регулировки потока электронов. Пучок электронов от пушки проходит через три электромагнитные линзы 5, 6, 9. Фокусировка потока электронов осуществляется магнитным полем, имеющим осевую симметрию. Оно создается электромагнитной линзой, которая представляет собой соленоид. Магнитное поле возникает при пропускании электрического тока через обмотку соленоида, концентрируется с помощью так называемого полюсного наконечника и воздействует на проходящий через него поток электронов. Фокусное расстояние линзы можно плавно регулировать путем изменения силы тока в обмотке соленоида. В системе имеются две диафрагмы 4, 10, ограничивающие расходимость пучка электронов.

Рис.3. Принципиальная схема растрового электронного микроскопа

Образец 12 крепится на предметном столике, который может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях, допускает наклон образца до 90^o к электронно-оптической оси и вращение вокруг оси от 0 до 360^o. Электронный пучок, сфокусированный на поверхности образца, вызывает появление отраженных, вторичных и поглощенных электронов, которые используются для получения изображения поверхности образца. Эти сигналы улавливаются специальными детекторами. На схеме РЭМ (рис. ) представлен только один из возможного набора тип детектора, используемый для регистрации вторичных электронов 13. В детекторе поток электронов преобразуется в электрический сигнал (ток). После прохождения тока через усилитель 14 модулируется яркость экрана.

Перед проведением исследования образцы должны быть тщательно очищены, чтобы не образовывались газообразные продукты, затрудняющие получение требуемого вакуума при откачке микроскопа и загрязняющие его колонну. Рекомендуется проводить очистку образцов в различных растворителях с использованием ультразвука. При проведении топографических исследований нельзя допускать окисления поверхностей излома.

Лаборатория механических испытаний центрапроводит определение механических свойств металлопродукции, в том числе испытания при повышенных и пониженных температурах, усталостные испытания.

Лаборатория оснащена большим парком оборудования: всего более 100 единиц различных испытательных машин, приборов для определения твердости, маятниковых копров и прессов.

Основным видом определения механических свойств металла являются испытания на растяжение при комнатной, повышенной и пониженной температурах, испытания на ударный изгиб, определение твердости.

Форма и размеры образцов для испытаний должны соответствовать требованиям ГОСТ 1497–84 и ГОСТ 9454–78.

Испытания на растяжение

Испытания на растяжение проводятся на разрывных или универсальных испытательных машинах, которые должны соответствовать требованиям ГОСТ 28840. Внешний вид одной из испытательных машин представлен на рис. .

Измерение размеров образцов проводится штангенциркулями и микрометрами. Штангенциркули должны соответствовать требованиям , а микрометры должны соответствовать требованиям ГОСТ 6507. Допускается применение и других измерительных средств, обеспечивающих измерение с погрешностью, не превышающей указанную в п. 3.1. ГОСТ 1497-84.

Тензометры должны соответствовать требованиям ГОСТ 18957.

Рис. 4. Универсальная испытательная машина МР-100

При определении пределов текучести условных с допусками на величину пластической или полной деформации при нагружении или остаточной деформации при разгружении до 0,1% относительная цена деления шкалы тензометра не должна превышать 0,005% от начальной расчетной длины по тензометру l_e; при определении предела текучести условного с допуском на величину деформации от 0,1 до 1%-не должна превышать 0,05% от начальной расчетной длины по тензометру l_e. Испытательные машины должны обеспечить скорость относительной деформации рабочей части образца на стадии текучести в пределах от 0,00025 до 0,0025 с^-1. Скорость относительной деформации должна поддерживаться по возможности постоянной.

Предел текучести условный (s_0,2), Н/мм² (кгс/мм²), вычисляют по формуле

s_0,2 =Р_0,2/F_о.

Предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации при нагружении s_0,2 (или с иным установленным допуском) определяют по диаграмме, полученной на испытательной машине. Кроме того, условный предел текучести с допуском на величину пластической деформации при нагружении s_0,2 может быть определен без построения диаграммы растяжения с помощью специальных приборов (микропроцессоров и др.).

При разногласиях в оценке качества металлопродукции определение предела текучести условного производится по диаграмме растяжения, полученной с применением тензометра.

Для определения предела текучести условного s_0,2 по диаграмме растяжения вычисляют величину пластической деформации с учетом установленного допуска, исходя из длины рабочей части образца l или начальной расчетной длины по тензометру l_e. Найденную величину увеличивают пропорционально масштабу диаграммы и отрезок полученной длины ОЕ откладывают по оси удлинения от точки О (рис. 2). Из точки Е проводят прямую, параллельную ОА. Точка пересечения прямой с диаграммой соответствует усилию предела текучести условного при установленном допуске на величину пластической деформации. Масштаб диаграммы по оси удлинения должен быть не менее 50:1. При отсутствии испытательных машин с диаграммами указанного масштаба и возможности их получения с помощью специальных устройств допускается использовать диаграммы с масштабом по оси удлинения не менее 10:1 при применении образцов с рабочей длиной не менее 50 мм.

Рис. 5. Определение условного предела текучести по диаграмме

Для определения указанного предела текучести на диаграмме растяжения проводят прямую, параллельную оси ординат (оси усилий) и отстоящую от нее на расстоянии, равном допуску на величину полной деформации с учетом масштаба диаграммы. Точка пересечения этой прямой с диаграммой растяжения соответствует усилию при пределе текучести условном s_0,2.

Значение s_0,2 вычисляют путем деления величины полученного усилия на начальную площадь поперечного сечения образца F₀.

При определении предела текучести условного s_п скорость нагружения должна находиться в диапазоне 3 – 30 Н/(мм²·с).

Относительное удлинение образца после разрыва (d) в процентах вычисляют по формуле

d = {(l_к - l_о)/l_о}·100.

Относительное сужение после разрыва (ψ) вычисляют по формуле

ψ = {(F_к – F_о)/ F_о}·100.

Округление вычисленных результатов испытаний проводят в соответствии с табл. 2 (ГОСТ 1497-84).

Результаты испытаний не учитывают:

при разрыве образца по кернам (рискам), если при этом какая-либо характеристика механических свойств не отвечает установленным требованиям в нормативно-технической документации на металлопродукцию;

при разрыве образца в захватах испытательной машины или за пределами расчетной длины образца (при определении относительного удлинения при разрыве d);

при разрыве образца по дефектам металлургического производства и получении при этом неудовлетворительных результатов испытаний.

Таблица 2

Округление вычисленных значений характеристик