Исследование поверхностных дефектов прокатанного металла

Термины и определения дефектов поверхности прокатанного металла регламентированы ГОСТ 20847-75 «Прутки, полосы и профили горячекатаные и кованые из сталей и сплавов. Дефекты поверхности.» и ГОСТ 21014-88 «Листы и ленты стальные. Дефекты поверхности и формы.». Внешним осмотром поверхности (в том числе с применением лупы) можно определить основные признаки поверхностных дефектов и повреждений. При возникновении затруднений можно получить подробную информацию при наблюдении в стереомикроскопе типа МБС-9, анализе макро- и микроструктуры. Особенности микростроения поверхностей изломов выявляют с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). Ниже приведены определения и признаки некоторых дефектов (Рис. 2.1).

Раскатанное загрязнение (Рис.2.1а) – вытянутое вдоль направления деформации загрязнение слитка шлаком или огнеупорами. На микрошлифах по месту дефекта видны грубые неметаллические включения, обезуглероживания нет.

Раскатанный пузырь (Рис.2.1б) – прямолинейное нарушение сплошности поверхности вдоль направления деформации. Образуется из наружного или подповерхностного пузыря слитка. Часто дефект имеет групповое расположение, его полость заполнена окалиной. Стенки полости обезуглерожены, зона обезуглероживания резко ограничена и насыщена мелкими оксидами. Полость дефекта расположена примерно под прямым углом к поверхности. Образуется вследствие попадания влаги при выпуске и разливке металла или при его высокой газонасыщенности.

Раскатанная трещина (Рис.2.1в, г) – разрыв, образовавшийся в поверхностной части слитка при высоких температурах в период затвердевания (горячая трещина). Дефект вытянут вдоль направления деформации и заполнен окалиной, его стенки обезуглерожены. Может наблюдаться разветвление дефекта. Аналогичный дефект образуется из трещин напряжения (холодные трещины) при охлаждении слитка или литой заготовки.

Раскатанная корочка (Рис.2.1д) – местное отслоение металла, образовавшееся в результате раскатки завернувшихся корочек или брызг на поверхности слитка. На микрошлифах в зоне дефекта наблюдается обезуглероживание и скопление неметаллических включений сложного состава, шлака и огнеупоров. Дефект может иметь небольшой наклон к поверхности или идти почти параллельно ей.

Рванины (Рис.2.1е) – раскрытые разрывы, расположенные поперек или под углом к направлению наибольшей вытяжки при деформации. Образуются вследствие пониженной пластичности металла при деформации. В разрывах может быть окалина, а зоны у стенок дефекта могут быть насыщены оксидами и нитридами.

Прокатанная плена (Рис.2.1ж) – отслоение металла языкообразной формы, соединенное с основным металлом одной стороной, образовавшееся вследствие раскатки рванин или следов глубокой зачистки местных дефектов поверхности. Нижняя поверхность отслоения и металл под ним покрыты окалиной. На микрошлифе в зоне, прилегающей к дефекту, может

Рис. 2. 1. Дефекты поверхности горячекатаного проката.

наблюдаться обезуглероживание.

Чешуйчатость (Рис. 2.1з) – отслоения и разрывы в виде сетки, образовавшиеся при деформации металла вследствие пониженной пластичности или существенного перегрева металла. На микрошлифах разрывы проходят по границам зерен и сопровождаются оксидами и эвтектическими фазами.

Трещина напряжения (Рис. 2.1и, к) – прямолинейный или зигзагообразный разрыв, идущий вглубь металла под прямым углом к поверхности. Образуется вследствие объемных изменений, обусловленных структурными превращениями или термическими деформациями, обусловленными термическим коэффициентом линейного расширения при нагреве и охлаждении. На микрошлифе трещина напряжения проходит по границам зерен, имеет тонкий конец и не окислена, если обнаружена на изделии, не подвергавшемся повторному нагреву. В случаях, когда окисление и обезуглероживание наблюдаются, данный дефект не был обнаружен при соответствующих контролях.

Ус (Рис.2.1л, м) – продольный выступ с одной или двух диаметрально противоположных сторон, образующийся вследствие неправильной подачи металла в калибр, переполнение калибра или неправильной настройки валков.

Закат (Рис. 2.1н, о) – прикатанный продольный выступ металла с одной или двух диаметрально противоположных сторон, образовавшийся при вдавливании уса или подреза. Дефект может иметь зазубренный край. На поперечном микрошлифе располагается под острым углом к поверхности. Конец заката не разветвлен, заполнен окалиной и огибается волокном. Металл по дефекту обезуглерожен.

Шлифовочные трещины (Рис. 2.1п) – разрывы в виде сетки, образовавшейся при травлении металла для снятия окалины, имевшего напряжения от структурных (мартенситных) превращений или деформаций. Трещины распространяются по границам зерен.

Волосовины (Рис. 2.1р) – нитевидные дефекты, расположенные вдоль направления деформации; образуются из скоплений неметаллических включений, вытягивающихся вдоль направления деформации и образующих веретенообразные несплошности различной протяженности.

Пузырь-вздутие (Рис. 2.1с) – дефект поверхности листов в виде вспучивания металла, образующийся из-за загрязнения металла неметаллическими включениями или газовыми пузырями. Их образование часто наблюдается при насыщении водородом тонких листов в процессе травления. В местах прослоек (обычно силикатных включений) или несварившихся газовых пузырей накопившийся водород образует вздутие. Такие дефекты образуются также при быстром нагреве листов металла с прослойками в виде скоплений включений.

Расслоение (Рис. 2.1т) – дефект на торцах и кромках листов, представляет собой несплошность, образующуюся из-за наличия грубых скоплений неметаллических включений в прокатанном металле.

Горячие кристаллизационные трещины – разрывы или надрывы тела металлургической заготовки, отливки, сварных соединений широкие на поверхности и сужающиеся вглубь – имеют, в основном, усадочное происхождение, проходят по границам кристаллов и имеют извилистую поверхность, на которой иногда видны дендриты и другие признаки кристаллизации. Если горячие трещины сообщаются с внешней поверхностью они имеют следы окисления. Внутренние дефекты имеют блестящий характер. Возникают горячие трещины в нижней части интервала температур затвердевания (кристаллизации) при образовании полостей усадочного происхождения, а также наличии растягивающих напряжений, превышающих прочность прилегающих зон заготовок при рассматриваемых температурах.

Флокены – дефекты в литых и деформированных (прокат, поковки) сталях в виде внутренних разрывов (трещин), образующиеся в результате водородного охрупчивания металла. размер и строение поверхности флокенов зависят от марки стали, газонасыщенности и загрязненности неметаллическими (в основном шлаковыми) включениями. Флокены не имеют преимущественной ориентации, в изломе имеют блестящий ручьистый рельеф с ярко выраженным очагом. Часто образуются в зоне сплавления сварных соединений; среди сварщиков получили название «Рыбий глаз».

Изучение макрошлифов

Макрошлиф ‑ специальный образец, вырезанный в определенном месте детали (заготовки), имеющий плоскую шлифованную поверхность, протравленную специальным реактивом. Составы металлографических реактивов и технологию травления определяют в зависимости от исследуемого материала, его обработки и цели исследования по справочной литературе.

На макрошлифах изучают макроструктуру металла и выявляют его внутренние дефекты, в том числе неоднородность по составу, плотность, чистоту и особенности внутреннего строения. При этом определяют такие основные дефекты, как усадочные раковины, пузыри (свищи), пористость, ликвацию, неметаллические включения. Так, на рис.2.2 показан макрошлиф поперечного сечения отливка корпуса клапана из стали 20ГЛ, на которой при дефектоскопическом контроле обнаружили внутренние дефекты. На шлифе видны: ликвационная неоднородность и усадочные раковины (в центре), горячие трещины (слева посередине), шлаковое включение (ниже трещин). При более подробном изучении шлифа в стереомикроскопе можно выявить морфологию дефектов: виден междендритный характер распространения горячей трещины (Рис.2.3. слева); сложное строение и наличие пор в шлаковом включении (рис.2.3, справа).

Усадочная раковина ‑ полость, не заполненная металлом, образовавшаяся вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании (уменьшения коэффициента линейного расширения).

Различают открытую, закрытую и вторичную усадочные раковины. По контуру полость раковины оснащена ликватами (серой, фосфором) и неметаллическими включениями. Форма и расположение усадочной раковины в слитке зависят от способа разливки стали (сверху или сифоном), температуры разливки, формы изложницы и т. д. Получить стальной слиток без усадочной раковины практически невозможно, поэтому при борьбе с этим пороком стремятся объем раковины уменьшить, а форму ее сделать наименее вредной для слитка (рис. 2.4).

Наименее вредная усадочная раковина получается в изложнице, расширяющейся кверху – (рис. 2.4, а), а наиболее вредная, распространяющаяся на большую глубину, ‑ в расширяющейся книзу ‑ (рис. 2.4, б). Чтобы получить качественный слиток с усадочной раковиной в самой верхней части, обычно изложницу делают расширяющейся кверху ‑ III и на верхнюю часть ее устанавливают прибыльную надставку (металлический кожух, выложенный внутри огнеупором), жидкий металл в которой долго не кристаллизуется и обеспечивает подпитку стали при кристаллизации.

В этом случае усадочная раковина сосредоточена в прибыльной части, которую затем отрезают на переплав. Усадочные раковины, расположенные по всему объему слитка или по его части, обычно заполнены газами, растворенными в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации. В хорошо раскисленной, так называемой спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество пузырей и раковин ‑ (рис. 2.4, в).

Недостаточно раскисленная, так называемая кипящая сталь содержит раковины и пузыри во всем объеме ‑ (рис. 2.4, г).

Пузыри в литом металле представляют собой округлые, овальные или продолговатые (в виде каналов) газовые полости. По расположению пузыри бывают внутренними и подкорковыми в зависимости от того, зафиксируются ли они в затвердевающем металле или успеют

а б в г

Рис.2.2. Схема влияния формы изложницы на расположение усадочной раковины: а – изложница, расширяющаяся кверху; б – изложница, расширяющаяся книзу; в – изложница, расширяющаяся кверху с прибыльной надставкой; г – изложница, не имеющая изменений геометрии

переместиться к поверхности слитка. Круглые газовые пузыри называются свищами. Причины образования газовых пузырей ‑ высокое содержание газов (кислорода, азота, водорода) и их выделение в период кристаллизации в связи с уменьшением растворимости в твердом металле. Бурное выделение газов при кристаллизации сопровождается выталкиванием жидкого металла в верхнюю часть слитка и формированием там, свищей, что приводит к его вспучиванию. Затвердевание малых изолированных междендритных объемов стали с высокой газонасыщенностью сопровождается образованием общей пористости, разновидностью которой является осевая пористость (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Осевая пористость слитка

Химическая неоднородность слитка, обусловленная процессом избирательной кристаллизации, называется ликвацией. Различают следующие виды ликвации:

1) Дендритную (в пределах одного крупного кристалла - дендрита), заключающуюся в том, что оси дендритов при кристаллизации твердых растворов имеют более высокую концентрацию тугоплавких компонентов сплава, чем оси второго порядка и содержат меньше атомов примесей, чем металл, расположенный между осями или разветвлениями дендритов. Неметаллические включения и поры скапливаются, в основном, в междендритных пространствах на заключительной стадии кристаллизации. В деформированной при ОМД металле неоднородность химического состава по сечению дендритов и вышеупомянутые неметаллические включения стали вызывают полосчатость макроструктуры, выявляемую при травлении.

2) Зональную, отражающую неоднородность химического состава в различных областях слитка: в верхней и средней частях слитка содержится больше примесей (серы, фосфора, углерода и легирующих элементов (рис. 2.6)), наиболее склонных к ликвации.

Сера и фосфор ‑ вредные примеси, поэтому очень важно знать их распределение в металле. Количественно ликвацию серы в сталях обыкновенного качества (типа Ст.3) оценивают методом Баумана по отпечатку макрошлифа на бумаге (предварительно смочив фотобумагу 5%-ным водным раствором серной кислоты и плотно приложив эмульсионной стороной к исследуемой поверхности). Наличие на фотобумаге темных включений Ag₂S укажет форму и характер распределения сульфидов (серы) по сечению образца металла. Для высококачественных сталей, все более широко применяемых в современной технике, этот метод в настоящее время не используют, ввиду малого содержания серы. Для этой цели применяют современные методы микроскопического анализа.

Рис. 2.6. Ликвация в слитках

Осевая пористость ‑ присутствие в осевой зоне слитка мелких пор усадочного происхождения, располагающихся преимущественно в средней по высоте части слитка. Возникает при затвердевании последних порций жидкого металла в условиях его недостаточного количества.

Химический состав металла дает представление о среднем количественном соотношении его элементов, но при этом остается неизвестным их распределение (однородность) по сечению.

Неметаллические включения ‑ примеси, не растворимые в расплавленном металле и присутствующие в нем в виде посторонних, довольно малых включений; попадают в металл из внешних источников (шлак, огнеупоры) – экзогенные включения, или образуются при его раскислении в процессе плавки и окислении при разливке (оксиды, нитриды, сульфиды) – эндогенные включения. При анализе макроструктуры отдельные неметаллические включения не выявляются. Об из наличии судят по зонам повышенной травимости на поверхности макрошлифа.

При деформировании сортового проката скопления неметаллических включений экзогенного происхождения вытягиваются вдоль направления деформации и образуют нитевидные дефекты, называемые волосовинами. О загрязненности металла волосовинами судят на специально приготовленных ступенчатых цилиндрических образцах.

При оценке качества металла необходимо учитывать не только количество неметаллических включений, но и форму их выделений. Особенно вредны они в виде пленок по границам зерен, в форме вытянутых нитей и полос или скоплений. Такой анализ проводят при изучении микроструктуры.

Макроструктура литого слитка при обычных условиях кристаллизации состоит из трех основных зон: наружной мелкозернистой, состоящей из дезориентированных мелких дендритов, зоны столбчатых дендритов и зонаравноосных дендритов (рис. 2.7, а). Такое строение обусловлено условиями теплоотвода в изложницу в процессе кристаллизации. При изменении условий теплоотвода или введении модификаторов характер зон может меняться.

В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей, однако места стыка столбчатых дендритов обладают малой прочностью. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых дендритов, растущих от разных по-

а б

Рис. 2.7. Схемы транскристаллизации слитка: а – обычная транскристаллизация:

1 – наружная мелкозернистая зона; 2 – зона столбчатых дендритов;

3 – зона равноосных дендритов; б – полная транскристаллизация

верхностей изложницы, носит название транскристаллизации (рис. 2.7, б). Для устранения транскристаллизации необходимо замедленное охлаждение слитка с целью образования зоны равноосных кристаллов.

Форма первичных кристаллов (дендритов) после горячей обработки давлением резко изменяется: дендриты вытягиваются вдоль направления течения металла и приобретают форму волокон. Неметаллические включения, расположенные на границах зерен или в виде скоплений, тоже вытягиваются в направлении деформации и часто разрываются. Газовые пузыри и поры, находящиеся главным образом в подкорковой и головной частях слитка, уплотняются и свариваются (если их стенки не были покрыты окислами или в них не скопились неметаллические включения). Таким образом, улучшается структура металла и происходит его уплотнение, но сохраняется неоднородность состава как в макрообъеме, так и в пределах дендритов, чем и объясняется повышение прочностных механических свойств вдоль направления вытяжки волокон.

Основное требование к ответственным деталям – расположение волокон должно соответствовать конфигурации деталей – растягивающие напряжения должны располагаться вдоль направления волокон. Если же волокна в процессе обработки перерезаны, деталь получается значительно ослабленной. Поэтому одним из важных направлений анализа макроструктуры является определение распределения волокна в заготовках из поковок, прутков или листа. При анализе причин брака деталей или их неудовлетворительных механических свойств необходимо проверять характер распределения волокна.

Исследование макрошлифов сварных соединений определяют качество сварки, надежность сварного шва, макроструктуру наплавленного металла. В сварных швах возможны следующие дефекты: непровар, пережог, пористость, горячие и холодные трещины.