Микроструктурный анализ углеродистых конструкционных сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микроструктурный анализ углеродистых конструкционных сталей

Пучков Павел Владимирович, кандидат наук, преподаватель

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

В данной статье пойдет речь о методике проведения микроструктурного анализа конструкционных углеродистых сталей, о назначении и возможностях данного метода, о изменении структуры и свойств конструкционных сталей при воздействии на них высоких температур.

В настоящее время все большим спросом пользуются быстро возводимые конструкции из стали: ангары, фермы, навесы, павильоны, склады и т.д.). Металлоконструкция обладает множеством существенных преимуществ по сравнению с другими способами возведения зданий: меньшей массой (если сравнить с железобетонными изделиями), простотой и серийностью изготовления, легкостью монтажа и демонтажа, удобством и высокой скоростью возведения, возможностью осуществления монтажа крупными блоками, транспортабельностью, легкостью, прочностью и долговечностью, надежностью в эксплуатации.

Несмотря на ряд достоинств металлоконструкций перед другими строительными конструкциями (кирпичными, железобетонными и т.д.), у них есть существенный недостаток. Хотя углеродистая сталь и является негорючим материалом, но она обладает высокой чувствительностью к высоким температурам и к действию окислительной атмосферы воздуха. Сталь в условиях пожара быстро прогревается, что заметно снижает её прочностные свойства см. рис.1.

Нередко в зданиях и сооружениях, содержащих стальные несущие конструкции возникают пожары. Пожары в современных условиях являются одной из главных опасностей человечества, наносящей огромный материальный ущерб экономике. Опасные факторы пожара значительно снижают прочность стали. Следует отметить, что при нагревании стали выше 300°С её предел прочности снижается. На рисунке 1 показана зависимость от температуры модуля упругости Е, предела текучести утр, предела прочности увр и удлинения при разрыве д для малоуглеродистой стали (например: из Ст3 изготавливают швеллеры, уголки и т.д.) в интервале 0-500°С. Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах изменения температуры до 300° С практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают величина увр и, особенно, д, причем имеет место, как говорят, «охрупчивание» стали - удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем увеличении температуры пластичные свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.

Рисунок 1. Зависимость механических свойств малоуглеродистой стали от температуры

Как изменяются механические свойства сталей под воздействием высоких температур показано на рисунке 1, а как изменяется микроструктура сталей? На этот вопрос сможет ответить микроструктурный анализ.

Микроструктурный анализ (микроанализ) - это метод исследования внутреннего строения (микроструктуры) металлов и сплавов с помощью металлографических микроскопов при увеличении от 50 до 2000 раз. Микроструктурный анализ позволяет: изучить форму, величину и взаимное расположение зерен, из которых состоит металл (сплав); определить структурно-фазовый состав сплавов; определить неметаллические включения и внутренние дефекты кристаллического строения сплавов; установить, какие изменения внутреннего строения происходят в исследуемом материале (сплаве) под влиянием различного рода воздействий при термической и химико-термической обработке, обработке давлением, сварке и пр. Залогом успеха при проведении микроструктурного анализа является качественная подготовка микрошлифа. Методика подготовки микрошлифа следующая:

Шлифование образца. Плоскость образца шлифуют вручную или на специальных станках (рис. 2).

Шлифование начинают на грубых (крупнозернистых) с абразивным зерном Р 240 до Р600) абразивных бумагах до полного удаления неровностей, наследованных от вырезки образца . Далее переходят к более мелкозернистым абразивным бумагам для уменьшения шероховатости поверхности и заканчивают шлифование на микронных бумагах (Р1500). При переходе с одного номера абразивной бумаги к другому необходимо каждый раз образец механически очищать от абразива и поворачивать на 90є к направлению перемещения его на предыдущей бумаге. Заканчивать шлифование на используемой бумаге следует после полного удаления рисок (царапин), созданных на предыдущей бумаге (рис. 3б).

Полирование образца. Полирование шлифов производят на полировальной установке (станке) с вращающимся металлическим диском, обтянутым тонким сукном, фетром или другим материалом. На ткань полировального круга периодически наносят суспензию (водная взвесь окиси хрома (Cr2O3) в виде мелкозернистого порошка) или автомобильную полировальную пасту, предварительно взбалтывая ее. Поверхность микрошлифа должна приобрести зеркальную поверхность (рис. 3в).

Рисунок 2. Обработка микрошлифа на установке «ШЛИФ - 2М»

микроструктурный углеродистый конструкционный сталь

Рисунок 3. Подготовка микрошлифа:

а - образец изъятый с места аварии для исследования; б - отшлифованный микрошлиф; в - отполированный микрошлиф; г - протравленный микрошлиф

Выявление микроструктуры образца. На отполированный микрошлиф с помощью ватной палочки наносят 3-4% спиртовой раствор азотной кислоты (для углеродистых сталей), затем выдерживают 2-3 секунды до появления признаков протравки, затем нейтрализуют действие травящего состава техническим спиртом, после чего просушивают поверхность шлифа промоканием фильтровальной бумагой (см. рис.3г). Время травления зависит от концентрации реактива, природы металлического материала и, как правило, устанавливается экспериментально по изменению отражательной способности и цвета поверхности шлифа. Признаком достаточной степени травления является исчезновение зеркальности поверхности и приобретение ею светломатового оттенка.

Изучение микроструктуры образца на металлографическом микроскопе. Подготовленный микрошлиф устанавливают на предметный столик металлографического микроскопа с компьютерной обработкой данных, настраивают резкость и контрастность изображения и фотографируют микроструктуру образца. Данный метод приобрел особую актуальность с связи с возросшими темпами строительства быстровозводимых конструкций со стальным несущим каркасом. Известно, что в строительстве быстровозводимых конструкций применяются низкоуглеродистые стали обыкновенного качества марок Ст1, Ст2, Ст3. (например: из Ст3 изготавливают швеллеры, из Ст1, Ст2, Ст3 изготавливают катанку для арматуры, уголки, а из Ст 10, 15, 20 трубы). Такие стали содержат небольшое количество углерода и обладают высокой вязкостью, поэтому такие стали устойчивы к зарождению и распространению усталостных трещин. Усталостные трещины, возникающие в структуре металла очень опасны, так как могут приводить к разрушению конструкции. Микроструктура низкоуглеродистой Ст 3 представляет из себя мелкокристаллическую двухфазную систему, состоящую из перлита (мелкодисперсная механическая смесь феррита и цементита) и феррита. см. рис. 4а.

Рисунок 4. Микроструктура Ст 3 (увеличение х 400)

а - Микроструктура Ст3 без перегрева (черные кристаллы - перлит, белые - феррит); б - Микроструктура Ст3 после воздействия высокой температуры (Т=1100 єС)

На рисунке 4 мы видим микроструктуры Ст3 до теплового воздействия (рис.4 а) и после воздействия высокой температуры в окислительной атмосфере воздуха (рис.4б).

Ст 3, не подверженная воздействию высокой температуры имеет мелкозернистую структуру, а Ст3, побывавшая в условиях пожара обладает крупнозернистой структурой. Чем меньше размеры кристаллов феррита (кристаллы белого цвета), тем выше прочность и твердость стали. При воздействии высокой температуры кристаллы феррита начинают увеличиваться в размерах, т.к. при большей поверхности кристалла он будет обладать меньшей свободной энергией. Соответственно если эксперт, при изучении микрошлифа стали видит крупнокристаллическую структуру, то он может судить с определенной степенью точности о потере прочности данной конструкции.

Список литературы

1. Пучков П. В., Киселев В.В., Топоров А.В. Поведение конструкционных углеродистых сталей в условиях пожара. Современные пожаробезопасные материалы и изделия: технология, свойства, применение: сборник материалов IV межвузовского научно-практического семинара (22 мая 2014 г.) / сост. С.В. Беляев. - Иваново: Отделение организации научных исследований экспертно-консалтингового отдела Ивановского института ГПС МЧС России, 2014 г. с.

2. Страхов В. Л., Кругов А. М., Давыдкин Н. Ф. Огнезащита строительных конструкций. -- М.: ТИМР, 2000. -- 436 с.

3. Романенков И. Г., Зигерн-Корн В.Н. Огнестойкость строительных конструкций из эффективных материалов. - М.: Изд. Стройиздат, 1984.- с.28.

Размещено на Allbest.ru