Цель работы: определить тип и химический состав неметаллических включений на полированных шлифах в стали с помощью энергодисперсионной приставки-микроанализатора INCA x -max к растровому электронному микроскопу.

Теоретический материал

Общее описание неметаллических включений в стали

Неметаллические включения (НВ) представляют собой главным образом химические соединения металлов с кислородом, серой, азотом и другими неизбежными неметаллическими примесями, присутствующими в виде обособленной фазы.

Количество включений в различных сталях различно и может колебаться от менее 0,001 % до 0,1 % (объемная доля). Требования по чистоте от НВ постоянно повышаются. Так, содержание серы и связанных с ее содержанием сульфидов в современных трубах для магистральных газопроводов регламентируется стандартом - не более 0.001 %. Даже в том случае, если их количество незначительно, НВ, образующиеся при выплавке, разливке и дальнейшей термообработке стали, могут быть распределены неравномерно в объеме металла, образуя кластеры и скопления, тем самым оказывая значительное влияние на свойства и параметры качества трубной стали. Загрязненность стали НВ определяют в соответствии с ГОСТ 1778-70 как в сравнении с эталонными шкалами, так и непосредственным подсчетом количества и объемной доли НВ.

По происхождению НВ различают [1]:

Эндогенные неметаллические включения - соединения, образовавшиеся в стали в результате химических реакций, протекающих в процессе ее выплавки, раскисления и разливки, и вследствие изменения растворимости примесей в процессе кристаллизации слитка.

Экзогенные неметаллические включения представляют собой продукты эрозии огнеупоров, частицы шлака, включения из ферросплавов, руды и т.д., не успевшие всплыть на поверхность жидкого металла или раствориться.


По химическому составу различают кислородные, сульфидные, нитридные НВ.

Наиболее распространены кислородные неметаллические включения. Встречаются в виде простых окислов (FeO, Al2O3, SiO2 и др.), сложных окислов типа шпинелей (FeO * Cr2O3, MgO * AI2O3 и др.) и алюминатов (nCaO * m Al2O3 и др.), силикатов и силикатных стекол (2FeO * SiO2, 3Al2O3 * 2SiO2 и др.).

Сульфидные неметаллические включения чаще всего присутствуют в стали в виде сульфидов марганца и железа, образующих непрерывный ряд твёрдых растворов FeS — MnS. Встречаются также сульфиды CaS, TiS, ZrS и др.

Сульфиды могут образовывать и легирующие элементы, такие как никель и кобальт (легкоплавкие нестойкие), а также хром, цирконий, титан, ниобий, ванадий (более тугоплавкие).

Нитридные неметаллические включения в значительном количестве содержатся в сталях и сплавах, легированных нитридообразующими элементами; наиболее распространены TiN, ZrN, AIN, NbN, VN.

Влияние НВ на свойства стали может быть благородным , но в большинстве случаев оно вредно.

Размер неметаллических включений колеблется в широком интервале : от нанометрового диапазона (100-300 нм) до сотен микрометров и более. Различные виды разрушения связаны с включениями разного раз­ мера. При хрупком разрушении неметаллические включения опасны лишь как пер­ вичный очаг, когда их размер

где К1с - критерий хрупкого разрушения, σт- предел текучести стали.


Для высокопрочных сталей d кр = 2 мм , т. е. хрупкое разрушение могут вызвать лишь крупные экзогенные включения. Вязкое разрушение практически всегда контролируется вклю­чениями. На дне ямок, характеризующих вязкий излом стали, практически всегда имеются неметаллические включения (ими могут быть также карбиды, нитриды) (рисунок 1), размер которых не превышает 0,05...0,5 мкм. Эти включения определяют работу распространения вязкого излома, тогда как более крупные включения (несколько мкм) обуславливают стадию зарождения вязкого излома. Неравномер­ность распределения неметаллических включений уменьшает энергоемкость вязко­го разрушения, т. е. размер ямок увеличивается.

Рисунок 1- НВ на дне ямок вязкого излома, трубная сталь 09Г2ФБ


Неметаллические включения увеличивают анизотропию механических свойств деформированной стали, особенно показатели пластичности - относительное сужение и относительное удлинение. Эти свойства в направлении поперек прокатки могут быть в 1,5...3,0 раза ниже, чем в направлении вдоль прокатки. На поперечных образцах не­металлические включения могут обусловливать появление шиферно­ го излома. Особенно опасны неметаллические включения при испыта­нии механических свойств по толщине листа - снижается не только пластичность стали, но и ее прочность.

В большинстве случаев НВ - сложные вещества самого разнообразного состава и строения, которые зависят от состава стали, способа ее выплавки, могут меняться от плавки к плавке даже в стали одной и той же марки [2].

В связи с этим важно знать химический и минералогический состав НВ, природу и источники их возникновения.

Способы определения типа и состава НВ

Существуют различные методы определения типов НВ в стали, основные из них:

  • Металлографический, при котором исследуются полированные микрошлифы металла;
  • Электронномикроскопический, позволяющий при значительных увеличениях (до х20000) визуально находить мельчайшие НВ, определять их состав с помощью энергодисперсионных приставок-микроанализаторов.

Металлографический метод определения типа НВ

Металлографический метод относится к оптическим методам качественного определения типа включения. Любое исследование НВ в стали обязательно начинается с изучении их на подготовленных (прошедших шлифовку, полировку ) шлифах. Изучение НВ проводится в различных увеличениях (х50-х1000) и типах равномерного освещения: в светлом поле зрения, в темном поле зрения , в полиризованном свете и др.

Основные характеристики, по которым определяют тип НВ:

  • величина включения (например : «мелкие», «очень крупные»);
  • внешняя форма НВ (например : «глобулярная», «вытянутая»);
  • расположение НВ (например : «равномерное», «групповое»);
  • строение НВ (например : «однофазное», «эвтектическое»);
  • прозрачность НВ (например : «прозрачные», «полупрозрачные»);
  • цвет (окраска) НВ (например : «голубовато-зеленые», «черные»);
  • анизотропия НВ (например : «изотропные», «анизотропные»);
  • явление темного креста (например : глобулярные прозрачные кварцевые стекла).

Каждая отличительная характеристика метода оптической металлографии в отдельности далеко не всегда позволяет безошибочно определить тип НВ, поэтому необходимо учитывать все его характеристики в совокупности.

Так сложные сульфиды FeS -MnS могут являться пластичными, вытянутыми вдоль ковки в виде нитей, непрозрачными, изотропными включениями серовато- голубого цвета.

Электронномикроскопический метод определения состава НВ

Применение рентгеновского микроанализа (РМА) (энергодисперсионный микроанализатор - энергетический безазотный дрейфовый детектор (ADD ) INCA x -max ) в составе растрового электронного микроскопа позволяет оперативно, точно, надежно и качественно идентифицировать природу НВ (элементы от Be ) в исследуемых образцах.

Описание работы (включение прибора, подготовка и установка образцов и т. д.) на растровом электронном микроскопе приведено в предыдущих лабораторных работах.

Описание системы микроанализа INCA Enegry SEM

Система микроанализа построена в виде навигатора и включает в себя пять логических шагов (таблица 1) в исследовании состава неметаллического включения на шлифе.

Таблица 1 - Система INCA Enegry SEM микроанализа неметаллических включений

Шаг «Участок анализа»

Получение снимка во вторичных или отраженных электронах исследуемого неметаллического включения.

Шаг «Набор Спектра»

Выбор неметаллических включений на растровом снимке для набора рентгеновских спектров. Автоматическое определение пиков в спектре и элементов во включении.

Шаг «Проверить Элементы»

Проверка и уточнения автоматически идентифицированных элементов.

Шаг «Количественный Анализ»

На основе идентифицированных на предыдущем этапе элементов автоматический расчет их количественные содержания.

Шаг «Отчет»

Подготовка электронного отчета о природе неметаллических включений


Примеры обнаруженния неметаллических включений в различных сталях и определения их типа с помощью энегодисперсионной приставки-микроанализатора INCA x -max в программе INCA Enegry SEM (во всех ренгеновских спектрах по оси асбцисс – энергия квантов рентгеновского излучения в кэВ, по оси ординат – количество квантов ренгеновского излучения, попавших в детектор):

а) Сталь 15Х2НМФА: оксиды кремния, силикаты, алюмосиликаты в сульфидной оболочке и сульфиды марганца (рис. 2, 3);

б) Сталь 38ХН3МФА-Ш: оксиды алюминия и сульфиды марганца (рис. 4)

в) Сталь 40Х2Н2МА: мелкие оксиды алюминия (рис. 5)

 

а)

б)

в)

г)

д)


Рисунок 2 - Электронно-микроскопические изображения неметаллических включений (а, г) и соответствующие им рентгеновские спектры (б, в, д) в стали 15Х2НМФА.

а)
б)
в)

Рисунок 3 - Электронно-микроскопические изображения НВ (а) и соответствующие им рентгеновские спектры (б, в) в стали 15Х2НМФА.

а)

б)

в)


Рисунок 4 - Неметаллические включения, обнаруженные в стали 38ХН3МФА-Ш (СЭМ) (а,г), и соответствующие им химические спектры (РМА) (б,в,д)

а)
б)

Рисунок 4 - Неметаллические включения, обнаруженные в стали 38ХН3МФА-Ш (СЭМ) (а,г), и соответствующие им химические спектры (РМА) (б,в,д)

а)
б)

Рисунок 5 - Характерное неметаллическое включение в стали 40Х2Н2МА(а) и его химический состав (б)


Пример определения химического состава НВ

Сталь 15Х2НМФА: оксид кремния (рисунок 5, таблица 2).

а)
б)

Рисунок 6 - Оксид кремния: а) вид НВ на шлифе в СЭМ, место анализа, б) рентгеновский спектр

Таблица 2 - Химический состав оксида кремния

Элемент

Весовые %

Атомные %

 

 

 

O

65.95

77.27

Si

34.05

22.73

 

 

 

Сумма

100.00

100.00


Вопросы для допуска к лабораторной работе

  1. Что такое НВ, сколько их в стали, какой у них размерный диапазон ?
  2. Какие НВ бывают по происхождению?
  3. Какие НВ бывают по химическому составу?
  4. Какие методы определения типа НВ существуют?
  5. Как определить состав НВ в стали с помощью приставки - энегодисперсионного микроанализатора к растровому электронному микроскопу?

Сценарий лабораторной работы

  • Ознакомиться с теоретическим материалом к работе и Правилами техники безопасности
  • Включить РЭМ
  • Установить образец
  • Определить тип и химический состав неметаллических включений на поверхности шлифа в стали, предложенной преподавателем.
  • Извлечь образец
  • Выключить РЭМ
  • Составить отчет по работе

Контрольные вопросы

  • Опишите из металлографии способы подготовки шлифов для исследования НВ.
  • Опишите порядок определения состава НВ с помощью РЭМ.
  • Как влияют НВ на свойства исследуемых Вами сталей?
  • Опишите особенности РСМА при определении состава НВ
  • Можно ли определять состав НВ в изломах?
  • Какой минимальный размер НВ можно исследовать методом РСМА?

Список использованных источников

  1. Сталь на рубеже столетий. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. – М.: МИСиС, 2001.
  2. Червяков А.В., Киселева А., Рыльникова А.Г. Металлографическое определение включений в стали. -М.5 Металлургиздат. 1962 г. 248 с
  3. ГОСТ 1778-70 Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений