Металлографические исследования сварных соединений

Металлографическое исследование сварных соединений позволяет на образцах, вырезанных из шва, установить структуру металла и качество сварного соединения, выявить наличие и характер дефектов. Исследование производится на ограниченном количестве образцов и применяется главным образом для лабораторно-исследовательских работ.

Металлографическое исследование сварных соединений производится для определения макро- и микроструктуры. Для исследования из сварного соединения вырезается образец таких размеров, чтобы в него вошли сварной шов, зона термического влияния и основной металл, не подвергавшийся влиянию тепла. Обычно размер образца (щлифа) не превышает 50 - 100 мм и зависит от толщины металла и режима сварки. Вырезка образцов из сварных соединений производится вдоль или поперек шва механическим способом без нагрева. Методика изготовления шлифов образцов сварных соединений общая для всех металлографических исследований; она заключается в шлифовке, полировке и травлении специальными реактивами поверхности исследуемого металла.

Металлографическое исследование сварных соединений начинают с определения макроструктуры (увеличение до 20 раз); определяют форму сварного шва, характер проплавления, расположение слоев при многослойной сварке, характер и размеры зоны термического влияния слоев и шва в целом, наличие дефектов сварки - непровара, газовых и шлаковых включений и трещин. Микроструктура ( увеличение 50 - 2000 раз) дает представление о размерах зерен, оксидных и сульфидных включениях, микропорах и трещинах.

Металлографическое исследование сварных соединений желательно дополнять химическим анализом и измерением твердости.

Металлографические исследования сварных соединений проводят для установления структуры металла, качества сварного соединения, выявляют наличие и характер дефектов. По виду излома устанавливают характер разрушения образцов, изучают макро- и микроструктуру сварного шва и зоны термического влияния, судят о строении металла и его пластичности.

При этом методе можно обнаружить окислы на границах зерен, пережог металла, частицы неметаллических включений, величину зерен металла и другие изменения в его структуре, вызванные термической обработкой. При необходимости делают химический и спектральный анализ сварных соединений.

Данный вид контроля включает исследование макро- и микроструктуры и осмотр изломов сварных соединений. Исследование изломов швов производят невооруженным глазом или с помощью лупы. По виду и цвету поверхности свежего излома определяют наличие непроваров, раковин, пор, шлаковых включений, а также пластические свойства наплавленного металла.

Мелкозернистый волокнистый серый излом, без блеска характеризует хорошую пластичность и высокую ударную вязкость металла. Крупнокристаллический блестящий излом указывает на хрупкость и низкую ударную вязкость металла. Исследование макроструктуры заключается в изучении макрошлифов сварного шва.

Макрошлифы — образцы, вырезанные из сваренных пластин и изделий в направлении поперек или вдоль шва и отшлифованные наждачной бумагой № 00.

Исследуемая поверхность образца обычно включает полное сечение наплавленного металла шва с прилегающими к нему зонами термического влияния и основного неизменившегося металла. Поверхность макрошлифа промывают спиртом и травят специальными реактивами, после чего осматривают невооруженным глазом или с помощью лупы при увеличении до 10.

Для травления стали применяются следующие реактивы:

Ø 10—12%- ный раствор двойной соли хлорной меди и хлористого аммония;

Ø 25%- ный раствор азотной кислоты;

Ø раствор, состоящий из 10% соляной кислоты, 30% серной кислоты и 60% воды и др.

Макроисследования выявляют следующие дефекты сварки:

ü непровары,

ü трещины,

ü поры,

ü шлаковые включения,

ü крупнозернистость основного и наплавленного металла,

ü неоднородность структуры металла и другие.

На протравленной поверхности отчетливо видны границы и размеры основных зон сварного шва: наплавленного металла; термического влияния; основного неизмененного металла; участка сплавления основного металла с наплавленным; отдельные слои наплавленного металла. Для получения документальных данных макроструктуры фотографируют.

Местные скопления серы в металле (даже при содержании ее до 0, 04%), которые часто приводят к трещинам, можно определить по специальным отпечаткам. Для этого лист бромосеребряной фотобумаги выдерживают 8 мин. в 5%- ном растворе серной кислоты и затем накладывают на макрошлиф. По истечении 3 мин его снимают и по коричневым точкам и штрихам на фотобумаге судят о количестве серы. Отпечаток затем закрепляют в 10%- ном растворе гипосульфита. Сталь склонна к трещинообразованию, если на отпечатке сера расположена в виде вытянутых строчек или больших местных скоплений.

Микрошлифы изготовляются и обрабатываются так же, как и макрошлифы, но их поверхность дополнительно полируется на полировальном станке.

Травление черных металлов производят следующими реактивами:

Ø 5%- ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте;

Ø 4%- ным раствором пикриновой кислоты в этиловом спирте;

Ø пикратом натрия и др.

Медь травят:

Ø 10%- ным раствором персульфата аммония в воде;

Ø 8%- ным раствором двухлористой меди в аммиачном растворе и др.

Для травления алюминия применяют:

Ø водный раствор едкого натра при концентрации от 1 до 20%;

Ø раствор из 10 см³ плавиковой кислоты;

Ø 15 см³ соляной кислоты и 30 см³ воды.

Микроисследования выявляют:

ü структуру металла, а следовательно, и его свойства во всех зонах сварного шва.

Характерные структуры фотографируются.

Наиболее часто обнаруживаются такие дефекты сварки:

ü микропоры;

ü шлаковые включения;

ü непровары,

ü микротрещины;

ü нитриды (соединения железа с азотом в виде продолговатых игл), снижающие пластичность металла;

ü окисные пленки по границам зерен наплавленного металла при его пережоге;

ü карбиды — соединения железа и других элементов с углеродом — в сталях аустенитного класса (выпадение карбидов хрома уменьшает сопротивляемость коррозии нержавеющей стали);

ü укрупненные зерна феррита или наличие видманштеттовой структуры, которые свидетельствуют о перегреве металла и его низких механических свойствах;

ü отбеливание при сварке чугуна; структуры закалки (троостит и мартенсит) при сварке легированных и углеродистых сталей.

Измерение твердости позволяет подтвердить данные микроисследований о характере структур металла шва и оценить его механические свойства. Твердость замеряется при помощи прибора Роквелла на макрошлифах через каждые 1—2 мм в направлении от верхних слоев металла к нижним, а также в перпендикулярном направлении с таким расчетом, чтобы пересечь все зоны шва. Результаты измерений приводятся в виде графиков и таблиц. Металлографические исследования позволяют наиболее тщательно контролировать качество металла швов, но связаны с разрушением сварных соединений.