На энергомашиностроительных предприятиях

Материаловедение начинает применяться сразу при поступлении на завод металлопродукции – проката, поковок, литья - при осуществлении входного контроля. Устанавливается соответствие поступивших материалов требованиям нормативной документации; по химическому составу, механическим и коррозионным свойствам, наличию недопустимых дефектов. Последнее проверяется путем осуществления контроля макроструктуры, которое будет подробно рассмотрено в лабораторной работе №2. Контроль осуществляется визуально или с применением специального оборудования: стереомикроскопов (Рис.1.1), видеоэндоскопов (Рис.1.2) и др. Обнаруженные дефекты характеризуются по внешним приз-накам и сравниваются с эталонными. Химический состав можно оценивать непосредственно

 
 

на поверхности изделий в требуемом месте переносными приборами. Традиционно для этих целей используют стилоскоп, с помощью которого определяют химический состав путем анализа оптических спектров электрической дуги, возбужденной между электродом и анализируемой поверхностью. В последние годы получили широкое распространение портативные рентгенофлуоресцентные анализаторы. На рис.1.3 показан процесс оценки химсостава металла с помощью такого прибора. Для контроля химического состава металлических материалов, в т.ч. сварных швов, на соответствие нормативно-технической документации, применяют стационарные высокоточные оптические и рентгено-флуоресцентные спектрометры.


 

Одновременно анализируется

 
 

до 30 элементов. На рис.1.4 приведен современный высокоточный оптико-эмиссионый спектрометр «Foundry-Master LAB». Возможности определения химического состава сталей с помощью этого прибора приведена в табл.1.1. Важно отметить высокую точность определения содержания вредных примесных элементов: P, S, As, Sn, и др. Для контроля содержания легких элементов, таких как H, O, N и др., используют другие приборы, Наиболее качественные результаты обеспечивают приборы фирмы «Leco».

 
 

Для анализа микроструктуры, в основном, используют оптические микроскопы. Современные приборы оснащены встроенной системой управления и компьютерной обработки результатов, что позволяет, например, осуществлять цифровую обработку и количественный анализ структуры материалов. На рис. 1.5 приведен комплекс для количественного анализа микроструктуры на базе оптического микроскопа «Carl Zeiss».

Значительно расширяют возможности микроструктурного анализа растровые электронные микроскопы. Принцип действия таких приборов основан на сканировании анализируемой поверхности остро сфокусированным электронным лучом в вакууме. При этом в облученном участке возбуждается вторично-электронная эмиссия, которая фиксируется регистрирующей аппаратурой (Рис.1.6). Компьютерная обработка сигнала, регистрируемого датчиком вторичной электронной эмиссии позволяет получить качественное изображение поверхности анализируемого объекта.


В последнее время произошло резкое развитие аппаратуры микрозондового анализа с высокими показателями локальности и разрешающей способности, Для этих целей используют различные типы РЭМ, снабженные дополнительным оборудованием: рентгеновскими спектрометрами для микрорентгеноспектрального анализа (МРСА), с программами качественного и количественного элементного анализа, датчиками отраженных электронов, Оже –электронов и других видов вторичного излучения. Локальность метода зависит от размера сферической области, в которой возбуждается излучение (голубое пятно на рис.1.6).

Высокая точность при определении распределения компонентов в сталях достигается при использовании метода МРСА, который основан на анализе рентгеновского характеристического излучения, возникающего при облучении исследуемого объекта узким (до 1 мкм) пучком электронов (зондом). По длине волны и интенсивности рентгеновского излучения определяют, какие элементы и в каком количестве присутствуют в выбранном зондом микрообъеме (Рис.1.6). Для выбора исследуемого участка на образце применяют встроенный световой микроскоп. С помощью МРСА определяются все элементы от бора (порядковый номер Z ‑ 5) до урана (Z ‑ 92). В настоящее время они выпускаются, как правило, в виде приставок к РЭМ (Рис.1.7); при этом оба прибора удачно дополняют друг друга. Например, имеется

 

 

возможность выяснения причины того или иного типа разрушения с учетом химической неоднородности (сегрегации атомов по месту разрушения ‑ очаге), что позволяет достоверно выяснить причину возникновения разрушения. Так, на рис. 1.8 показано хрупкое разрушение многопроходного сварного соединения низколегированной стали при испытаниях на ударный изгиб, наблюдаемое в стереомикроскопе. Фрактографический анализ (исследование поверхности излома) в РЭМ участка под надрезом уже при небольшом увеличении выявил междендритный характер хрупкого разрушения (Рис. 1.9). При большем увеличении видно (Рис.1.10), что наряду с междендритным, присутствует хрупкое разрушение тела дендритов по плоскостям спайности. Такие детали при малом увеличении неразличимы. Дополнительное исследование методом МРСА может при этом выявить химсостав включений, образовавшихся на границах дендритов.

Одним из наиболее важных и распространенных методов изучения строения металлов и сплавов является рентгеноструктурный анализ. В основе этого метода лежит рассеяние рентгеновских лучей (обычно используют рентгеновские лучи с длиной волны порядка размера атома) электронами твердого тела. Для этих целей используют рентгеновские дифрактометры. Анализ дифракционной картины (Рис.1.11б) позволяет определить атомно-кристаллическую структуру вещества. Разработаны специальные методы прикладного рентгеноструктурного анализа, которые предоставляют возможность исследовать различные нарушения кристаллического строения, устанавливать напряжения в металлах, проводить качественный и количественный фазовый анализ сплавов, исследовать характер колебания атомов (динамику решетки).

Для анализа механических свойств сталей и сплавов проводят механические испытания по стандартным методикам на специализированном оборудовании. При этом определяют характеристики прочности, упругости, пластичности, ударную вязкость, твердость, циклическую прочность и др. На рис. 1.12 показан современный автоматический твердомер VH 3100 фирмы «Wilson», позволяющий осуществлять измерения макро- и микротвердости с высокой точностью и локальностью.

Испытания на растяжение при различных нагрузках и режимах нагружения при повышенных и пониженных температурах осуществляют на универсальных разрывных машинах. На рис.1.13 показано современные разрывные машины фирмы «Zwick» с электронных силоизмерением, компьютерным управлением и обработкой результатов, которые позволяют получать характеристики прочности и пластичности при испытаниях на растяжение и сжатие.

Для испытаний на ударную вязкость при различных температурах и определения критических температур хрупкости используют маятниковые копры. На рис. 1.14 показан маятниковый копер фирмы «Zwick» с энергией маятника 450 Дж. Копер оснащен криостатом и позволяет осуществлять испытания в автоматическом режиме.

 
 

Для оценки технологических и эксплуатационных свойств материалов используют спецлизированное оборудование и стенды. Например, при термической обработке, сварке, обработке давлением, важнейшими параметрами являются скорость нагрева и охлаждения, температурно-временной интервал превращений и другие параметры. Для анализа таких процессов проводят термический анализ. Одним из его методов является дилатометрия. На рис. 1.15 показан дилатометр DIL805, позволяющий автоматически определять изменение размеров образцов в

условиях контролируемого нагрева и охлаждения. На рис. 1.16 показан один из примеров использования дилатометрического анализа: построенные с его помощью термокинетические диаграммы, графики изменения температур превращений в сталях во времени.

В ряде случаев для оценки технологических или эксплуатационных свойств материалов проводят натурные испытания полномасштабных образцов или изделий. Иногда внутри работающего оборудования помещают специальные образцы-свидетели, которые после эксплуатационной выдержки подвергают стандартным испытаниям для оценки влияния условия работы на свойства материалов. Для оценки свариваемости в различных условиях проводят сварку специально сконструированных проб с последующим исследованием образующихся дефектов и макроструктуры материалов.

Для анализа износостойкости сталей и сплавов, обрабатываемости резанием, способности к горячей деформации, коррозионной стойкости, оценки литейных свойств и т.д. проводят специальные испытания.

Порядок анализа свойств ответственных деталей и сварных металлоконструкций изделий, при поломке которых или выходе их из строя в процессе эксплуатации могут произойти аварии с человеческими жертвами, значительным ущербом экологии и объектам жизнедеятельности, регламентирован нормами и правилами соответствующих ведомств и надзорных органов. Регламентируются объекты, на которые распространяются «правила», требования к конструкции, применяемым материалам и технологиям, монтажу, правилам контроля, эксплуатации и ремонта и т.д. Регламентирован порядок расследования причин появления дефектов и аварий в процессе изготовления и эксплуатации. Так, в атомной энергетике действуют «Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-008-89)» / / и другие нормы. На тепловых электростанциях и других объектах, эксплуатирующих установки с водой и паром высоких параметров, действуют «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды (ПБ 10-573-03)» / /. На объектах, где эксплуатируются сосуды под высоким давлением, руководствуются «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 03-576-03)» / /. Для морских судов и буровых платформ, в шахтах, объектах нефте- и газодобычи и т д., действуют свои нормативные документы, нарушение которых влечет для ответственных работников и руководителей наказания вплоть до судебных.

В последние годы проводится активная работа по адаптации действующих в России стандартов и правил к нормам, действующим в Евросоюзе (Правила ISO», переход на работу по этим правилам.