Антипродукция

Опубликовано в Металлография.

 Как мы уже сказали на главной странице – Металлография есть искусство. Согласно данным Википедии (статья «Безобразное»), искусство часто обращается к воспроизведению безобразного, как к символу отрицательных проявлений действительности. Изображение безобразного средствами искусства способно доставлять эстетическое удовольствие, вызванное искусностью отражения и разгрузкой отрицательных эмоций.

Нельзя сказать, что безобразное с точки зрения металлографии способно вызывать эстетическое удовольствие и разгрузку отрицательных эмоций (разве только, если обнаружили это безобразное у конкурентов). Другое дело, если рассматривать эстетическое удовольствие, вызванное искусностью отражения безобразного. Если безобразное есть символ отрицательных проявлений действительности, то безобразное должно быть представлено максимально искусно.

Обычно мы пишем об идеальных (или близких к ним) структурах, разрабатываем на них стандарты, эталоны и т.д. При такой постановке вопроса известно, как выглядит прекрасное в металлографии, а вот как выглядит безобразное - не всегда. Тем более, что не считается нужным тратить на все это силы, фотопластинки (в прошлом), файлы (в настоящем), а также писать на эту тему. По этим причинам литературы, представляющей дефекты в металлах и сплавах, не так уж и много. Вместе с тем, металлография, а также металлография в Беларуси в частности, невозможны без рассмотрения «безобразного», названного нами «Антипродукция».
Почему «Антипродукция»? Приставка «анти» употребляется для обозначения противоположности, противодействия, враждебности, направленности против кого- или чего-нибудь, вопреки чему-либо. Следовательно, можно дать определение. Антипродукция – это нечто, произведенное в противоположность нормальной продукции, враждебное нормальной продукции и направленное против нее, а также нас с вами. Причем производится такая продукция вопреки элементарному здравому смыслу.
В настоящее время рассмотрение вопроса об антипродукции в Беларуси назрело в достаточной степени. В свое время мы уже высказывались по этому вопросу (А.Г.Анисович, И.Н.Румянцева. Антипродукция: проблема качества металла. Литье и металлургия. 2009. - №3(52)). К сожаления, с того времени наша коллекция антипродукции только прирастает «экспонатами». Среди них встречается и то, что с точки зрения специалиста вообще не должно было бы иметь права на существование. Антипродукция в Беларуси в большой степени обусловлена бракованным металлом, наводнившим наш рынок.
Ниже представлено несколько вопиющих примеров антипродукции, для оценки которых существующих стандартов уже «не хватает».

Неоднородность сплавов по составу


На рис.1 показаны протяженные включения сульфидов в стали 15ХГМ, а также неоднородность структуры и химического состава вблизи сульфидного включения.

сульфиды в стали 15ХГМ  сульфиды в стали 15ХГМ 

Рисунок 1. Брак в структуре стали 15ХГМ.


На рисунке 2 представлен участок структуры стали Р18 (деталь – метчик), со-держащий также дефекты, не регламентированные ГОСТ, но существенно влияющие на свойства стали.

несплошность в стали Р18

Рисунок 2. Дефекты структуры метчика.

Несоответствие стали по составу


Одним из характерных примеров поступления некачественного металла на территорию Беларуси является нержавеющая сталь, поименованная как 12Х15Г9НД. Сертификат на такую продукцию выдавался (на момент 2008-2009 гг) в системе добровольной сертификации стали в России (www.staltest.ru). На территории Республики Беларусь для нержавеющих и коррозионностойких сталей и сплавов в настоящее время действует ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные». Изделия для пищевой промышленности регламентируются РТМ 27-72-2-78 «Машины и оборудование продовольственные»; СТБ 98-2002 «Изделия хозяйственные, бытовые из металлов и их сплавов. Общие технические условия». Марка стали 12Х15Г9НД в ГОСТ не существует. Произведенная из такой стали антипродукция представлена на рисунке 3,а в виде вентиляционной решетки в помещении плавательного бассейна, на которой после трех месяцев эксплуатации образовался налет ржавчины. В том, что это именно ржавчина, сомневаться не приходится. Во-первых, в пользу ее присутствия говорит цвет. Можно сравнить с известными "аналогами". На рисунке 3,б показана поверхность детали, пролежавшей несколько лет в поле, со значительным слоем окисла на поверхности.

 rama-  FeO
 а б 


Рисунок 3. Ржавчина на "нержавеющей" стали (а) и ржавчина, образовавшаяся в естественных условиях (б).

Применение рентгеноструктурного анализа позволяет дополнить картину. Фазовый состав сплава, из которого изготовлена решетка: легированный аустенит (твердый раствор углерода и легирующих элементов в -железе) и окисел железа -Fe2O3H2O (таблица). Легированный аустенит Fe является фазой нержавеющей стали. Сложное соединение железа (-Fe2O3H2O) в состав стали не входит и является ржавчиной, находящейся на поверхности исследуемого участка, что и наблюдается в виде фазы красного цвета на рисунке 3,а.

Таблица. Результаты рентгеноструктурного анализа поверхности стали.

№п/п  Угол дифракции (2 Межплоскостное расстояние, ангстремы    Фаза
1   12.333   7.199      -Fe2O3H2O
  24.917   3.577   -Fe2O3H2O
  33.667  2.661    -Fe2O3H2O
4 35.333  2.544  -Fe2O3H2O
5  36.125  2.484  -Fe2O3H2O
6 42.333  2.137  -Fe2O3H2O
7  43.5  2.07  (111) - Fe
8  50.59  1.8  (200) - Fe
9 74.585  1.26  (220) - Fe
10  90.33  1.081 (311) - Fe

                                                Брак литья                                                                 

В некоторых случаях брак в структуре металла возможно увидеть невооруженным глазом. На рис.4 представлена деталь отопительной арматуры из серого чугуна с каверной на поверхности (рис. 4 а, указано стрелкой). Поскольку деталь при испытаниях на герметичность пропускает воду, то возможно предположить, что отмеченный дефект связан с несплошностью металла. В этом случае для анализа поверхности (на которой изготовление шлифа проблематично), может быть использовано темнопольное изображение. Участок, содержащий несплошность (рис.4,а), сфотографирован в темном поле. В светлом поле невозможно получить изображение такого дефекта, т.к. требуется большая глубина резкости, чем может обеспечить металлографический микроскоп. В темном поле можно рассмотреть конфигурацию дефекта (рис.5). 

дефект топливной арматуры  элемент топливной арматуры 
 а б 

Рисунок 4. Деталь отопительной  арматуры (литье, серый чугун): а - боковая поверхность с дефектом; б – торец с несплошностью. 

несплошность в чугуне; темнопольное освещение

 Рисунок 5. Несплошность металла (темнопольное освещение). панорама, монтаж вручную.

Ммикроструктурный анализ позволяет проследить распространение пористости по сечению всего образца. В месте обнаруженного визуально дефекта был сделан  шлиф. На рис. 6 представлено поперечное сечение дефекта; травление не производилось. Дефект представляет собой пору, образовавшуюся при литье (рис.6,а); от нее распространяется сквозная пористость через все сечение изделия (рис. 6,б). При испытаниях на герметичность такая деталь пропускает воду, т.е. имеют местосквозные дыры при толщине стенки чугунного литья 3 мм. 

несплошность в сером чугуне  пористость в сером чугуне 
 а б 

Рисунок 6. Микроструктура у кромки поперечного шлифа: а –несплошность у кромки образца; б- продолжение несплошности вглубь изделия.

Пережог в сплаве Д16

Как мы уже говорили на данном сайте, современное металлографическое оборудование предоставляет самые широкие возможности для детального анализа структурных эффектов в различных сплавах.
Пережог сплавов относится к достаточно распространенным ошибкам термической обработки. Он легко идентифицируется металлографически по оплавленным границам зерен, а также по резкому снижению механических свойств. Пережог возможен, прежде всего, в сплавах с узкой зоной гомогенности. К таким сплавам относится сплав Д16, принадлежащий к системе Al-Cu-Mg. Пережог в сплаве Д16 описан в известном учебнике А.П.Гуляева разных лет издания, монографии Колачева (Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1972) и т.д. Качество иллюстративного материала в этих изданиях соответствует металлографическому оборудованию того времени. Поэтому мы посчитали полезным привести некоторый материал, чтобы проиллюстрировать структуру пережога в данном сплаве возможностями современного оборудования.
В состоянии поставки сплав Д16 имеет типичную структуру горячекатанного листа, сформировавшуюся при прокатке и плакировании – покрытии сплава алюминием для предотвращения коррозии. В структуре сплава в состоянии поставки присутствуют включения фаз, как распределенные по матрице сплава, так и сконцентрированные в границах зерен (рис. 7). Включения фаз – это интерметаллидные соединения CuAl2 (-фаза), Mg2Si, Al2CuMgS -фаза, а также включения железистых фаз (FeAl3 и тройных фаз систем Fe-Si-Al, Fe-Cu-Al, Fe-Mn-Al) которые характерны для сплава Д16 после изготовления полуфабриката (прокат). Матрица сплава – твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Структура сплава может несколько отличаться для разных поставок. На рисунках 7 и 8 показана структура сплава Д16 в состоянии поставки – современного производства и 80-х годов прошлого века соответственно. Принципиальные отличия невелики, структуры различаются дисперсностью и количеством нерастворимых включений железа и кремния.

duralumin1 duralumin2
                                          а                                                 б

Рисунок 7. Структура сплава Д16 в состоянии поставки;  производство Россия

Термической обработкой сплава Д16 является закалка и старение, естественное или искусственное. Закалке предшествует гомогенизация. Сплав Д16 имеет область гомогенности порядка 10 градусов. Гомогенизация сплава Д16 проводится при температурах в интервале 495...505оС.

duralumin3  duralumin4 
                                          а                                             б 

Рисунок 8. Структура сплава Д16 в состоянии поставки; производство СССР.

При гомогенизации интерметаллидные фазы переходят в состав твердого раствора. Если гомогенизация была проведена недостаточно, в структуре сплава могут присутствовать нерастворившиеся фазы, в частности на рис.9 – по границам зерен.

duralumin5 duralumin6
                                           а                                              б

Рисунок 9. Нерастворившиеся фазы в сплаве Д16

duralumin7 duralumin8
                                       а                                            б

Рисунок 10. Структура сплава Д16 после закалки 

После закалки с превышением температуры гомогенизации структура сплава представляет собой типичную структуру пережога. При этом оплавление происходит по границам зерен, где наблюдается формирование эвтектики (рис.10, а; 11,а). Крупные включения эвтектики фиксируются также в теле зерна (рис. 10, б; 11, б). Структура на рис. 10,а  аналогична приведенным в металловедческой литературе прошлого века.

duralumin9 duralumin10
                                             а                                                  б

Рисунок 11. Эвтектика в сплаве Д16 после закалки с пережогом 

Также в сплаве наблюдается усадочная пористость (рис. 10, а), что связано с кристаллизацией жидкой фазы при пережоге. Результатом закалки с пережогом могут быть трещины, которые формируются по местам "слабины" - по границам зерен (рис.12, 13).

duralumin11-

Рисунок 12. Трещины в сплаве Д16 после закалки ; макроструктура

duralumin12  duralumin13 
 а б 

Рисунок 13. Трещины в сплаве Д16 после закалки; микроструктура, поперечный шлиф.