CC BY
46
УДК 53.086
Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2012. Вып. 4
П. Г. Ульянов, Д. Ю. Усачёв, Б. В. Сеньковский, К. И. Борыгина, Ф. А. Николаев,
B. К. Адамчук, С. В. Пушко, А. А. Мальцев, К. С. Балиж
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДАМИ СЗМ*
В процессе старения стали при длительной эксплуатации, приводящей, в частности, к разрушению промышленного оборудования, происходят существенные изменения в её микроструктуре [1, 2]. Эти изменения традиционно регистрируют с помощью методов оптической микроскопии. Однако стремление диагностировать изменения структуры стали на более ранних стадиях разрушения приводит к необходимости совершенствования методов диагностики. Одним из направлений является увеличение разрешающей способности измерительного оборудования, что возможно при использовании методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), позволяющей проводить измерения топографии поверхности с нанометровой точностью [1, 3, 4].
Целью представляемой работы является анализ использования методов СЗМ, в частности атомно-силовой микроскопии (АСМ), для определения состояния стали по данным о микроструктуре. Общая схема решения этой задачи включает в себя: 1) подготовку поверхности шлифа, 2) получение АСМ-изображения, 3) определение числовых характеристик (ЧХ) микроструктуры, 4) сравнение ЧХ стали в известных состояниях для определения состояния диагностируемого материала.
Для демонстрации диагностики состояния стали при помощи микроскопии атомных сил проведены исследования на специально подготовленных модельных объектах. Для этого была взята одна из наиболее широко используемых марок — Ст3сп, которая изучалась в исходном состоянии, состояниях после закалки, отжига, деформирования, а также вырезанная из деталей промышленного оборудования после длительной эксплуатации. Измерения рельефа проводились на лабораторном атомно-силовом микроскопе Solver PRO-M. Ввиду высокой разрешающей способности проведение металлографических исследований стали методами СЗМ требует высокого качества механической подготовки поверхности, а также тщательного подбора реактивов, используемых для выявления микроструктуры стали, и времени травления. В данной работе средняя квадратичная шероховатость поверхности полированного образца не превышала 20 нм при области измерения 100 х 100 мкм2. Травление всех образцов проводилось в 4 % спиртовом растворе HNO3 в течение 12 с.
На рис. 1 приведены АСМ- и оптическое изображения одной и той же подготовленной области стали Ст3сп. Здесь хорошо видна зёренная структура стали, включающая основные фазы: феррит и цементит, а также их эвтектоидную смесь — перлит. Выделенный участок на АСМ-изображении (рис. 1, а) относится к основной фазе данной стали — ферриту. Для описания состояния стали в оптической металлографии используются несколько десятков ЧХ, характеризующих размеры, форму и количество зёрен различных фаз. Несмотря на общую схожесть изображений, полученных методом АСМ-и оптической микроскопии (рис. 1, б), надо признать, что АСМ позволяет получить дополнительную информацию о структуре благодаря возможности измерения перепадов
* Работа поддержана Министерством образования и науки РФ в рамках реализации проекта по контракту № 13.G25.31.0052 с ЗАО «НТИ» и РФФИ (проект № 10-08-00580).
© П.Г.Ульянов, Д.Ю.Усачёв, Б. В. Сеньковский, К. И. Борыгина, Ф.А.Николаев, В. К. Адамчук,
C. В. Пушко, А. А. Мальцев, К. С. Балиж, 2012
90 80 70 60 50 40 30 20 10
Перлит Феррит
90 мкм Цементит
Рис. 1. АСМ- (а) и оптическое (б) изображения одной области стали Ст3сп в исходном состоянии поставки
высоты с нанометровой точностью. Это существенно расширяет перечень ЧХ, используемых для определения состояния стали, трёхмерными числовыми характеристиками. Простейшими примерами таких характеристик являются общая шероховатость поверхности [5], а также средняя шероховатость зёрен основной фазы, перлита или мартенсита. Кроме того, возможность проводить АСМ-измерения в нанометровом диапазоне позволяет получить информацию об изменениях в геометрии межфазовых границ.
Средние значения шероховатостей поверхности стали Ст3сп и ширины межзёренной границы в разных состояниях представлены в таблице. Первая характеристика — это среднеквадратичная шероховатость поверхности, которая для разных состояний стали может существенно отличаться. Полная шероховатость поверхности описывает степень неоднородности поверхности и определяется в первую очередь фазовым составом. Это интегральная характеристика, характеризующая поверхность целиком. Вторая характеристика, отражающая степень неоднородности каждого из зёрен определённой фазы, — среднеквадратичная шероховатость поверхности основной фазы.
Средние значения ЧХ для образцов стали СтЗсп в различных состояниях
Среднеквадратичная Среднеквадратичная Средняя ширина
Состояние шероховатость шероховатость межзёренной
поверхности, нм поверхности основной фазы, нм границы, мкм
Поставка 67 ±5 18 ±5 1,3 ± 0,2
Закалка 81 ±5 16 ±5 0,6 ± 0,2
Отжиг 71 ±5 13 ± 5 1,2 ± 0,2
Деформация 116 ±5 45 ± 5 1,3 ± 0,2
Длительная эксплуатация 92 ±5 18 ±5 1,6 ± 0,2
0
Исследования АСМ-изображений показали, что термические воздействия приводят к существенным изменениям структуры и, как следствие, к изменению ЧХ изобра-
жения поверхности. На рис. 2 представлено изображение стали Ст3сп в состоянии после закалки. Структура стали преимущественно состоит из пластинок мартенсита (выделенная область) и незначительной доли феррита, на АСМ-изображении феррит тёмный, на фоне которого видны светлые изрезанные пластинки мартенсита. Данные приведённой таблицы свидетельствуют, что общая шероховатость поверхности возросла по сравнению с состоянием поставки. Связано это с тем, что пластинки мартенсита, имеющие существенно большую химическую стойкость, при подготовке поверхности и выявлении структуры химическим реактивом протравливаются слабее, чем зёрна феррита, и возвышаются над ними, что приводит к возрастанию общей шероховатости поверхности. Значения шероховатости зёрен феррита и фазы мартенсита практически не изменились по сравнению с состоянием поставки. Углерод, присутствующий в стали в исходном состоянии в виде перлитных колоний и частиц цементита вдоль границ, растворяется в мартенситной фазе, что приводит к значительному уменьшению ширины межзёренной границы.
При отжиге за счёт диффузионных процессов происходит устранение химической, а иногда и фазовой неоднородности, вызванной внутрикристаллической ликвацией, и, как правило, отрицательно влияющей на свойства материала. На рис. 3 представлено изображение стали после отжига, существенных изменений в структуре не произошло, на изображении, как и в состоянии поставки, присутствуют феррит, перлит и цементит, структура зёрен феррита стала более однородной (выделенная область), что привело к уменьшению шероховатости зёрен (см. таблицу). Общая шероховатость поверхности при этом не изменилась. Это вполне естественно, так как при отжиге не происходит изменения фазового состава, который определяет её в первую очередь.
Исследование стали после механических воздействий, вызвавших деформацию образцов, выявили существенные изменения (рис. 4), которые связаны с пластическим течением металла в зоне разрушения. Накопление дефектов в виде образования вакансий, дислокаций, полос скольжения, увеличение неоднородности зёрен феррита [6, 7] приводят к различной скорости травления зерна, что проявляется в существенном возрастании значения шероховатости поверхности как самого зерна феррита, так и поверхности в целом.
Процессы, происходящие в стали при длительной эксплуатации, могут носить диффузионный характер, вызванный термическим воздействием, и быть связаны с изменением структуры за счёт деформации [8]. Разделить вклад каждого процесса достаточно
Рис. 2. АСМ-изображение поверхности стали Ст3сп после закалки
90 80 70 60 50 40 30 20 10
мкм
0
мкм
90 80 70 601, 50 40 30 20 10
0
мкм
Рис. 3. АСМ-изображение поверхности стали Ст3сп после отжига
мкм
90 80 70 60 50 40 30 20 10
80 мкм
Рис. 4. АСМ-изображение поверхности стали Ст3сп после деформации
сложно, так как они могут быть сильно взаимосвязаны. На рис. 5 приведено изображение стали после длительной эксплуатации при повышенной температуре, структура стали значительно изменилась по сравнению с состоянием поставки. Произошла сфе-роидизация перлита с образованием крупных сфероидов (выделенная область), расположенных преимущественно по границам зёрен, что вызвало возрастание общей шероховатости поверхности и увеличение средней ширины границ (см. таблицу). Образование крупных частиц цементита по границам приводит к существенному снижению механических свойств материала и увеличению вероятности образования микротрещин и распространению их вдоль границ. Отсюда перспективным направлением является разработка ЧХ, характеризующих форму и размеры границ, также не имеющих аналогов в оптической металлографии.
Проведённый анализ показывает, что АС-микроскопия является информативным методом, позволяющим характеризовать состояние стали за счёт дополнительных возможностей, реализуемых в микроскопии атомных сил. Исследование среднеквадратичной шероховатости является лишь примером использования возможностей АСМ, которые не ограничиваются изучением геометрических параметров структуры. На данный
Рис. 5. АСМ-изображение поверхности стали СтЗсп после длительной эксплуатации
мкм
40
20
30
50
90
60
70
80
10
0
20 40 60
80 мкм
момент большие перспективы имеют методы исследования локальных механических свойств конструкционных материалов, магнитной структуры, значения проводимости различных фазовых составляющих [9]. Применение комплекса диагностических методов даёт возможность более точно предсказывать изменения в структуре на ранних стадиях, что позволит продлить срок службы промышленного оборудования и предотвратить аварийные ситуации.
СПбГУ совместно ЗАО «НТИ» в рамках выполнения проекта по постановлению Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» разрабатывает аппаратно-программный комплекс Solver Pipe, позволяющий проводить измерения непосредственно на промышленном оборудовании безобразцовым методом. Метрологические характеристики данного комплекса не уступают характеристикам лабораторного оборудования, что обеспечивает изображение высокого качества в целях диагностики. Программное обеспечение прибора позволяет рассчитывать несколько десятков ЧХ, используемых для автоматизированной идентификации типа микроструктуры и состояния стали методами «компьютерного зрения».
Литература
1. Hidehiko Kimura et al. Fatigue crack initiation behavior in ultrafine-grained steel observed by AFM and EBSP // JSME Int. J. (A). 2004. Vol. 47, N 3. P. 331-340.
2. Архипов О. Г., Зинченко О. В., Ковальов Д. О. и др. Оценка деградации сталей оборудования нефтеперерабатывающих и химических производств // Метал. конструкции. 2009. Т. 15, № 2. C. 115-122.
3. Ульянов П. Г., Усачёв Д. Ю., Добротворский А. М. и др. Применение микроскопа атомных сил для исследования субструктуры зёрен конструкционных сталей // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2010. Вып. 4. С. 44-48.
4. Ульянов П. Г., Добротворский А. М., Усачёв Д. Ю. и др. Применение микроскопа атомных сил для исследования наноструктуры металлов и сплавов, подвергнутых механическим и термическим воздействиям // Изв. РАН. Сер.: Физическая. 2012. T. 76, № 2. C. 176-179.
5. Мемнонов В. П., Ульянов П. Г. Экспериментальная оценка параметров распределений для шероховатости поверхности в каналах наноразмеров // Журн. техн. физики. 2011. Т. 81,
Вып. 12. C. 104-109.
6. Штремель М. А. Прочность сплавов. Ч. 1. Дефекты решётки. М.: Металлургия, 1982.
7. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. 600 с.
8. Эшби М., Джонс Д. Конструкционные материалы: полный курс: учеб. пособие / под ред. С. Л. Баженова; пер. 3-го англ. издания. Долгопрудный: изд. дом «Интеллект», 2010. 672 с.
9. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2004.
Статья поступила в редакцию 18 июня 2012 г.
