CC BY
42
П. Г. Ульянов, Д. Ю. Усачёв, А. М. Добротворский, В. К. Адамчук, Е. И. Масликова, Е. П. Шевякова, К. С. Балиж, С. В. Пушко
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОСКОПА АТОМНЫХ СИЛ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СУБСТРУКТУРЫ ЗЁРЕН КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ*
Введение. Важнейшими задачами современной техники являются повышение качества существующих и создание новых материалов, предназначенных для изготовления ответственных конструкций для различных отраслей промышленности. Главенствующее значение для этих целей по масштабам использования продолжают занимать конструкционные стали. Из них в настоящее время изготавливается более 90 % оборудования, применяемого в энергетике, нефте- и газодобыче, в производствах переработки углеводородного сырья, транспорте и т. п. До 80 % всех сталей, используемых в промышленности, составляют относительно дешёвые низкоуглеродистые стали (с содержанием углерода не более 0,25 %). Общее содержание углерода в стали оказывает значительное влияние на её микроструктуру и, как следствие, на её механические свойства. Другими факторами, определяющими эксплуатационные свойства конструкционных сталей, степень надёжности и долговечности изготовленного из них оборудования, являются: величина зерна, субструктура зёрен, обусловленная технологией изготовления (литьё, прокат, ковка и т. д.), наличие легирующих элементов и неметаллических примесей. Новые пути для повышения качества конструкционных материалов, диагностики их состояния в действующем оборудовании связаны с применением для исследования методов наноинженерии, в том числе с использованием сканирующей зондовой микроскопии, позволяющей изучить как структуру сталей, так и процессы, протекающие в них в условиях длительной эксплуатации.
Низколегированные стали имеют гетерогенную структуру, в которой присутствуют зёрна феррита - а-железа, содержащего небольшое количество растворённого углерода, перлита - эвтектоида, состоящего из железа и цементита (карбид железа FeзC), а также отдельных зёрен цементита, которые могут формироваться при распаде перлита в процессе длительной эксплуатации. Стали данного класса, как правило, содержат небольшое количество марганца и кремния, неизбежно присутствующих в шихте или специально вводимых в шихту для раскисления выплавляемого металла. Качество сталей снижается из-за наличия в них неметаллических примесей, прежде всего серы и фосфора, которые содержатся в составе исходного сырья металлургического процесса. Снижение содержания серы и фосфора улучшает качество стали, повышает её механические свойства. Механическая прочность сталей может повыситься также за счёт изменения размера зёрен и их формы, введения барьеров, препятствующих движению дислокаций и микротрещин [1, 2].
Как уже указывалось, важным фактором, влияющим на прочность металла, является структура межзёренных границ и изменение их строения в процессе длительной эксплуатации оборудования. Для качественных сталей размеры межзёренных границ составляют несколько нанометров. Ширина границ может увеличиваться под
* Работа выполнена в рамках реализации проекта по созданию высокотехнологичного производства (шифр 2010-218-01), а также РФФИ № 10-08-00580.
© П. Г. Ульянов, Д. Ю. Усачёв, А. М. Добротворский, В. К. Адамчук, Е. И. Масликова, Е. П. Шевякова, К. С. Балиж, С. В. Пушко, 2010
воздействием различных эксплуатационных условий. На границах могут выделяться карбиды и неметаллические примеси. Связь между размером зерна и прочностью металла или сплава достаточно точно описывается законом Холла-Петча [1, 2]:
°* = "' + ^'
где оу - предел текучести, oi - напряжение, связанное с сопротивлением кристаллической решётки движению дислокаций, к - константа, характеризующая материал, d - средний диаметр зерна. Однако, как только размер зерна металла или сплава становится ниже критического (~ 10 нм), прочность материала может уменьшиться, поскольку доля границ зёрен теперь становится настолько высокой, что зёрна могут легко двигаться друг относительно друга.
Анализ приведённого соотношения говорит о том, что микроструктура стали определяет её прочность. В результате даже мельчайшие изменения субструктуры стали как в процессе эксплуатации оборудования, так и в процессе специальных воздействий могут приводить к значительному изменению механических свойств конструкционных сталей [5] , что вызывает её разрушение и серьёзные аварии [6].
Микроструктура сталей обычно диагностируется с помощью оптической металлографии, которая позволяет изучать субструктуру с размерами порядка микронов. Использование диагностических методов высокого разрешения позволит расширить объём получаемой информации, анализ которой даст возможность контролировать качество стали на более высоком уровне. К одному из перспективных методов нанодиагностики относится микроскопия атомных сил [7], успешно развивающаяся в последние десятилетия. В настоящей работе приводятся результаты применения микроскопа атомных сил для исследования субструктуры зёрен конструкционных сталей на примере стали 09Г2С.
Экспериментальные условия исследования. Работа по исследованию структуры конструкционных сталей до и после длительного воздействия водородосодержащих сред при повышенных температуре и давлении проводилась на атомно-силовом микроскопе Solver Pro-M («NT-MDT», Россия) в полуконтактном режиме в атмосферных условиях с использованием кремниевых кантилеверов NSG 01 с коэффициентом жёсткости 2,5-10 Н/м и радиусом кривизны кончика острия 10 нм и в контактном режиме в атмосферных условиях с использованием кремниевых кантилеверов CSG 03 с коэффициентом жёсткости 0,01-0,08 Н/м и радиусом кривизны кончика острия 10 нм. Для обработки экспериментальных данных была использована программа Nova RC1.
Процедура подготовки образцов состояла из шлифования и полирования с размером зерна финальной полировальной суспензии 50 нм, позволившим достигнуть средней шероховатости поверхности около 2 нм, с последующим травлением в 4 % спиртовом растворе азотной кислоты в течение 5 с.
Результаты исследования и обсуждение. Исследования проводились для стали 09Г2С, которая наиболее часто используется в нефтехимическом производстве. На рис. 1 проведено сравнение результатов диагностики методами оптической микроскопии (рис. 1а) и АСМ-изображение в том же масштабе (рис. 1б). Хорошо видны зёрна и межзёренные границы, размеры которых говорят о достаточно низком качестве данной вырезки стали. На рис. 2а представлено АСМ-изображение стали, структура видна зернистая со средним размером зёрен около 20 мкм, ширина межзёренной границы составляет 100-200 нм, что показано на рис. 2б. Граница, в целом, является однородной,
100
80
60-
40-
20-
100
80
60
40
20
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
мкм мкм
Рис. 1. Микроструктура стали 09Г2С до термического воздействия, полученная с помощью оптического микроскопа (а) и АСМ в полуконтактном режиме (б)
100 т?
80
§60-1
40
20-|
'%!1
20
40 60
мкм
80
100
-|----------Г"
4 6
мкм
-|—
10
Рис. 2. АСМ-изображение (а) и профиль поверхности (б) микроструктуры стали 09Г2С до термического воздействия
нет явных её разрывов. Такой тип межзёренной структуры сильно тормозит распространение дислокаций при пластических деформациях, улучшая механические свойства материала.
Воздействия высоких температур в течение длительного времени оказывают существенное влияние на межзёренную границу (рис. 3а). Происходит увеличение содержания углерода на границе, что приводит к карбидизации межзёренной границы. На изображении это выглядит как её уширение (рис. 3б). В результате перераспределения углерода происходит обеднение углеродом внутренней области зёрен, что приводит к ухудшению их локальных механических свойств.
0
0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7
мкм мкм
Рис. 3. АСМ-изображение (а) и профиль поверхности (б) микроструктуры стали 09Г2С после термического воздействия
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
мкм мкм
Рис. 4. АСМ-изображение микроструктуры зерна феррита стали 09Г2С после термического воздействия размер изображения 1 х 1 мкм2 (а), размер изображения 500 х 500 нм2 (б)
Межзёренная граница является не единственным препятствием для распространения дислокаций. Большой интерес представляет внутризёренная структура, возникающая вследствие легирования и воздействия повышенных температур, при которых происходит зарождение карбидной фазы внутри зерна а-железа. На рис. 4 представлена топография зарождения такой структуры. Видно образование отдельных зёрен, размер которых составляет 20-30 нм.
Важное преимущество атомно-силовой микроскопии состоит в возможности получения высококачественных изображений при увеличениях в десятки тысяч раз, т. е. наноструктуры сталей. Так, применение метода модуляции силы (рис. 5) позволяет увидеть структуру огранки поверхности зёрен, обусловленную строением кристаллической решётки феррита.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
мкм мкм
Рис. 5. Распределение локальной жёсткости внутри зерна феррита стали 09Г2С после термического воздействия размер изображения 1 х 1 мкм2 (a), размер изображения 500 х 500 нм2 (б)
Заключение. Изменения субструктуры стали на наноуровне, как в процессе эксплуатации оборудования, так и в процессе специальных воздействий может приводить к значительному изменению механических свойств конструкционных сталей. Изучение таких изменений является очень важной задачей, решение которой позволит как значительно улучшить механические свойства имеющихся материалов, так и создать принципиально новые. Использование для этого методики атомно-силовой микроскопии позволяет детально исследовать микро- и наноструктуру сталей, а возможность проводить исследования локальных механических свойств различных фаз позволяет отслеживать механизмы их зарождения.
Литература
1. Hertzberg R. W. Deformation and fracture mechanics of engineering materials. N.-Y.: John Wiley and Sons Inc., 1996.
2. Lumley R. N., Polmear I. J, Morton A. J. Interrupted ageing and secondary precipitation in aluminium alloys // Mat. Sci. Tech. 2003. Vol. 19. N. 11. P. 1483-1490.
3. Hall E. O. The deformation and ageing of mild steel: III discussion of results // Proc. Phys. Soc. (B). 1951. Vol. 64. P. 747-753.
4. Petch N. J. The cleavage strength of polycrystals // JISI. 1953. Vol. 173. P. 25-28.
5. Ulyanov P. G, Usachev D. U., Luzin D. V. AFM investigations of the constructive materials under extreme temperature and mechanical influence // Abstr. of 2nd Int. competition of scientific papers in nanotechnology for young researchers. Moscow, 2009. P. 262-264.
6. Добротворский А. М., Соколов В. Л., Ульянов П. Г. и др. О совершенствовании инструментальных средств диагностики состояния конструкционных материалов действующего нефтезаводского оборудования // Материалы отрасл. совещ. главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. М., 2010. С. 117-125.
7. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М., 2004.
Статья поступила в редакцию 2 ноября 2010 г.
