11.6. Способы отбора проб металла и получения информации о его свойствах

В металловедение информацию о механических свойствах, структуре и строении изломов получают, используя следующие способы отборв проб металла:

1 – вырезка массивной пробы;

2 – без вырезки металла;

3 – отбор малых проб;

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки (табл. 11.2) [12]. Первый способ, предусматривающий вырезку проб в виде круга или квадрата определенного размера, дает наиболее представительную информацию, однако требует проведение восстановительных работ с применением сварки. Второй способ имеет принципиальный недостаток, связанный с проведением исследования в тонком поверхностном слое, часто отличающимся по структуре, химическому составу и свойствам от металла в объеме проката. Кроме того, в этом случае невозможно использование мето­дов фрактографии для оценки степени повреждаемости металла. Третий способ, разработанный в ЦНИИПСК им. Мельникова, в оп­ределенной степени сочетает достоинства первых двух.

Таблица 11.2

Способ отбора	Химический анализ	Определение механических свойств	Металлография	Фрактография
1	Стандартные методы	Стандартные методы	Стандартные методы на шлифах	Стандартные методы
2	Стилоскопирование	Измерение твердости переносными твердометрами. Предел текучести, временное соротивление – по ГОСТ 22762 и методами регрессивного анализа	Метод реплик или переносными микроскопами	Не проводится
3	Стандартные методы или с помощью микроренгенноспектральных анализов	Измерение твердости стационарнымитвердомерами. Предел текучести, временное сопротивление, критическая температура хрупкости и трещиностойкость – по ГОСТ 22762 и методами регрессивного анализа	Стандартные методы на шлифах	Стандартные методы (излом получают разрушением пробы, охлажденной в жидком азоте)

Метод малых проб основан на корреляции механических свойств и химсоставом сталей и сплавов. Корреляция описывается регресси­онными зависимостями, полученными на основе обработки соответ­ствующих экспериментальных данных. Малая проба имеет размер (1,2...1,5) х (5...10) х (15...25) мм и отбирается обычно с внутренней стороны объекта механическим (скол, спил, срез), электроэрозион­ным или иным способом, обеспечивающим получение микропробы требуемых размеров без деформации металла. Места микропроб обычно подвергаются механической зачистке до устранения концен­траторов напряжений без проведения дополнительного восстанови­тельного ремонта.

Выбор способа отбора проб и общий объем исследований зави­сит от характера решаемой задачи и в каждом конкретном случае определяется организацией, проводящей техническое диагностиро­вание.

При отборе малых проб, используя методы регрессионного ана­лиза, в принципе возможно получение того же объема информации о металле, как и при вырезке массивной заготовки, а именно о проч­ностных характеристиках, о категории стали и степени ее повреж­даемости (охрупчивания) в процессе эксплуатации. Это позволяет оценить весь комплекс фактических свойств металла при проведе­нии технического диагностирования или паспортизации обору­дования. Основные методические трудности оценки механических свойств стали при использовании малых проб связаны с установле­нием регрессионных зависимостей, позволяющих оценивать свойст­ва стали по результатам исследования малых проб, а также с необхо­димостью принятия специальных мер, позволяющих исключить пла­стическую деформацию металла при отборе проб.

Методика оценки механических свойств с использованием микропроб вошла в ряд нормативных документов, в частности, в РД 03-380-00 «Инструкция по обследованию шаровых резервуа­ров и газгольдеров для хранения сжиженных газов под давлением», РД 03-410-01 «Инструкция по проведению комплексного техниче­ского освидетельствования изотермических резервуаров сжижен­ных газов».

Основные прочностные характеристики — предел текучести б_т и предел временного сопротивления б_в на микропробах определяют по результатам спектрального (химсостав), металлографического и дюрометрического (измерение твердости) анализов по следующим уравнениям регрессии:

где - напряжение трения решетки - железа, ; - напряжение – напряжение за счет упрочнения стали перлитом, П, МПа (здесь П – процент перелитной составляющей); - напряжение за счет упрочнения твердого раствора легирующими элементами в зависимости от их концентрации в процентах по массе, МПа:

- напряжение за счет упрочнения дислокациями, оценивается по плотности дислокаций ,- напряжение за счет упрочнения стали дисперсными частицами:

где G – модуль сдвига (8,4·10⁴ МПа); b – вектор Бюргерса (5,5·10^-7 мм); - межчастичное расстояние, мм; D – размер (диаметр) дисперсных упрочняющих частиц, мм; K_y – коэффициент, K_y = 20 МПа·мм^1/2; d – средний (условный) эффективный размер зерна феррита, мм.

Степень охрупчивания металла в процессе эксплуатации при от­боре микропроб оценивается по результатам дюрометрических и электроннофрактографических анализов. Определение степени охрупчивания T_к в результате пластической деформации (наклепа) в зонах изменения формы элемента конструкции или выявленных зо­нах концентрации напряжений (например, с помощью ММП) осу­ществляется по соотношению

где К_и = 0,16 ⁰С/МПа; - твердость металла по шкале Виккерса после эксплуатации (на момент измерения твердости) и в исходном состоянии (до эксплуатации) соответственно.

При отсутствии сведений о твердости стали в исходном состоя­нии в качестве исходного принимают среднее значение трех измере­ний твердости вне зоны развития пластической деформации (кон­центрации напряжений) соответствующего элемента конструкции. В этом случае твердость как в исходном состоянии, так и после экс­плуатации измеряют с помощью переносных твердомеров.

Степень межзеренного охрупчивания металла, вызванную ослаб­лением границ зерен из-за наводороживания, сульфидного и хлоридного растрескивания и иных неблагоприятных процессов, опреде­ляют по величине межзеренного разрушения F_М в хрупком изломе по сравнению с хрупким изломом исходного состояния. Изломы для электрон но-фрактографического анализа получают при разрушении микропроб, предварительно охлажденных в жидком азоте для полу­чения хрупкого излома, обеспечивающего наличие на поверхности «хрупкого квадрата». Определение доли межзеренной составляющей F_м, указывающей на повреждение границ зерен, осуществляют в со­ответствии с методическими указаниями МР5-81 «Расчеты на проч­ность в машиностроении. Фрактографический метод определения критической температуры хрупкости металлических материалов» (М: ВНИИНМАШ, 1981).

Суммарную степень охрупчивания стали T_К, включающую внутризеренное охрупчивание, вызванное наклепом внутренних объ­емов зерен, и межзеренное, обусловленное ослаблением границ зе­рен, определяют по уравнению

где А=10 ⁰С для основного металла с ферритно – перлитной структурой и А=20 ⁰С для металла сварного шва и околошовной зоны со структурой мартенсита и бейнита; - приведенная доля межзеренной составляющей после эксплуатации (на момент проведения анализа) и в исходном состоянии (до эксплуатации), %.