Metalografie Praktické příklady z materiálových expertíz
4. cvičení
Příprava metalografických výbrusů
Odběr vzorků – nesmí dojít k změně struktury (deformace, ohřev) světelný mikroskop pro dosažení požadovaných detailů využití řádkovací elektronové mikroskopie
Protahovací trn Prášková ocel CPM REX 76 Zušlechtěno dle předpisů pro danou ocel tj. kalen a několikrát popuštěn. Z důvodu porušení - destrukce celého nástroje příčným lomem bylo třeba posoudit jeho strukturu.
Karbidy jsou rovnoměrně rozloženy a jejich velikost je odpovídající požadavkům.
Řádkovací elektronový mikroskop Tepelným zpracováním došlo k oslabení hranic zrn.
Detail struktury dokumentuje oslabení původních austenitických zrn. Tepelné zpracování součásti probíhalo dle předepsané technologie, avšak ze strukturního rozboru vyplývá, že protahovací trn byl kalen z příliš vysoké kalící teploty (austenitizační teploty), což se projevilo na stavu struktury. Kalící teplota byla překročena o 30-40°C, neboť při větším překročení se již začaly vytvářet ostrohranné karbidy ledeburitického charakteru (jsou součástí eutektika).
Povrchově kalená součást ocel ČSN 12 050
Účelem povrchového kalení je zvýšit tvrdost pouze povrchové vrstvy a zachovat měkké a houževnaté jádro kaleného výrobku.
ARA diagram oceli ČSN 12 050
Pás prokalitelnosti
Vzorek K1 v příčném směru s vyznačenou hloubkou prokalitelnosti.
11 / 24
Detail lokality v povrchové části vzorku zachycuje hrubou jehlicovitou martenzitickou strukturu. S ohledem na hrubé jehlice martenzitu se může při delším ohřevu popř. jiném rozměru a geometrii součásti iniciovat vznik nežádoucích Widmannstättenových křehkých struktur.
Detail lokality v přechodové části vzorku K1 zachycuje horní bainit přecházející do lamelárního perlitu.
Vzorek K4 v příčném směru v místě závitu, kde již nebylo provedeno povrchové kalení. Struktura je tvořena feritem a perlitem odpovídající chemickému složení a předchozímu zpracování použité oceli.
Fréza Na obvodní ploše trhlina, která vznikla po tepelném zpracování. Cílem expertízy - zjištění příčiny iniciace trhliny. Trhlina byla lokalizována v blízkosti spoje dvou částí nástroje – stopkové, která měla být vyrobena z oceli ČSN 11 500 a pracovní z materiálu ČSN 19 852. Spoj obou částí byl proveden tlakovým svařováním.
Defektní místo na obvodu frézy.
Z nástroje byly odebrány vzorky k metalografické analýze tak, aby bylo možné posoudit strukturní stav v místě čela (špička nástroje) a v místě, kde byl pozorován defekt. GD-OES analýza - cíl vyloučení možné záměny materiálu. Především záměna pracovní části nástroje za jinou ocel popř. výrazný odklon od požadovaného chemického složení by vyvolalo negativní vliv na výsledné vlastnosti nástroje.
Místo, kde byla pracovní část nástroje svařena s konstrukční ocelí. Jak vyplývá z analýzy GD-OES a perliticko-feritické struktury, použitý materiál byl s nejvyšší pravděpodobností ČSN 11 700.
Chemické složení nástrojové oceli rovněž neodpovídá přesně normě (viz. Tab), ale rozdíl lze ještě tolerovat. Nejcitlivější změna je v koncentraci uhlíku (směrem nahoru) a celkově nižší množství legujících prvků. I přesto by tyto objemové změny chemického složení neměly znamenat výrazný posun v technologii tepelného zušlechtění a dosažených mechanických hodnot. Rozhodující v posuzovaném případě je obsah kobaltu, který spolu s uhlíkem má největší vliv. Zatímco zvyšující množství uhlíku bude zvyšovat obsah karbidů, pak zvyšující se obsah kobaltu vyvolává potlačení transformací a způsobuje větší citlivost k nevhodnému tepelnému zpracování. Prvek
Stanovená koncentrace
Dle ČSN
GD-OES
EDX
C
1,2
-
0,85
Cr
4,6
5,1
4,2
W
4,8
5,0
6,25
Co
4,4
4,7
4,75
V
1,8
1,6
1,85
Mo
4,3
4,5
5,0
IRA diagram oceli ČSN 19852
Karbidické vyřádkování Ze světelného mikroskopu nejlépe vyplývá rozsah karbidického vyřádkování i heterogenita popuštěné struktury.
Přestože struktura obsahuje poměrně velké množství i drobných sekundárních karbidů, které dokumentují, že bylo kalení provedeno ze správné teploty, jsou v některých místech ostrohranější karbidy, které dokazují překročení teploty o cca 20°C popř. prodlevu na teplotě austenitizace. S ohledem na již zmíněný strukturní stav nelze jednoznačně zpochybnit technologickou kázeň obsluhujícího personálu kalící a popouštěcí pece.
Snímek zachycuje poměrně rozsáhlé martenzitické jehlice a to i přestože byl materiál třikrát popuštěn.
Snímek byl pořízen na podélné ploše metalografického výbrusu v blízkosti špičky nástroje. Jednotlivé výsledky EDX mikroanalýzy dokumentují rozdílnost chemického složení v jednotlivých lokalitách. To potvrzuje, že karbidické vyřádkování bude mít nepříznivý vliv i na chemickou heterogenitu.
Lokalita 1
Lokalita 2
Lokalita 3
Mo
30
29,2
6,1
V
13,2
9,1
1,5
Cr
5,1
4,3
5,6
Co
1,3
1,8
4,5
W
23,1
30
4,7
Z metalografického pozorování vyplynulo, že struktura je tvořena velmi výrazným karbidickým vyřádkováním. Což jak z dosažených poznatků vyplývá, bylo hlavní příčinou destrukce frézy. Strukturní heterogenita spolu s pozůstalým pnutím v blízkosti svaru iniciaci poměrně rozsáhlé trhliny.
vyvolala
Dalším negativem vyřádkovaní karbidů je i to, že nejen změní v daných lokalitách výrazně chemické složení, ale jejich přítomnost zabraňuje uvolnění pnutí při popouštění. Lokální rozdílné chemické složení způsobí, že bezdifúzní přeměna austenitu při kalení se neuskutečňuje dle uvedeného IRA diagramu. To má za následek nejen rozdílný strukturní stav, ale také iniciaci pnutí.
