Контроль качества сплавов на основе железа с помощью цифровой микроскопии

1.

Автор работы:
Руководитель: Малютина Елена Сергеевна
к.ф-м.н
доцент кафедры физического
материаловедения Института новых
материалов и нанотехнологий НИТУ МИСиС
.Контроль качества сплавов на основе железа с
помощью цифровой микроскопии.
Определение объемной доли графита в
различных серых чугунах

2.

Постановка задачи
В целом свойства конкретного металлического материала определяются
двумя факторами: его химическим составом и его структурой. Как ни важен
состав сплава, но изменения структуры способны изменить некоторые
свойства сплава в десятки и даже иногда в тысячи раз. Микроструктура –
это размер, форма и распределение кристаллов в сплаве. От микроструктуры
зависят все механические и почти все физические свойства металлов и
сплавов.
Целью моей работы было изучение связи структуры серых чугунов с их
свойствами, определение объемной доли включений графита разными
методами, разработка способов увеличения точности расчетов, изучение
особенностей подготовки объектов исследования сплавов с включениями
графита.
2

3.

Государственные стандарты контролируют многие
структурные параметры чугунов. Целью данной работы
было использование количественных методов описания
структурных параметров этих сплавов железа с углеродом
для оценки их качества.
3

4.

Мы должны были получить количественные характеристики микроструктуры
сплава железа с углеродом, который называется серым чугуном. В этом сплаве
обязательно присутствует графит, что делает излом сплава серым. Графит неметаллическое включение, остальная часть сплава носит название
металлической основы. Включения графита могут иметь разную форму :
пластинчатую, шаровидную и хлопьевидную.
Механические свойства чугунов с разной формой графита резко отличаются .Так,
например, относительное удлинение дельта (d) следующим образом связано с
формой графитных включений
Графит
пластинчатый
хлопьевидный
шаровидный
d%
0,2-0,5
5-10
10-15
Как видно из приведенных выше данных, пластичность серого чугуна хуже всего
у серого чугуна с пластинчатым графитом. Кроме того, по сравнению с
металлической основой графит обладает практически нулевой прочностью. Мы
все это хорошо знаем, так как пользуемся простыми карандашами. Поэтому был
выбран именно серый чугун с пластинчатым графитом , как сплав с самыми
плохими механическими свойствами , для получения сведений об объемной доле
неметаллических включений в этом сплаве. Затем мы определили объемную
долю шаровидных включений графита.
4

5.

На следующем слайде представлены микроструктуры серых чугунов с различной
формой графита и выявленной травлением микроструктурой металлической
основы. Необходимо отметить, что количественный анализ серых чугунов
необходимо проводить на непротравленных шлифах по следующим причинам.
Во-первых, графит обладает очень маленькой отражающей способностью по
сравнению с металлической часть сплав, он хорошо виден как темная
структурная составляющая сплава и без травления. Во-вторых, травление создаст
углубления в металлической основе вблизи графита. Эти углубления тоже
будут темными, что визуально увеличит толщину графитных включений.
Определение объемной доли графитных включений в случае травления
сплава приведет к завышенным, неверным результатам.
Микроструктура серых чугунов после травления на следующем слайде.
Эти микроструктуры приведены, чтобы показать различную форму
графитных включений в чугунах.
5

6.

Хлопьевидный графит и
феррит
Шаровидный графит,
феррит и перлит
Пластинчатый графит и феррит
Включения толстые из-за
травления.
Пластинчатый графит и феррит

7.

Микроструктура непротравленного серого чугуна с пластинчатым и
шаровидным графитом.
Для определения объемной дли графита мы воспользуемся принципом Кавальери,
на котором основаны методы Глаголева и Розиваля примененные в этой работе.
7

8.

8

9.

9

10.

10

11.

Определение объемной доли графитных включений мы проводили на
нескольких фотографиях микроструктуры нетравленого серого чугуна.
Были использованы два различных метода- метод Глаголева и метод Розиваля
Рассмотрим сначала метод Глаголева.
В этом случае на микроструктуру случайным образом накладывают сетку
с большим количеством перекрестий. Сначала следует определить число
перекрестий в сетке. На рис.1 показано, как это сделать на примере сетки
с маленьким количеством перекрестий. Число перекрестий сетки
определяет размер знаменателя дроби в методе Глаголева.
*
11

12.

На рис.2 показано, как определить числитель дроби в методе Глаголева
Включения под номерами 3, 4 и 5 никак
не соотносятся с перекрестиями сетки.
Поэтому их не надо принимать во внимание.
Включение 1 содержит внутри себя одно
перекрестие, а включение 2 касается перекрестия. Первое включение надо записать
в числитель как 1, а 2-ое включения, как 1/2
*Знаменатель равен 16. Числитель
равен 1,5. Объемная доля включений
графита равна частному от делений
1,5 на 16 (примерно 0,094 или 9,4%)
12

13.

На рис.3 показано, как должно быть расположено пластинчатое
включение графита относительно перекрестий сетки, чтобы числитель
дроби составил 1+0,5
*Таким образом, расчет объемной доли
графита в сером чугуне следует определять
по формуле метода Глаголева
V%гр. =(n/м) 100%, где
m- общее число перекрестий в сетке
n – число перекрестий попавших внутрь
включений плюс 0,5 числа перекрестий,
которых включения касаются .
13

14.

На этом слайде пример одной из полученных нами для расчетов
микроструктуры с уже наложенной на фотографию сеткой.
14

15.

Фотографий нескольких полученных для определения объемной доли
графита микроструктур с наложенными сетками.
15

16.

Мы рассчитали объемные доли графита по нескольким фотографиям с помощью
метода Глаголева, а
затем вычислили средний объемный процент графитных включений в сером
чугуне. Данные приведены в таблице.
Номер расчета.
Результат расчета, %
№1
8,3%
№2
9,0%
№3
11,0%
№4
9,0%
№5
12,0%
Средняя доля включений графита: 0,09 или 9%
16

17.

Далее перед нами была поставлена задача увеличения точности расчетов
по методу Глаголева. Действительно, в микроструктуре есть включения
графита, которые никак не соотносятся с перекрестиями сетки, кроме того,
мы не всегда хорошо видим, касаются ли включения перекрестия или
перекрестия попадают внутрь включения. Нами были придуманы 3 способа
увеличения точности расчетов:
1) Увеличить количество пересечений в сетке не изменяя площадь фотографии.
2) Сделать увеличение при фотографировании больше, чтобы четче видеть
включения графита на сетке.
3) Увеличить число полей зрения (то что мы видим в микроскоп(фото))
при расчете.
17

18.

По тем же фотографиям, мы определили объемную долю графита методом
Розиваля. В этом методе расчет объемной доли тоже проводится по формуле
в виде дроби. На микроструктуру случайным образом накладывается обычная
линейка, например, длиной 100 мм. Это- знаменатель дроби. В числитель
дроби мы записываем сколько делений этой линейки попадает внутрь
включений.
Таким образом, расчет объемной доли графита по методу Розиваля проводят
по формуле V% гр. = (L / R)100% , где L – число делений линейки , попавших внутрь
включений графита, R – общее число делений в линейке .В нашем примере R=100.
18

19.

Так красная линейка под номером 1 даст в расчет среднего значения дробь,
числитель дроби равен 4, а знаменатель-100. Объемная доля графита в этом
случае составит 0.04 или 4%. Так-же есть линейки которые не соприкасаются с
включениями графита и объёмная доля в данном случае будет равен 0 (линейки 2 и 4).
Их мы тоже должны включить в расчет так как это повлияет на средний процент
графитных включений
19

20.

На данном слайде приведены все полученные результаты расчетов по обоим
методам. Совпадение результатов по методам случайно.
№ расчета.
Метод Глаголева.
Метод Розиваля.
№1
8,3%
11,6%
№2
9,0%
8,6%
№3
11,0%
5,2%
№4
9,0%
12,6%
№5
12,0%
11,0%
Среднее значение:
9,8%
9,8%
Средняя объемная доля включений графита:0,098
20

21.

Далее, для количественного описания микроструктуры, были использованы
фотографии серого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ,
полученные методами цифровой микроскопии. Были использованы как
световой микроскоп, так и сканирующий электронный микроскоп.
Такой графит обеспечивает наилучшие механические свойства
серого чугуна. Для придания графиту шаровидной формы в расплав вводят
магний
Световая микроскопия. Нетравленый серый чугун
модифицированный магнием
21

22.

Микроструктура серого чугуна с шаровидным
графитом .Фотографии получены с помощью
сканирующего электронного микроскопа
ШАРОВИДНЫЙ ГРАФИТ
22

23.

Результаты работы
Мы занимались инженерной металловедческой работой на кафедре Физического
материаловедения института новых материалов и нанотехнологий МИСиС. Мы
научились работать на световом микроскопе в режиме Светлое поле, готовить
объекты исследования микроструктуры (шлифы) с учетом особенностей
подготовки разных сплавов на основе железа для количественного анализа
микроструктуры. Мы освоили методы определения линейного размера зерен и их
площади в сплавах состоящих из кристаллов одного типа, а также способы расчета
объемной доли неметаллических включений(графита) расположенных в
металлической основе сплава и применили их для технического железа и серого
чугуна. Нами были предложены способы увеличения точности этих расчетов. Мы
научились распознавать дефектные структуры в стали, сравнивая микроструктуры
образцов под микроскопом с опубликованными в базе данных «Микроструктура»
кафедры физического материаловедения.
23

24.

Фотоотчет
24