Metalografie Praktické příklady z materiálových expertíz 4. cvičení
Obsah Protahovací trn Povrchově kalená součást Fréza Karbidické vyřádkování Cementovaná součást Pozinkovaná součást Pivní korunky Klíč 1 / 24
Příprava metalografických výbrusů Odběr vzorků nesmí dojít k změně struktury (deformace, ohřev) světelný mikroskop pro dosažení požadovaných detailů využití řádkovací elektronové mikroskopie 2 / 24
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. 3 / 24 Karbidy jsou rovnoměrně rozloženy a jejich velikost je odpovídající požadavkům.
Řádkovací elektronový mikroskop Tepelným zpracováním došlo k oslabení hranic zrn. 4 / 24
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). 5 / 24
Povrchově kalená součást ocel ČSN 12 050 Účelem povrchového kalení je zvýšit tvrdost pouze povrchové vrstvy a zachovat měkké a houževnaté jádro kaleného výrobku. 6 / 24
Zakalitelnost je schopnost materiálu při ochlazování nad kritickou rychlost přejít a setrvat v metastabilním stavu, tj. u ocelí získat martenzitickou strukturu. Protože obvykle se bere tvrdost jako měřítko kaleného stavu, je zakalitelnost dána maximální tvrdostí povrchu výrobku. Prokalitelností se rozumí schopnost oceli dosáhnout při kalení tvrdosti (martenzitické struktury) do určité hloubky pod povrch výrobku. Za prokalenou se obvykle považuje vrstva, která má tvrdost odpovídající struktuře o minimálně 50 % martenzitu. Schéma čelní zkoušky prokalitelnosti - Jominyho zkouška 7 / 24
Prokalitelnost závislá na vnitřních činitelích daných typem oceli. Ocel sama ovlivňuje přeměnu austenitu a tím i prokalitelnost svým chemickým složením austenitu, tj. obsahem uhlíku a přítomností legujících prvků. Dále je závislá na homogenitě austenitu, tj. na stupni koncentrace rozpuštěného uhlíku a ostatních prvků a na množství nerozpuštěných částí karbidů v okamžiku kalení. Na prokalitelnost má ještě značný vliv velikost austenitického zrna. Čím bude zrno jemnější, tím bude vyšší kritická rychlost a naopak. Avšak druhého způsobu zvyšování prokalitelnosti nadměrným zvětšením zrna vede k výraznému zhoršení mechanických vlastností, zejména vrubové houževnatosti. Vnější činitelé: kalící teplota doba setrvání na této teplotě (vliv na množství nerozpuštěných karbidů a stejnorodost austenitizace i na velikost austenitického zrna při kalení). ochlazovací prostředí, stav povrchu oceli a rozměr i tvar kaleného výrobku. 8 / 24
ARA diagram oceli ČSN 12 050 9 / 24
Pás prokalitelnosti 10 / 24
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. 12 / 24
Detail lokality v přechodové části vzorku K1 zachycuje horní bainit přecházející do lamelárního perlitu. 13 / 24
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. 14 / 24
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. 15 / 24
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. 16 / 24
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. 17 / 24
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 18 / 24
IRA diagram oceli ČSN 19852 19 / 24
Karbidické vyřádkování Ze světelného mikroskopu nejlépe vyplývá rozsah karbidického vyřádkování i heterogenita popuštěné struktury. 20 / 24
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. 21 / 24
Snímek zachycuje poměrně rozsáhlé martenzitické jehlice a to i přestože byl materiál třikrát popuštěn. 22 / 24
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 23 / 24
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. 24 / 24