Для металлографического исследования структуры металлов сварных швов при­готовляют шлифы. Шлифы могут иметь различные размеры, конфигурацию и ка­чество подготовки поверхности. Для изучения макроструктуры изготовляют макрошлифы. Темплеты для макрошлифов вырезают таким образом, чтобы на них вместились все основные участки сечения сварного шва, т. е. литой металл и зона термического влияния. Для детального исследования сварного шва изготовляют не менее трех заготовок шлифов: из корня, середины и кратера швов. Плоскость реза должна быть перпендикулярной к направлению шва. Для удобства обра­ботки независимо от толщины свариваемого металла толщина темплетов должна составлять 8—15 мм. Площадь поперечного сечения определяется размерами шва и зоны термического влияния.

После вырезки заготовки подвергаемую анализу сторону шлифуют. Макро­шлиф изготовляют на плоскошлифовальном станке. Во избежание деформации и перегрева поверхности образца шлифование осуществляют при обильной подаче охлаждающей жидкости. Абразивный круг должен быть острым, так как иначе неизбежны разогрев и прижоги поверхности образца. Обычно применяют электро — корундовые круги. В процессе шлифования образцы необходимо периодически охлаждать водой. При отсутствии абразивного круга поверхность макрошлифа можно доводить на абразивных водостойких шкурках. Окончательная обработка макрошлифа осуществляется шлифовальной шкуркой.

Для исследования микроструктуры изготовляют микрошлифы. Микрошлифы наиболее целесообразно вырезать из макрошлифов. Для этого на макрошлифе определяют необходимый для изучения участок, очерчивают его и вырезают фре­зой, тонким кругом, электроискровым способом или ножовкой.

Размеры поверхности микрошлифа для удобства обработки не должны превышать 20X20 мм. Толщина микрошлифа должна быть равной 10—15 мм. Небольшие образцы значительно удобнее подвергать механической и электроли­тической обработке.

Для выявления микроструктуры применяют неглубокое травление, в резуль­тате которого глубина растравленного слоя составляет не более 10 мкм. При шлифовании абразивами глубина слоя с искаженной структурой даже после тщательной обработки составляет около 50—100 мкм. Следы деформации после обработки фрезой наблюдаются на глубине до 0,2 мм. При этом соблюдают та­кую же последовательность как и при шлифовании образцов, предназначенных для макроисследования, т. е. обработку начинают наиболее крупнозернистыми абра­зивными шлифовальными шкурками. При обработке более мелкозернистой шлифо­вальной шкуркой образец поворачивают на 90°, т. е. изменяют направление обработки, что облегчает определение окончания обработки данной шлифовальной шкуркой. Обработку считают законченной, если видны риски одного направления,

ї. е. те, которые появились в результате обработки последней шлифовальной шкуркой.

Удовлетворительные результаты получают при обработке абразивными шлифовальными шкурками. Основной деталью шлифовальных устройств является вращающийся диск, который располагают в горизонтальной плоскости. К диску прикрепляют шлифовальную шкурку с помощью кольца, внутренний диаметр которого на 1—1,5 мм больше диаметра диска. Шлифовальную шкурку защемляют между торцами диска и кольцом. Наиболее удобным считается диск диаметром 160—180 мм с переменной скоростью вращения. Для шлифов из углеродистых, низко — и среднелегированных сталей частота вращения должна составлять 650— 800 об/мин, для шлифов из низкоуглеродистых сталей 450—600 об/мин. Для того чтобы шлифовальная шкурка изнашивалась равномерно, шлифы в процессе обработки следует перемещать от края круга к центру, а затем от центра к краю круга. Окончательное шлифование следует осуществлять с применением пасты. Размеры зерен последовательно применяемых паст 35—30, 10—8 и 4—0,5 мкм.

Полирование пастами осуществляют на высококачественном сукне типа велюр или тонких фетрах, натянутых на вращающийся диск. Кроме фетра можно применять также тонковолокнистый войлок высокой очистки.

Для химического травления применяют растворы кислот, солей и щелочей. Ионы кислотных остатков, взаимодействуя с ионами металла, переводят их в рас­твор и тем самым разрушают металл. Наиболее активными являются ионы хлора, проникающие через пленки, которые появляются на поверхности металла при травлении. При травлении щелочами в результате взаимодействия раствора щело­чей и металлов образуются гидроокиси металлов. Образование комплексных соеди­нений характерно для переходных металлов, к которым относятся железо, хром, никель, титан и др.

Для глубокого травления (макротравления) примешивают наиболее активные реагенты. В некоторых случаях с целью повышения активности реагентов травле­ние осуществляют при повышенных температурах.

Для выявления макроструктуры швов на низкоуглеродистых, низко — и среднелегированных сталях обычно применяют растворы активных кислот (азот­ной, серной, соляной, пикриновой), их смеси, смеси кислот с хлористыми солями и растворы солей, в частности персульфат аммония. Процесс травления осуще­ствляют как при комнатной температуре, так и с подогревом до 70—80° С и выше. Во всех случаях образцы после глубокого травления необходимо промыть в чистой воде, затем в растворе соды и снова в воде, протерев их мягкой гигроскопичной ватой и просушив.

Во многих случаях при изучении сварных швов литого металла возникает необходимость в исследовании характера кристаллизационных слоев. Для выяв­ления таких слоев на низкоуглеродистых, низко — и среднелегированных сталях применяют травление в растворах серной, хромовой или пикриновой кислот. Травление этими кислотами основано на избирательном растворении в них фер­ритной составляющей. Кристаллизационные слои на некоторых участках имеют повышенное содержание примесей, поэтому растравливаются неравномерно, что и способствует их проявлению. Кристаллизационные слои можно также выявлять электролитическим травлением.

Активные кислоты интенсивно воздействуют на поверхность металла и макси­мально растравливают участки, подвергавшиеся пластической деформации, имею­щие поры, раковины, значительную неоднородность химического состава, тре­щины и т. д. Если металл имеет трещины, края их растравливаются в первую очередь и трещины в процессе травления «раскрываются*. Поэтому макротравле­ние служит надежным методом их обнаружения.

Для сварных швов на углеродистых, низко — и среднелегированных сталях удовлетворительные результаты дает реактив Гейна (СиС12 — 53 г и NH4C1 — 53 г на 1 л воды). Травление осуществляют погружением поверхности образца в реактив в течение 10—60 с. В процессе травления протекает обменная реакция, при которой железо вытесняет медь. Медь осаждается неравномерно. На участках,

где затруднена обменная реакция (наличие пор, трещин, неметаллических вклю­чений), осаждается более тонкий слой меди, поэтому металл этих участков растрав­ливается в первую очередь. После травления шлиф промывают водой и ватой снимают медь.

Принципы выявления микроструктуры путем химического травления те же, что и для макроструктуры. Однако в связи с тем, что микроструктуру изучают на обычных оптических микроскопах при увеличениях свыше 100 (но не более 1500 раз), на микроскопах с кварцевой оптикой (ультрафиолетовая микроскопия) и электронных микроскопах при еще больших увеличениях, глубина рельефа, получаемого при микротравлении, должна быть очень небольшой. Поэтому для микротравления используют малоактивные травители, позволяющие постепенно травить очень тонкие слои.

Для микротравления низкоуглеродистых, углеродистых, низко — и средне — легированных сталей в качестве травителей чаще используют слабый раствор кислот в спиртах. Наибольшее распространение получил 2—5%-ный раствор азоіной кислоты в этиловом спирте.

В современной металлографии электролитические методы травления и поли­рования металлов нашли широкое применение. Распространению их способствуют простота, стабильность результатов и возможность выявлять структуру самых различных металлов и их сплавов. С помощью электролитического травления и полирования можно осуществлять раздельное травление фаз и выявлять различ­ные виды химической неоднородности.

Разрешающая способность, т. е. минимальные линейные размеры объекта, видимые невооруженным глазом на расстоянии около 250 мм, равна приблизи­тельно 0,2 мм. При этом угол зрения составляет около 2°. Увеличение оптических приборов определяется отношением угла зрения, под которым глаз видит с по­мощью такого прибора, к углу зрения, под которым видит невооруженный глаз.

Наиболее простым оптическим прибором, с помощью которого можно рассмат­ривать структурные составляющие размером менее 0,2 мм, является лупа. С по­мощью лупы можно получать увеличение до 15—20 раз; при больших увеличениях растет искажение изображений под влиянием сферической аберрации. Лупу рационально применять для визуального изучения сравнительно больших поверх­ностей, например для просмотра поверхности швов после сварки, макрошлифов для оценки общего характера структуры швов и выбора участков, подлежащих микроисследоваиию и т. д.

Для исследования структуры при увеличениях выше 30 применяют различные микроскопы, в первую очередь металломикроскопы.

В металлографических лабораториях чаще применяют стационарные металло­микроскопы, которые по конструктивному выполнению делятся на горизонтальные и вертикальные. К наиболее распространенным металломикроскопам, выпускае­мым отечественной промышленностью, относятся горизонтальные МИМ-8М, МИМ-7 и вертикальный МИМ-6.

Для изучения структуры шлифов, имеющих на поверхности микроскопи­ческий рельеф, используют интерференционные микроскопы систем МИИ-1 и МИИ-3. С помощью таких микроскопов можно изучать одновременно рельеф, структуру и их взаимосвязь. Интерференционный микроскоп представляет собой сочетание микроскопа и интерферометра. Неровности, которые можно определить с помощью интерференционного микроскопа МИИ-1, находятся в пределах 2—0,027 мкм.

В лабораториях используют электронные микроскопы ЭМ-3 (ускоряющее напряжение до 50 кВ, увеличение до 28 000). Наиболее распространены микро­скопы типа УМВ-100 и ЭВМ-100И (ускоряющее напряжение до 100 кВ, увеличение до 40 000), которые позволяют исследовать объекты не только на просвет, но и на отражение. Для изучения металлографического шлифа используют метод отпе­чатков, т. е. получение тонких пленок, отображающих рельеф структуры. Тол­щина этих пленок, называющихся репликами, составляет несколько сот ангстрем и более. Материалом для пленок могут служить как органические вещества (кол — лодиевые реплики), так и неорганические, например различные металлы, титан, тантал, золото, платина и другие, окислы металлов (окисел алюминия), неме­таллы (угольные, кварцевые). Пленки-реплики должны отображать тончайшие переходы структуры в пределах разрешения микроскопа, не обнаруживать соб­ственной структуры и иметь достаточно высокие механические свойства. Практи­ческий интерес представляет использование сканирующих электронных микроско­пов, не требующих применения реплик.

Неметаллические включения анализируют на нетравленном шлифе путем осмотра в светлом и темном полях. Для этого применяют также исследование в поляризованном свете. Поляризованный свет отражается от анизотропных частиц и пропускается анализатором, поэтому анизотропные частицы видны освещенными. При вращении столика с образцом освещенность изменяется от яркой до полного потемнения. Для фотографирования образцы структуры сварных швов должны быть тщательно подготовлены, структурные составляющие выявлены предельно четко, следы пластической деформации полностью устранены. При фотографиро­вании структуры сварных швов хорошие результаты получают, используя изо — ор гохроматические контрастные пластины со светочувствительностью 30—45 еди­ниц. Экспозиция для таких пластин в зависимости от освещенности объекта нахо­дится в пределах 1—20 с. Изоортохроматические фотопласгины передают полу­тона, поэтому изображение, полученное с их помощью, позволяет иметь довольно точное представление о структуре.

В тех случаях, когда необходимо передать с максимальной четкостью отдель­ные структурные составляющие, например границы зерен, применяют изоортохро­матические, штриховые, контрастные пластины светочувствительностью 0,5— 1,5 единиц. Экспозиция для таких пластин — от 20 с до нескольких минут.

Для получения прочностных характеристик, а также данных об устойчивости сварных швов против хрупкого разрушения, образцы, вырезанные из того или иного сварного соединения, подвергают испытаниям. К таким испытаниям отно­сится измерение твердости. Между твердостью, определяемой методом вдавлива­ния, и пределом прочности пластичных металлов существует количественная зависимость. Эта зависимость нарушается в тех случаях, когда испытуемый материал малопластичен (например, стали, имеющие мартенситную структуру). Однако во всех случаях увеличение прочности сталей определяет повышение твердости.

Микротвердость измеряют на специальных приборах, совмещающих микро­скоп для наблюдений структуры и измерения размеров отпечатков с приспособле­нием для получения отпечатков. Наибольшее распространение для этой цели получил прибор типа ПМТ-3, имеющий два увеличения — 135 и 487.

Твердость, измеренная прибором Роквелла, характеризуется цифрами, полученными на шкалах С (алмазный наконечник, нагрузка 150 кгс), А (алмазный наконечник, нагрузка 60 кгс), В (стальной шарик, нагрузка 60 кгс). Достоинством метода является его экспрессность. При исследовании сварных швов первые усредненные значения твердости обычно получают на приборе Роквелла.

Другой широко распространенный метод — измерение твердости по вдавли­ванию стального шарика (твердость по Бринеллю). Твердости определяют по диаметру отпечатка, остающегося после вдавливания шарика.

Определять твердость металла сварных швов по методу вдавливания алмазной пирамиды Виккерса рационально в тех случаях, когда ее значения не превышают ДБ-450, а толщина образцов не менее 2 мм.

Между твердостью и пределом прочности стали имеется следующая зависи­мость: при НВ 120—175 ов = ДБ-0,34; при НВ 175—450 ов = ДВ-0,35.

Техническая характеристика приборов для измерения твердости приведена в табл. 4.

Металл шва испытывают на растяжение, металл шва и металл зоны терми­ческого влияния — на ударный изгиб (на надрезанных образцах), для металла шва определяют чувствительность к старению после наклепа, сварное соединение испы­тывают на рас/яжение, ударный разрыв и определяют твердость, сварное соедине-

4. Приборы для измерения твердости

Наиме­

нование

прибора

Метод

измерения

Испыта­

тельные

нагрузки,

кгс

Пределы

измерения

твердости

Инден тор

По­греш­ность на­гру­зок, % *

ТШ-2М

Бринелля

187,5; 250; 750; 1000; 3000

НВ 8-450

Стальной шарик:

0 2,5; 5; 10 мм

±1

ТШП-4

Бринелля

3000; 1000; 750; 250

НВ 8—450

0 5; 10 мм

±1

ТК-2М

Роквелла

10; 60; 100; 150

HRC 25— 65

0 1,588 мм

±2

±0,5

ТКП-І

Роквелла

10; 60; 100; 150

HRC 25—65

0 1,588 мм

±3

±1

ТК-Н-250

Роквелла

10; 60; 100; 150

HRC 25—65

0 1,588 мм

±2

±0,5

ТКС-1М

Супер — роквелла

3; 15; 30; 45

0 1,588 мм

±2,5

±0,66

Т Кб-1 4-250

То же

3; 15; 30; 45

0 1,588 мм

±2,5

±0,66

ТК-Ю-250

Роквелла

60; 100; 158

HRC 25—65

0 1,588 мм

±2,0

±0,5

ТП-7р-1

Виккерса

5; 10; 20; 30; 50; 100

HV 8—1000

Алмазная пирамида: угол при вершине

136°

±1

ТПП-2

Виккерса

5; 10

НР8 — 1500

То же

±2

* В числителе указана погрешность предварительных нагрузок, в знаме­нателе — общих.

ние испытывают на изгиб (загиб) и сплющивание. Схемы вырезки образцов для различных испытаний, их размеры, форма и обработка определяются норматив­ными документами.

Образцы для механических испытаний изготовляют из более крупных образ­цов (определенных участков), вырезанных из сварного соединения. У таких образцов перед разметкой шлифуют торцы и подвергают глубокому травлению до четкого выявления макроструктуры.

После механических испытаний разрушенные образцы подвергают металло­графическому исследованию. В первую очередь изучают характер поверхности изломов, затем изготовляют микрошлифы для изучения микроструктуры тех участков, которые находились в зоне разрушения. Детальное металлографическое

изучение таких образцов позволяет во многих случаях установить связь между прочностными характеристиками и структурой металла швов.

Химический состав сварных швов чаще определяют с помощью спектрального анализа. Метод спектрального анализа позволяет с высокой точностью определять количественный состав элементов, входящих в металл шва. При спектральном анализе поверхность образца подвергают воздействию дуги или искрового разряда. Пары металла, попадающие в дугу, дают свой, присущий им спектр излучения, который с помощью специальных аппаратов разлагают на аналитические линии. Фиксируя эти линии на фотопленке или наблюдая визуально через оптические устройства путем сравнения с эталонными линиями, находят количественный и качественный состав элементов в сплаве. Повреждаемые участки при обычном усредненном спектральном анализе занимают площадь 0,3—1 мм2. Для повышения точности получают данные не менее чем с трех участков.

Для экспрессного качественного спектрального анализа используют стило — скопы СЛ-11А, СЛ-12 и др Точные количественные данные о химическом составе объекта получают на спектрографах типа ДФС-8, ДФС-30, ДФС-39, ИСП-51 и др.