Применение сканирующей электронной микроскопии при анализе отказов металлических материалов

Металлические материалы — это материалы с такими свойствами, как блеск, пластичность, легкая проводимость и теплопередача. Обычно его делят на два типа: черные металлы и цветные металлы. К черным металлам относятся железо, хром, марганец и др. В составе промышленного сырья пока еще преобладают железо и сталь. Многие сталелитейные компании и научно-исследовательские институты используют уникальные преимущества SEM для решения проблем, возникающих на производстве, а также для оказания помощи в исследованиях и разработке новой продукции. Сканирующая электронная микроскопия с соответствующими аксессуарами стала для сталелитейной и металлургической промышленности выгодным инструментом для проведения исследований и выявления проблем в производственном процессе. С увеличением разрешения и автоматизации СЭМ применение СЭМ для анализа и определения характеристик материалов становится все более распространенным.

Анализ отказов — это новая дисциплина, которая в последние годы стала популяризироваться военными предприятиями среди ученых и предприятий. Выход из строя металлических деталей может привести к ухудшению характеристик детали в незначительных случаях и к несчастным случаям, связанным с безопасностью жизни, в серьезных случаях. Выявление причин сбоев посредством анализа сбоев и предложение эффективных мер по улучшению являются важными шагами для обеспечения безопасной эксплуатации проекта. Поэтому полное использование преимуществ сканирующей электронной микроскопии внесет большой вклад в прогресс индустрии металлических материалов.

01 Электронно-микроскопическое наблюдение разрушения металлических деталей при растяжении     

Перелом всегда происходит в самой слабой части металлической ткани и записывает много ценной информации обо всем процессе перелома, поэтому при изучении перелома всегда уделялось особое внимание наблюдению и изучению перелома. Морфологический анализ разрушения используется для изучения некоторых основных проблем, которые приводят к разрушению материала, таких как причина разрушения, характер разрушения и способ разрушения. Если мы хотим глубже изучить механизм разрушения материала, нам обычно приходится анализировать состав микрозоны на поверхности разрушения, и анализ разрушения теперь стал важным инструментом анализа разрушения металлических компонентов.

Рис. 1. Морфология разрушения при растяжении сканирующего электронного микроскопа CIQTEK SEM3100.

По характеру разрушения переломы можно разделить на хрупкие и пластические. Поверхность излома при хрупком изломе обычно перпендикулярна растягивающему напряжению, а хрупкий излом представляет собой блестящую кристаллическую, яркую с макроскопической точки зрения поверхность; Пластический перелом обычно волокнистый с мелкими ямочками на изломе при макроскопическом взгляде.

Экспериментальной основой анализа разрушения является непосредственное наблюдение и анализ макроскопических морфологических и микроструктурных характеристик поверхности излома. Во многих случаях характер разрушения, место зарождения и путь распространения трещины можно определить с помощью макроскопического наблюдения, но для детального изучения вблизи источника разрушения с целью анализа причины разрушения и механизма разрушения необходимо микроскопическое наблюдение. Это необходимо, а поскольку поверхность перелома неровная и шероховатая, микроскоп, используемый для наблюдения за переломом, должен иметь максимальную глубину резкости, максимально широкий диапазон увеличения и высокое разрешение. Объединив эти потребности, SEM широко используется в области анализа трещин. На рис. 1 три образца излома при растяжении, при макроскопическом наблюдении при малом увеличении и при наблюдении микроструктуры при большом увеличении, образец А представляет собой речную структуру (рисунок А) для типичных характеристик хрупкого излома; образец Б макроскопический, волокнистая морфология отсутствует (рис. Б), в микроструктуре не наблюдается жестких гнезд, для хрупкого разрушения; Макроскопический излом образца С состоит из блестящих граней, поэтому указанные выше изломы растяжения являются хрупкими изломами.

02 Электронно-микроскопическое наблюдение стальных включений

Характеристики стали в основном зависят от химического состава и организации стали. Включения в стали в основном существуют в виде неметаллических соединений, таких как оксиды, сульфиды, нитриды и т. д., которые вызывают неравномерную организацию стали, а их геометрия, химический состав, физические факторы и т. д. не только делают сталь Производительность холодной и горячей обработки снижается, но также влияет на механические свойства материала. Состав, количество, форма и распределение неметаллических включений оказывают большое влияние на прочность, пластичность, вязкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и другие свойства стали, поэтому неметаллические включения являются незаменимыми объектами металлографического контроля стальных материалов. Изучая поведение включений в стали, используя соответствующую технологию для предотвращения дальнейшего образования включений в стали и уменьшения уже присутствующих в стали включений, большое значение имеет получение стали высокой чистоты и улучшение эксплуатационных характеристик стали.

Рисунок 2. Морфология включений

Рисунок 3. Спектральный анализ энергетической поверхности композитных включений TiN-Al2O3.

В случае включений, показанных на рисунках 2 и 3, с помощью СЭМ для наблюдения за включениями вместе с анализом энергетического спектра включений, содержащихся в чистом железе, можно увидеть, что типы включений, содержащихся в чистом железе, представляют собой оксидные, нитридные и композиционные включения.

Например, измерив длину включений в показанном выше случае, видно, что средний размер включений Al2O3 составляет около 3 мкм, TiN и AlN - в пределах 5 мкм, а размер композиционных включений не превышает 8 мкм. мкм; Эти мелкие включения играют роль привязки магнитных доменов внутри электротехнически чистого железа, что влияет на конечные магнитные свойства.

Источником оксидных включений Al2O3 могут быть продукты раскисления стали и вторичные оксиды процесса непрерывной разливки, форма в стальном материале преимущественно сферическая, небольшая часть неправильной формы. При наблюдении включений следует не только наблюдать за морфологией и составом включений, но также обращать внимание на размер и распределение включений, что требует комплексной оценки уровня включений. Например, если включения приводят к растрескиванию заготовки при анализе отказов, в источнике растрескивания обычно обнаруживаются крупные частицы включений, поэтому важно изучить размер, состав, количество и форму включений, чтобы определить причину отказа. заготовки.

03 Метод сканирующей электронной микроскопии для обнаружения вредных фаз выделения в стальных материалах     

Осажденная фаза — это фаза, которая выделяется при понижении температуры насыщенного твердого раствора, или фаза, которая выделяется при старении пересыщенного твердого раствора, полученного после обработки твердым раствором, что представляет собой процесс фазового превращения в твердом состоянии, при котором частицы второй фазы осаждается и десольватируется из пересыщенного твердого раствора и зарождается. Выделившаяся фаза играет очень важную роль в стали: ее прочность, ударная вязкость, пластичность, усталостные свойства и многие другие важные физические и химические свойства оказывают важное влияние. Правильный контроль фазы выделения стали может улучшить свойства стали. Если контроль температуры и времени термообработки не подходит, это приведет к резкому ухудшению свойств металла, например, к хрупкому разрушению, легкой коррозии и т. д.

Рис. 4. Диаграмма обратного рассеяния фазы осаждения чистого железа SEM3100, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа CIQTEK.

При определенном ускоряющем напряжении, поскольку выход обратнорассеянных электронов в основном увеличивается с увеличением атомного номера образца, обратнорассеянные электроны можно использовать в качестве визуализирующего сигнала для отображения изображения лайнера с атомным номером и распределения химических компонентов на поверхности образца. поверхность образца можно наблюдать в определенном диапазоне. Атомный номер Pb равен 82, а выход обратно рассеянных электронов Pb высок в режиме обратного рассеяния, поэтому на изображении Pb имеет ярко-белый цвет.

Опасности, связанные с содержанием Pb в стальных материалах, заключаются в следующем: Pb и Fe не образуют твердый раствор, который трудно удалить в процессе плавки, а также легко поляризовать на границах зерен и образовывать сокристаллы с низкой температурой плавления, ослабляя их. зернограничное соединение, так что производительность горячей обработки материала снижается. Возможными источниками выделения Pb в электротехнически чистом железе являются Pb, содержащийся в сырье чугунолитейного производства, и следовые количества Pb, содержащиеся в легирующих элементах, добавляемых при выплавке. При использовании для специальных целей не исключена возможность добавления его при выплавке с целью улучшения режущих и обрабатывающих свойств.

04 Заключение     

Сканирующая электронная микроскопия как инструмент микроскопического анализа может представлять собой различные формы наблюдения за металлическими материалами, может быть детальным анализом различных типов дефектов, отказом металлических материалов от причин комплексного анализа позиционирования. Благодаря постоянному совершенствованию и совершенствованию функций SEM, SEM может выполнять все больше и больше работы, не только обеспечивает надежную основу для изучения улучшения свойств материала, но также играет важную роль в контроле производственных процессов, разработке новых продуктов и исследованиях. .