2828.Экспертиза качества и разрушений

3. ВИДЫ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

ИАНАЛИЗА МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ

3.1. Общие положения

Методы контроля и анализа металлопродукции многообразны. Они предназначены для определения химического состава, проведения контроля макродефектов, микроструктуры, физических и механических свойств заготовок и готовых изделий металлопродукции. Их перечень включает:

1.Химические методы.

2.Спектрометрические методы: оптические, инфракрасная, рентгеновская, γ-спектроскопия, активационный анализ.

3.Определение фазового состава и текстуры: рентгеноструктурный

иэлектронный микроанализ.

4.Макро- и микрометаллографический анализ. Оптическая и электронная микроскопия как метод определения структурных и фазовых составляющих стали и сплавов.

5.Испытания с целью определения механических свойств.

6.Возможности контроля на основе применения магнитных и электрических полей.

7.Применение дефектоскопии для контроля дефектов (рентгеновская, γ-дефектоскопия, ультразвуковой контроль, люминесцентный контроль)

Качество стальных изделий с металлургической точки зрения определяется структурой и составом стали. В действующем производстве виды анализов, применяемых для обнаружения и изучения дефектов, можно разделить на три основные группы:

– экспрессные;

– технологические (оперативные);

– маркировочные.

К последним можно отнести и арбитражные анализы. Экспрессные анализы предназначены для получения информации

в сроки, достаточные, чтобы вмешаться в технологический процесс производства и проведение его корректировки (к примеру, процесс плавки). В экспресс-лабораториях результаты выдаются через 5 мин.

61

Технологические методы предназначены для решения вопросов, связанных не только с анализом самой продукции, но и с анализом различных сред, в которых идет обработка деталей в заготовительных, механических и сборочных цехах. Такие анализы закладываются в технологические карты, шихтовые материалы, состав проката, закалочных и охлаждающих сред.

Маркировочные и арбитражные анализы невозможно непосредственно использовать для корректировки технологических процессов, однако систематический анализ результатов позволяет выделять отклонения в качестве и устранять ошибки в технологии. Предметы маркировочных анализов можно хранить, а результаты можно перепроверять и корректировать. Это наиболее полные и сложные исследования, главное назначение которых – обеспечить требуемую чувствительность измерений.

Арбитражные сложные анализы обычно включают несколько методов, основанных на различных химических и физических свойствах вещества. Эти анализы обычно проводят в центральных заводских лабораториях. Экспресс-лаборатории размещаются в непосредственной близости от объектов исследования. Оперативные технологические лаборатории расположены в цехах и корпусах заводов.

3.2.Химические и электрохимические методы анализа

Воснове современных методов анализа лежат классические законы химии, физической химии и физики. Роль физических методов сильно возрастает. Возможности методов исследования характеризуются функциональными и статистическими критериями. К функциональным критериям эффективности следует отнести чувствительность и правильность результатов, статистические воспроизводимость и чувствительность. Например, в полупроводниковой технике – 10–19 грамм, для стали в металлургии – 10–10 грамм.

Правильность и воспроизводимость определяют точность анализа. Продолжительность анализа составляет до 3 мин, минимальное содержание углерода можно определить с точностью до 10–3 %.

Воснове этих методов лежат химические реакции определяемых веществ в растворах. Методы включают главным образом гравиметрический, титриметрический и колориметрический анализы. Эти методы описаны в соответствующих государственных стандартах (к примеру,

62

ГОСТ 22536.3–88). Необходимо отметить, что химический анализ трудоемок, не является универсальным и не обладает высокой чувствительностью (особенно при малых концентрациях определяемых элементов).

Электрохимические методы в аналитике объединяют широкий круг физико-химических методов, основанных на исследовании протекающих на электродах реакций или на анализе процессов, происходящих между электродами. Современные полярографы позволяют определить до 10–8–10–9 моль на литр вещества с погрешностью около 1 %. Современные кулонометрические методы достигли погрешности 0,001 %. В методах прямой кулонометрии электрохимическому превращению непосредственно в кулонометрической ячейке подвергается анализируемое вещество.

К физико-химическим методам относят все виды фотометрического анализа (совокупность методов молекулярно-абсорбционного спектрального анализа, основанных на избирательном поглощении электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях молекулами определяемого компонента или его соединения с подходящим реагентом): калориметрический, фотоэлектрокалориметрический, спектрофотометрический. Этими методами можно определять практически все элементы. Для них характерна простота и доступность для любой лаборатории. Относительная погрешность обычно составляет 5–10 %. Чаще всего эти методы применяют для обнаружения малых количеств элемента (например, бора около 0,002 %). Примером такого вида анализов является экспресс-анализ на содержание углерода, проводимый с использованием анализаторов АН-7529М и АН-7560М (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Общий вид анализатора АН-7529М

63

Они предназначены для определения массовой доли углерода в сталях, сплавах и других материалах методом автоматического кулонометрического титрования по величине pH, для маркировочных анализов на углерод продукции и сырья металлургических и металлообрабатывающих предприятий, а также для проведения других анализов на углерод в лабораториях предприятий и научно-исследовательских учреждений различных отраслей народного хозяйства.

3.3. Спектральный анализ

Для определения состава вещества широко используются различные виды спектрального анализа. Спектральный анализ позволяет проводить качественное и количественное определение состава вещества по его спектрам. Спектральный анализ имеет много разновидностей:

–рентгеноспектральный микроанализ;

–рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия;

–растровая и аналитическая электронная микроскопия;

–масс-спектроскопия вторичных ионов;

–энергодисперсионный;

–ОЖЕ-электронная микроскопия.

Для экспрессного и маркировочного анализа химического состава сталей, чугунов и цветных сплавов широко применяются спектрографы (ИСП-30, ДФС-13, ДФС-8, «Папуас-4») и квантометры (ДФС-41, ДФС-51, МФС-4), в основу работы которых положена общепринятая схема эмиссионного спектрального анализа. При проведении анализа между двумя электродами, одним из которых является анализируемая проба, возбуждается импульсный электрический разряд. Излучение возбужденных в разряде атомов элементов, входящих в состав пробы, проходит через полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой и систему линз и призм, разлагается в спектр и регистрируется фотопленкой или каким-либо детектором (рис. 3.2). Каждому химическому элементу соответствует своя совокупность спектральных линий, интенсивность которых зависит от концентрации элемента в пробе.

При качественном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов. Для количественного анализа пробы из спектра выбирают одну или несколько аналитических линий каждого анализируемого элемента.

64

Стилоскоп СЛ-13 (рис. 3.4) предназначен для эмиссионного визуального качественного и полуколичественного анализа сталей, цветных металлов и сплавов. Он применяется для экспрессных анализов, к точности которых не предъявляется высоких требований. Имеется возможность анализа тонкой проволоки, ленты, образцов малой массы из легкоплавких сплавов (на основе олова, свинца, и т.п.), определения малых содержаний в сталях и сплавах трудновозбудимых элементов: углерода – от 0,1 %, кремния – от 0,1 %, серы – от 0,02 %.

Рис. 3.3. Оптическая схема стилоскопа: 1 – источник света (электрическая дуга между электродами, которыми служат исследуемые образцы); 2 – конденсатор; 3 – щель;

4 – поворотная призма; 5 – объектив; 6 и 7 – призмы, разлагающие свет в спектр; 8 – окуляр

Рис. 3.4. Общий вид стилоскопа СЛ-13

Применение дифракционной решетки в оптической схеме стилоскопа обеспечивает прекрасную видимость в области длин волн короче 400 нм и понижает предел обнаружения алюминия в стали.

Более совершенными приборами являются квантометры ОАО «ЛОМО» (рис. 3.5), предназначенные для эмиссионного анализа элементного состава вещества. Они используются для быстрой и точной

66

регистрации и измерения концентрации компонентов по глубине по- верхностно-упрочненного слоя непосредственно на изделии с автоматической записью самописцем, дисплеем и принтером концентрации компонентов – в процентах, глубины слоя – в микронах. При необходимости эти приборы используется как обычный десятиканальный квантометр для экспресс-контроля химического состава металлов.

Рис. 3.5. Вакуумный 24-канальный квантометр (заводское название – фотоэлектрическая установка) ДФС-41 для экспрессного и маркировочного анализа чугунов, простых и среднелегированных сталей на легирующие элементы, металлоиды и вредные примеси, аналитические линии которых расположены в вакуумной УФ-области: 1 – вакуумный полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой с фокусным расстоянием, равным 1 м, рабочий диапазон 0,175–0,38 мкм; 2 – генератор искры ИВС-1 для возбуждения эмиссионных линий атомов в пробе; 3 – электронно-регистрирующее устройство ЭРУ-1;

4 – блок цифрового отсчета

Принцип действия квантометра основан на методе эмиссионного оптического спектрального анализа. Квантометры состоят из источника возбуждения спектра, полихроматора, оптической системы и автоматизированной системы управления и регистрации. Возбуждение спектра происходит от электронноуправляемого волнообразующего источника искры или от дуги постоянного тока. Источник возбуждения спектра предназначен для возбуждения эмиссионного светового потока между образцом иэлектродом. Спектральный состав света определяется химическим составом исследуемой пробы. Электрод обдувается потоком аргона, что повышает точность и воспроизводимость результатов измерений. Расчет

67

массовой доли анализируемых элементов основан на зависимости интенсивности излучения от его содержания в пробе и проводится методом фундаментальных параметров, занесенных в память ЭВМ.

Прибор состоит из источника возбуждения спектров (дугового или искрового), полихроматора, выделяющего аналитические линии элементов (до 30), системы регистрации излучения с фотоэлектронными умножителями и управляющей ЭВМ. Он основан на сканировании анализируемого участка изделия плазмой микроискры с точным электронным управлением амплитудой, частотой и временем разряда, последующей фотоэлектрической регистрацией оптического спектра излучения с преобразованием отсчетов в величины концентраций компонентов в процентах и величины углубления в слой в микрометрах. Ориентировочное время получения полной кривой распределения концентрации элемента по глубине слоя не превышает 10–15 мин, время анализа поверхностной концентрации – 0,5–2 мин.

Рентгеноспектральный анализ. По сравнению с оптическими спектрами рентгеновские характеристические спектры содержат меньшее число линий, что упрощает их расшифровку. Это преимущество обусловливает все более широкое применение рентгеновского анализа в заводских лабораториях.

Характеристический рентгеновский спектр пробы можно получить либо поместив ее на анод рентгеновской трубки и облучая пучком электронов с энергией 3–50 КэВ (эмиссионный метод), либо расположив пробу вне трубки и облучая ее исходящими из трубки достаточно жесткими рентгеновскими лучами (флуоресцентный метод).

Флуоресцентный метод (рис. 3.6) более предпочтителен, так как:

–имеет более высокую чувствительность (до 0,0005 %);

–более оперативен и технологичен (нет необходимости делать трубку разборной и откачивать ее для поддержания вакуума);

–проба не подвергается нагреву.

На рис. 3.7 приведен общий вид прибора для рентгеноспектрального анализа элементного состава в поверхностных слоях вещества.

Действие основано на возбуждении характеристического рентгеновского излучения при зондировании исследуемой поверхности сфокусированным пучком ускоренных электронов. Рентгеновский микроанализатор состоит из электровакуумного прибора разборного типа, в котором формируется узкий (диаметром до 1 мкм) пучок электронов (электронный

68

зонд) рентгеновского спектрометра, разлагающего возбужденное рентгеновское излучение в спектр; блока детектора с ЭВМ для обработки получения информации. Рентгеноспектральный микроанализатор позволяет анализировать объекты на содержание химических элементов (от лития до урана) с минимальными размерами исследуемой области до 0,01–0,1 мкм иотносительной погрешностью 1–10 %. Не определяются самые легкие элементы, сатомной массой меньше углерода.

Рис. 3.6. Микрофокусный рентгенофлуоресцентный спектрометр «МХ-10»

Рис. 3.7. Установка рентгеноспектрального анализа элементного состава JXA-8200 японской фирмы JEOL

69

Элементный состав и энергия связи атомов могут быть определены, если на поверхность металла направить монохроматическое рентгеновское излучение и определять энергию испущенных электронов. Такой метод анализа носит название рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Общий принцип фотоэлектронной спектроскопии

Активационный анализ относится к основным ядерно-физическим методам обнаружения и определения содержания элементов в различных природных и техногенных материалах и объектах окружающей среды. На рис. 3.9 представлен спектр, полученный методом активационного анализа.

Рис. 3.9. Идентификация элементов и их количественный анализ по спектру излучения

70