3.2.4. Методы выявления и определения величины зерна

Для выявления и определения величины зерна при исследовании и контроле сталей обычно используют методы, предусмотренные ГОСТ 5639-82.

Границы зерен выявляются методами:

 травления;

 цементации;

 окисления;

 сетка феррита и цементита;

 сетка перлита (троостита);

 вакуумного термического травления.

Метод выбирают, в зависимости от химического состава стали и цели испытания.

Метод травления обычно применяют для сталей закаливающихся на мартенсит или бейнит. Образцы нагревают на 20…30 ^оС выше температуры закалки, выдерживают 1…3 ч. и охлаждают в масле или воде.

Метод цементации применяют для цементируемых сталей, а также для углеродистых не цементируемых сталей, содержащих до 0,25% С. Образцы нагревают до 920…940 ^оС с последующей выдержкой 8 ч в плотно закрытом железном ящике, заполненном карбюризатором, представляющем собой смесь из 60…70 % древесного угля и 30…40% ВаСО₃. После охлаждения с ящиком до 600 ^оС, а затем на воздухе. После чего, образцы разрезают пополам или с одной стороны удаляют поверхностный слой на глубину 2…3 мм и изготавливают микрошлифы.

Метод окисления предполагает нагрев полированных шлифов по тому же режиму, что и при травлении, в вакууме или в защитной атмосфере. Для окисления шлифов после выдержки, не снижая температуры, в печь подают воздух в течении 30…60 с, после чего образцы охлаждают в воде. Далее шлифы полируют и подвергают травлению в 15%-ном растворе соляной кислоты или других реактивах. Границы зёрен выявляются по сетке оксидов.

Метод сетки феррита и цементита применяют соответственно, для сталей содержащих до 0,6% С и заэвтектоидных сталей. Метод сетки перлита (троостита) применяют для сталей, близких по составу к эвтектоидным.

Величину действительного зерна, то есть зерна, которое образовалось при принятой обработке, определяют на микрошлифах путем травления.

Часто определяют величину не действительного, а “наследственного” зерна, то есть величину зерна аустенита после нагрева при определенных условиях (температуре, продолжительности выдержки, скорости охлажде­ния).

Для определения величины зерна используют следующие методы:

 метод сравнения с эталонными шкалами;

 метод подсчета зёрен;

 метод подсчета пересечений границ зёрен;

 метод измерения длин хорд.

1) Метод сравнения с эталонными шкалами подразумевает наблюдение при увеличении в 100 раз, в окуляре микроскопа, на матовом стекле или микрофотографии и сравнении с эталонными шкалами № 1 или № 2 (для аустенитных сталей, в которых после травления выявились двойники, по шкале № 3). Шкалы составлены таким образом, что при увеличении 100 номер зерна G соответствует формуле

m = 8  2G, (3.11)

где m  число зерен на 1 мм² площади шлифа. Эталоны приведены в виде круга, диаметром 79,8 мм, что соответствует площади на шлифе 0,5 мм². Если размер зерна в образце выходит за пределы № 1…10, то пользуются другими увеличениями.

2) Метод подсчета зёрен подразумевает выбор окружности диаметром 79,8 мм в характерном поле зрения, на матовом стекле или микрофотогра­фии, выбранный размер соответствует площади шлифа 0,5 мм² при увеличении 100. Общее число зерен на поверхности шлифа подсчитывают по формуле

n₁₀₀ = n₁ + 0,5 n₂ , (3.12)

где n₁  число зерен внутри выбранной фигуры; n₂  число зерен, пересеченных её границами.

Число зёрен m, приходящихся на 1 мм² площади поверхности шлифа, равно

m = 2 n₁₀₀ . (3.13)

При увеличении, отличном от 100,

m = 2(g  100)² n_g , (3.14)

где g  применяемое увеличение; n_g  число зёрен, подсчитанное при этом увеличении.

Среднюю площадь сечения зерна (а) и средний диаметр (d_m) опреде­ляют по формулам:

(3.15)

3) Методом подсчета пересечений границ зёрен удобно пользоваться при оперативной оценке и наблюдении металла непосредственно в окуляр микроскопа.

Метод состоит в подсчете зерен, пересеченных отрезком прямой, и оп­ределении среднего условного диаметра  в случае равноосных зёрен, или количества зерен в 1 мм³  в случае неравноосных зёрен.

Подсчет пересечений зёрен в обоих случаях проводят на матовом стекле микроскопа или микрофотографиях, на которых проводят несколько отрезков произвольной длины (например, 80 или 100 мм при увеличении 100, что соответствует длине 0,8 или 1 мм на шлифе). Длину отрезков выбирают с таким расчетом, чтобы каждый из них пересекал не менее 10 зе­рен, при этом увеличение подбирают так, чтобы на исследуемой поверхно­сти было не менее 50 зерен. Подсчитывают точки пересечений отрезков прямых линий с границами зерен. Зерна на концах прямой, не пересеченные ею целиком, принимают за одно зерно.

Определяют суммарную длину отрезков L, выраженную в миллиметрах натуральной величины на шлифе, и суммарное число пересеченных зерен N.

Измерения проводят не менее чем в пяти характерных местах шлифа.

Допустимые расхождения результатов пяти определений при подсчете пересечений должно быть не более 50%.

Подсчет количества пересечений равноосных зёрен проводят на двух взаимно перпендикулярных отрезках прямых, проведенных в каждом из пяти мест шлифа.

Средний, условный диаметр зерна (d_L) в мм вычисляют по формуле

d_L = L / N, (3.16)

где L  суммарная длина отрезков, мм; N  общее число зерен, пересеченных отрезками длиной L .

Число неравноосных зерен в 1 мм³ шлифа определяют на шлифах, из­готовленных вдоль и поперек главной оси симметрии. В этом случае отрезки прямых проводят параллельно осям симметрии.

Среднее число неравноосных зерен (N_) в 1 мм³ объема шлифа вычис­ляются по формуле

N_ = 0,7 N_x  N_y  N_z , (3.17)

где 0,7  коэффициент, учитывающий неравноосность зерен; N_x  количество пересечений границ зерен на 1 мм длины в продольном направлении (вдоль оси вытянутых зерен); N_y  количество пересечений границ зерен на 1 мм длины в поперечном направлении; N_z  количество пересечений границ зерен на 1 мм длины в перпендикулярном направлении.

Метод подсчета пересечений границ зерен в быстрорежущей стали (Метод Снейдера-Графа) состоит в подсчете пересечений зерен и опреде­лении среднего их числа на отрезке 63,5 мм при увеличении 500 и на от­резке 127 мм при увеличении 1000, соответствующим номером зерна по шкале и условной классификацией величины зерна, приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1