Алгоритм проведения металлографической экспертизы на примере

01.06.2016

Мало кто в городе может похвастаться наличием признанных специалистов из государственного реестра экспертов, но в Альтернативе они есть! Покажем на примере и методику проведения металлографической экспертизы.

В нашей экспертной компании можно заказать уникальную услугу в Нижнем Новгороде по проведению металлографической экспертизы.

Объект экспертизы и что изучаем?

Нужно установить не из-за поршневого пальца двигателя ММЗ-4063.10 отказал сам двигатель. Эксперт рассмотрит причинно-следственную связь.

Программа исследования

  • Измерение твердости сердцевины пальца.
  • Измерение микротвердости пальца от поверхности детали к сердцевине.
  • Определение наличия упрочненного слоя и дефектов в поршневом пальце методами макро- и микроанализа.
  • Исследования микроструктуры поверхности и сердцевины детали.
  • Определение химического состава материала детали.

Исполнение металлографической экспертизы

Измерение твердости

Рис.2. Микроструктура поверхности отожженного фрагмента, 100х

Проводилось по методу Роквелла на приборах ТК-2. При испытании на твердость по Роквеллу в поверхность испытуемого металла вдавливают алмазный конус с углом 1200 или сильно закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Шарик и конус вдавливают в испытуемый образец, последовательно прилагая предварительную F0 и основную F1 нагрузку. Предварительная нагрузка F0 во всех случаях равна 98 Н, а основная F1 зависит от того, по какой шкале проводят испытания.

Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах; ее обозначают в зависимости от условий испытания НRA, HRB, HRC (в соответствии с наименованием шкалы). На каждом образце проводят не менее трех испытаний, за число твердости принимают среднеарифметическое значение.

Измерение твердости проводилось между упрочненными слоями на поперечном шлифе в соответствии с требованиями чертежа 406.1004020-01. Использовалась шкала HRC (F = 1471 H, наконечник - алмазный конус). Факультативно твердость измерена и на поверхности детали.

Измерение микротвердости

Рис.5. Микроструктура сердцевины отожженного фрагмента, 360х

Для изучения свойств и превращений в сплавах необходимо знать не только «усредненную» твердость – суммарную от влияния структурных составляющих, но и определять твердость отдельных фаз и слоев.

Микротвердость определяли вдавливанием алмазной пирамиды на приборе ПМТ-3 с четырехгранным алмазным наконечником с углом между гранями при вершине 1360.

Поверхность поперечного образца шлифовали и полировали, травили реактивом Ржешотарского. Подготовленный образец установили в прибор, просмотрели через окуляр, подвели индентор к выбранному месту, подали нагрузку 100 г. Измерили диагонали отпечатка, нашли средние значения. Измерения проводили начиная с 40 мкм от поверхности образца к центру до 1,8 мм.

Рассчитали числа твердости и представили в единицы твердости по Виккерсу в соответствии с требованиями чертежа 406.1004020-01.

Исследования макроструктуры детали

Внешний осмотр макрошлифа на определение наличия упрочненного поверхностного слоя невооруженным глазом. Производился на фрагменте пальца после обработки 5%-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Измерение глубины слоя и его разнотолщинности производилось при помощи микроскопа и объект-микрометра при увеличении 100 крат.

Исследования микроструктуры детали

Для проведения исследования микроструктуры разрезали представленный фрагмент пальца на две части, избегая путем обильного смачивания перегрева и прижогов, изготовили поперечный микрошлиф.

Для уточнения толщины слоя и определения структуры стали в равновесном состоянии на одном фрагменте пальца провели отжиг при температуре 9400С, 45 мин., охлаждение с печью (электрическая муфельная лабораторная печь СНОЛ). Также изготовили поперечный микрошлиф.

Рис.6. Микроструктура сердцевины фрагмента пальца , 360х

Шлифовка производилась специальной металлографической наждачной бумагой, закрепленной на быстро вращающемся круге. Начинали шлифование на грубой наждачной бумаге и заканчивали на бумаге с наиболее мелким зерном. После шлифования шлиф подвергли полированию на вращающемся круге с натянутым тонким сукном, на который наносили абразивное вещество - окись хрома чрезвычайно тонкого помола, которым удаляют риски. Получили зеркальную поверхность образца.

После полирования образец промыли, просушили, протравили 4 - 5 % спиртовым раствором азотной кислоты (универсальным).

Для изучения микроструктуры металлов использовали металлографический микроскоп (МИМ-7). Подготовленный шлиф поместили перпендикулярно оптической оси микроскопа в плоскости, совпадающей с передней главной фокальной плоскостью объектива. Съемка производилась при увеличениях 100 и 360 крат. Для фотографирования изображений использовался цифровой фотоаппарат Canon PowerShot A570 IS.

Определение химического состава

Проводилось методом оптического эмиссионного спектрального анализа (ОЭСА) – одним из наиболее распространенных методов анализа элементного состава материалов. Важнейшие достоинства ОЭСА – его быстрота наряду с высокой точностью и низкими пределами обнаружения, низкая себестоимость, простота пробоподготовки.

Исследования проводились на установке FOUNDRY-MASTER - спектрометре с оптической системой по схеме Пашена-Рунге. Фокальное расстояние 350 мм. Использование CCD технологии предоставляет возможность считывания непрерывного спектра в диапазоне длин волн от 160 до 800 нм. Оптическое разрешение 6 пм. Дисперсия в первом порядке 0,9 нм/мм. Спектрометр имеет уникальную систему автоматического профилирования линий при каждом измерении, это позволяет избежать частой рекалибровки спектрометра, термостатирования и постоянного продува оптической системы аргоном, делает спектрометр устойчивым к значительным колебаниям температур, вибрациям. Вакуумная система спектрометра обеспечивает стабильность и воспроизводимость анализа по всем элементам, в том числе линии которых располагаются в UV области. Для возбуждения разряда используется вольфрамовый электрод (срок службы которого составляет многие тысячи анализов). Запатентованная система обтекания электрода аргоном «JetStream» обеспечивает возможность анализа неровных и очень маленьких образцов без использования специальных адаптеров. Мощный промышленный компьютер на базе процессора Intel Pentium осуществляет контроль параметров спектрометра и выполнение приложений управляющего русскоязычного программного обеспечения WASLAB.

Диапазон чувствительности по большинству элементов составляет 0,001%, по некоторым до 0,0001%. Возможна быстрая идентификация марок сплавов по марочнику. На исследование поступил отожженный фрагмент поршневого пальца.

Отчет о проведении металлографической экспертизы

Измерение твердости

Твердость сердцевины пальца поршневого составляет в среднем 36 НRC. Твердость поверхностного слоя 64– 66 HRC. Обычно детали типа «палец поршневой» изготавливают из низкоуглеродистых сталей, упрочняющими обработками могут быть нитроцементация либо цементация с последующей закалкой и низким отпуском. Измеренная твердость полностью соответствует технологическим требованиям к детали.

Измерение микротвердости

Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Изменение микротвердости поршневого пальца от поверхности к сердцевине

Расстояние от поверхности детали, мкмДиагонали отпечатков, дел шкалыМикротвердость при нагрузке 0,2 кгс, HV
текущаясредняя
40 - 620 80х80 602,9 586,4
80х80 602,9
83х84 553,4
620 - 806 85х87 521,7 525,5
86х85 527,8
85х86 527,8
806 - 992 90х89 481,7 463,9
89х89 481,7
95х95 423,0
992 - 1364 95х95 427,5 424,5
95х96 423
95х96 423
1364 - 1756 95х96 423 423
95х96 423
95х96 423

Макроструктура фрагментов детали

Рис.1. Макрошлиф фрагмента пальца

После травления поперечного макрошлифа по внешнему и внутреннему диаметру пальца выявлена темная полоска, что говорит о наличии поверхностного насыщения (см. рис.1).

Рис.3.  Микроструктура поверхности отожженного фрагмента, 100х  со шкалой (расстояние 0 – 10 равно 1мм)

Глубина слоя на внешнем диаметре в среднем 0,6 мм, на внутреннем диаметре в среднем 0,4 мм. Более точно глубина насыщенного слоя определялась микроанализом (см. рис.3).

Макродефекты внутренние (трещины, рыхлоты, крупные включения) на шлифе не выявлены. На полированной поверхности трещины, риски, черновины, волосовины, сборочные забоины не обнаружены.

Микроструктура фрагментов детали

Рис.4. Микроструктура переходной зоны отожженного фрагмента, 100х

Металлографические исследования сердцевины отожженного фрагмента пальца показали, что исследуемая сталь относится к доэвтектоидным конструкционным, с содержанием углерода около 0,15%. Микроструктура поверхностного слоя отличается повышенным содержанием углерода, его около 0,7%. Зона между поверхностью и сердцевиной на глубине около 1 мм (см. рис. 4) имеет среднее между ними содержание углерода. Глубина слоя на внешней поверхности пальца колеблется от 0,57 до 0,62 мм, разнотолщинность слоя допустимая. Внутренняя поверхность пальца имеет слой от 0,38 до 0,46 мм. Это на внутренней поверхности слой не допускается, однако в чертеже указано его наличие до толщины 0,5, а в некоторых случаях до 0,7 мм.

Таким образом, деталь проходила поверхностное упрочнение методом химико-термической обработки, а именно цементации. Классическое содержание углерода в цементованном слое должно быть в пределах 0,8 – 1,1%, то есть в поверхности пальца оно несколько занижено, однако это не вызывает недостаточной твердости и дефектом не является.

Микроструктуры поверхности и внутреннего объема детали характеризуются мелким, равноосным зерном, являются полностью удовлетворительными. Микроструктура поверхности пальца - мартенсит отпуска, мелкоигольчатый, трудно дифференциируемый. Свободного цементита в виде игл и сплошной сетки нет.

Троостита в слое и переходной зоне не обнаружено. Структура удовлетворительная.

Определение химического состава

Поршневые пальцы, подвергающиеся цементации и закалке с низким отпуском, изготовляют из сталей 15Х, 15ХА, 15ХМ, 12ХН3А, 12Х2Н4А. Результаты определения химического состава материала представлены в табл.2.

Таблица 2. Химический состав стали исследуемого пальца и стали для изготовления подобных деталей (железо в остатке), %.

МатериалУглеродМарганецХромНикельСераФосфорКремний
Исследуемая сталь 0,12 0,45 0,81 2,89 0,01 0,01 0,23
Сталь 12ХН3А по ГОСТ 10702-78 0,09-0,16 0,5–0,8 0,6–0,9 2,75–3,15 До 0,025 До 0,025 0,17–0,37

Сталь маркируется как 12ХН3А и соответствует требованиям чертежа.

ВЫВОДЫ

Твердость сердцевины представленного поршневого пальца составляет в среднем 36 НRC. Измеренная твердость полностью соответствует технологическим требованиям предъявляемым к детали (от 22 до 40 НRC).

Цементованный слой на представленном поршневом пальце имеется. Глубина слоя на внешнем диаметре в среднем 0,6 мм, на внутреннем диаметре в среднем 0,4 мм.

Из-за малых размеров представленного фрагмента пальца не представилось возможным проверить его на соответствие сопротивления материала на раздавливание и изгиб. Отсутствует маркировка, так как отсутствует торец пальца, на который она должна наноситься по требованиям чертежа. Из-за отсутствия целостности детали нельзя определить геометрические параметры: основные размеры, разностенность, предельные отклонения. Технологические требования к материалу и результату упрочнения соблюдены абсолютно.

В исследованном фрагменте поршневого пальца скрытых дефектов не выявлено. Внешних дефектов на поверхности представленного фрагмента поршневого пальца настоящим исследованием не выявлено.

Поршневой палец и поршень, представленные на исследование, некачественно изготовленными деталями (в рамках исследованных характеристик) не являются.

Качество материала представленных деталей (поршневого пальца и поршня), с технической точки зрения, не находится в причинно-следственной связи с возникшим отказом двигателя.

Заказать услугу


Читать другие новости об оценке и экспертизе в России