Metalografie - ATeam

Metalografie
Praktické příklady z materiálových expertíz
4. cvičení

Obsah
Protahovací trn
Povrchově kalená součást
Fréza
Karbidické vyřádkování
Cementovaná součást
Pozinkovaná součást
Pivní korunky
Klíč
1 / 24

2 / 24
Příprava metalografických výbrusů
Odběr vzorků – nesmí dojít k změně struktury (deformace, ohřev)
světelný mikroskop
pro dosažení požadovaných detailů využití řádkovací elektronové mikroskopie

Protahovací trn
Prášková ocel CPM REX 76
Zušlechtěno dle předpisů pro danou ocel tj. kalen a několikrát
popuštěn.
Z důvodu porušení - destrukce celého nástroje příčným lomem bylo
třeba posoudit jeho strukturu.
Karbidy jsou rovnoměrně rozloženy a jejich velikost je odpovídající požadavkům.
3 / 24

4 / 24
Řádkovací elektronový mikroskop
Tepelným zpracováním došlo k oslabení hranic zrn.

5 / 24
Detail struktury dokumentuje oslabení původních austenitických zrn.
Tepelné zpracování součásti probíhalo dle předepsané technologie, avšak
ze strukturního rozboru vyplývá, že protahovací trn byl kalen z příliš vysoké
kalící teploty (austenitizační teploty), což se projevilo na stavu struktury.
Kalící teplota byla překročena o 30-40°C, neboť při větším překročení se již
začaly vytvářet ostrohranné karbidy ledeburitického charakteru (jsou
součástí eutektika).

Povrchově kalená součást
ocel ČSN 12 050
Účelem povrchového kalení je
zvýšit tvrdost pouze povrchové
vrstvy a zachovat měkké
a houževnaté jádro kaleného
výrobku.
6 / 24

7 / 24
Zakalitelnost je schopnost materiálu při
ochlazování nad kritickou rychlost přejít
a setrvat v metastabilním stavu, tj. u
ocelí získat martenzitickou strukturu.
Protože obvykle se bere tvrdost jako
měřítko kaleného stavu, je zakalitelnost
dána maximální tvrdostí povrchu
výrobku.
Prokalitelností se rozumí schopnost
oceli dosáhnout při kalení tvrdosti
(martenzitické struktury) do určité
hloubky pod povrch výrobku. Za
prokalenou se obvykle považuje vrstva,
která má tvrdost odpovídající struktuře
o minimálně 50 % martenzitu.
Schéma čelní zkoušky
prokalitelnosti - Jominyho zkouška

Prokalitelnost závislá na vnitřních činitelích daných typem oceli.
Ocel sama ovlivňuje přeměnu austenitu a tím i prokalitelnost svým
chemickým složením austenitu, tj. obsahem uhlíku a přítomností
legujících prvků.
Dále je závislá na homogenitě austenitu, tj. na stupni koncentrace
rozpuštěného uhlíku a ostatních prvků a na množství
nerozpuštěných částí karbidů v okamžiku kalení.
Na prokalitelnost má ještě značný vliv velikost austenitického zrna.
Čím bude zrno jemnější, tím bude vyšší kritická rychlost a naopak.
Avšak druhého způsobu zvyšování prokalitelnosti nadměrným
zvětšením zrna vede k výraznému zhoršení mechanických
vlastností, zejména vrubové houževnatosti.
Vnější činitelé:
kalící teplota
doba setrvání na této teplotě (vliv na množství nerozpuštěných
karbidů a stejnorodost austenitizace i na velikost austenitického
zrna při kalení).
ochlazovací prostředí, stav povrchu oceli a rozměr i tvar kaleného
výrobku. 8 / 24

ARA diagram oceli ČSN 12 050
9 / 24

Pás prokalitelnosti
10 / 24

Vzorek K1 v příčném směru s vyznačenou hloubkou prokalitelnosti.
11 / 24

Detail lokality v povrchové části vzorku zachycuje hrubou
jehlicovitou martenzitickou strukturu.
S ohledem na hrubé jehlice martenzitu se může při delším ohřevu
popř. jiném rozměru a geometrii součásti iniciovat vznik
nežádoucích Widmannstättenových křehkých struktur.
12 / 24

Detail lokality v přechodové části vzorku K1 zachycuje horní bainit
přecházející do lamelárního perlitu.
13 / 24

Vzorek K4 v příčném směru v místě závitu, kde již nebylo
provedeno povrchové kalení. Struktura je tvořena feritem a perlitem
odpovídající chemickému složení a předchozímu zpracování
použité oceli.
14 / 24

Fréza
Na obvodní ploše trhlina, která vznikla po tepelném zpracování.
Cílem expertízy - zjištění příčiny iniciace trhliny.
Trhlina byla lokalizována v blízkosti spoje dvou částí nástroje –
stopkové, která měla být vyrobena z oceli ČSN 11 500 a pracovní
z materiálu ČSN 19 852.
Spoj obou částí byl proveden tlakovým svařováním.
Defektní místo na obvodu frézy.
15 / 24

16 / 24
Z nástroje byly odebrány vzorky k metalografické analýze tak, aby
bylo možné posoudit strukturní stav v místě čela (špička nástroje)
a v místě, kde byl pozorován defekt.
GD-OES analýza - cíl vyloučení možné záměny materiálu.
Především záměna pracovní části nástroje za jinou ocel popř.
výrazný odklon od požadovaného chemického složení by vyvolalo
negativní vliv na výsledné vlastnosti nástroje.

Místo, kde byla pracovní část nástroje svařena s konstrukční ocelí.
Jak vyplývá z analýzy GD-OES a perliticko-feritické struktury,
použitý materiál byl s nejvyšší pravděpodobností ČSN 11 700.
17 / 24

Chemické složení nástrojové oceli rovněž neodpovídá přesně
normě (viz. Tab), ale rozdíl lze ještě tolerovat.
Nejcitlivější změna je v koncentraci uhlíku (směrem nahoru)
a celkově nižší množství legujících prvků.
I přesto by tyto objemové změny chemického složení neměly
znamenat výrazný posun v technologii tepelného zušlechtění
a dosažených mechanických hodnot.
Rozhodující v posuzovaném případě je obsah kobaltu, který spolu
s uhlíkem má největší vliv.
Zatímco zvyšující množství uhlíku bude zvyšovat obsah karbidů,
pak zvyšující se obsah kobaltu vyvolává potlačení transformací
a způsobuje větší citlivost k nevhodnému tepelnému zpracování.
Prvek
Stanovená koncentrace
GD-OES EDX
Dle ČSN
C
1,2
-
0,85
Cr
4,6
5,1
4,2
W
4,8
5,0
6,25
Co
4,4
4,7
4,75
V
1,8
1,6
1,85
Mo
4,3
4,5
5,0
18 / 24

IRA diagram oceli ČSN 19852
19 / 24

20 / 24
Karbidické vyřádkování
Ze světelného mikroskopu nejlépe vyplývá rozsah karbidického
vyřádkování i heterogenita popuštěné struktury.

21 / 24
Přestože struktura obsahuje poměrně velké množství i drobných
sekundárních karbidů, které dokumentují, že bylo kalení provedeno
ze správné teploty, jsou v některých místech ostrohranější karbidy,
které dokazují překročení teploty o cca 20°C popř. prodlevu
na teplotě austenitizace.
S ohledem na již zmíněný strukturní stav nelze jednoznačně
zpochybnit technologickou kázeň obsluhujícího personálu kalící
a popouštěcí pece.

Snímek zachycuje poměrně rozsáhlé martenzitické jehlice a to
i přestože byl materiál třikrát popuštěn.
22 / 24

23 / 24
Snímek byl pořízen na podélné ploše metalografického výbrusu v blízkosti
špičky nástroje. Jednotlivé výsledky EDX mikroanalýzy dokumentují
rozdílnost chemického složení v jednotlivých lokalitách. To potvrzuje, že
karbidické vyřádkování bude mít nepříznivý vliv i na chemickou heterogenitu.
Lokalita 1
Lokalita 2
Lokalita 3
Mo
30
29,2
6,1
V
13,2
9,1
1,5
Cr
5,1
4,3
5,6
Co
1,3
1,8
4,5
W
23,1
30
4,7

24 / 24
Z metalografického pozorování vyplynulo, že struktura je tvořena
velmi výrazným karbidickým vyřádkováním. Což jak z dosažených
poznatků vyplývá, bylo hlavní příčinou destrukce frézy.
Strukturní heterogenita spolu s pozůstalým pnutím vyvolala
v blízkosti svaru iniciaci poměrně rozsáhlé trhliny.
Dalším negativem vyřádkovaní karbidů je i to, že nejen změní
v daných lokalitách výrazně chemické složení, ale jejich přítomnost
zabraňuje uvolnění pnutí při popouštění.
Lokální rozdílné chemické složení způsobí, že bezdifúzní přeměna
austenitu při kalení se neuskutečňuje dle uvedeného IRA diagramu.
To má za následek nejen rozdílný strukturní stav, ale také iniciaci
pnutí.