Металлографический анализ сварного шва: как читать микроструктуру
Рентген покажет поры. УЗД найдёт крупную трещину. А что с металлом произошло на самом деле в зоне расплава — расскажет только шлиф под микроскопом. Металлография открывает фазовый состав, размер зерна, линию сплавления, микровключения, горячие и холодные трещины в самой толще металла шва. Без этого анализа аттестовать сварщика первой категории никто не станет, а заключение о причине разрушения узла на суде не примут к рассмотрению. Судебно-техническая экспертиза металлоконструкций держится именно на шлифах.
Подготовка шлифа
Диск 30–50 мм. Режут перпендикулярно шву. Алмазный круг, медленные обороты — перегрев испортит всё на этой стадии. На торце лежат три зоны: основной металл, ЗТВ и сам шов. Далее идёт шлифовка наждаком по номерам P80, P400, P1000, P2500, каждый следующий уровень стирает риски от предыдущего до полного исчезновения. Полирование алмазной пастой 1 мкм на сукне выводит зеркало. Вот где ловят ошибку: если на поверхности остались риски от грубой шлифовки, под микроскопом они читаются как трещины и портят картину. Конечная шероховатость Ra ниже 0,02 мкм, чистый металлический блеск.
Травление реактивами
Зеркальный шлиф пустой. В отражённом свете все фазы выглядят одинаково светлыми, и структуры не видно вообще. Поэтому нужно травление. Для углеродистых и низколегированных сталей мастера давно взяли Ниталь — 2–5 % азотной кислоты HNO3 в этиловом спирте, выдержка 5–30 секунд погружением или ватным тампоном. Нержавейка идёт сложнее — реактив Марбла на основе CuSO4, HCl и воды в определённой пропорции. Реактив растворяет границы зёрен и фазовые поля неравномерно, и структура проступает через различный рельеф поверхности. После травления шлиф промывают спиртом и сушат тёплым воздухом.
Микроскоп и зоны наблюдения
Рабочий диапазон увеличений — от 50х до 500х в светлом поле, до 1000х в тёмном. Смотрят три зоны. Основной металл далеко от шва, затем ЗТВ шириной 2–5 мм и, наконец, сам шов с характерной дендритной структурой кристаллизации. В ЗТВ металл не плавился, но прогрелся выше точек фазового превращения и успел перестроиться. Сравнение трёх зон и показывает, не перегрелся ли узел и не выросло ли зерно сверх допустимого балла по шкале ГОСТ. Фотофиксацию ведут с масштабной линейкой в кадре — без неё протокол экспертизы не принимают.
Структурные фазы
На протравленном шлифе видно четыре основные фазы железа. Феррит — светлые полигональные зёрна почти чистого железа, мягкие и пластичные. Перлит — полосатый узор из чередования пластинок феррита и цементита, даёт прочность. Мартенсит — игольчатая структура после быстрого охлаждения, признак перегретого шва, хрупкий и склонный к трещинам. Бейнит — переходная форма из тонких пластин, сочетает прочность с вязкостью. По доле мартенсита инженер сразу видит, нужен ли отпуск изделия после сварки для снятия внутренних напряжений и уменьшения хрупкости.
Дефекты и критерии ISO 5817
В шве ищут газовые поры от влаги и ржавого металла, шлаковые включения от плохо зачищенного предыдущего слоя, горячие и холодные трещины, непровар корня, подрезы по линии сплавления. Каждый дефект измеряют в микрометрах и сопоставляют с нормой по толщине основного металла. Стандарт ISO 5817 задаёт три класса качества: B — высокий для ответственных конструкций, C — средний, D — умеренный для второстепенных узлов. Класс подбирают под ответственность конструкции. Именно этот документ решает судьбу узла — в эксплуатацию или обратно на переварку. Металлическое сырьё под образцы для аттестации есть на zpsplav.com.ua.