Видманштеттова структура впервые была обнаружена при изучении железоникелевых метеоритов. В технике это изменение кристаллической решетки металлов и их сплавов является нежелательным, так как приводит к ухудшению физико-механических свойств. Для оценки данной структуры используют шкалу, нормируемую государственным стандартом.
Видманштеттова структура – что это такое?
В 1808 г., при исследовании метеоритов, австрийским ученым-минерологом Алоизом фон Видманштеттеном был обнаружен новый тип металлографической структуры сплавов, который получил название по фамилии своего первооткрывателя. Термин «видманштеттеновы фигуры» использовали для характеристики узоров, возникающих при изготовлении шлифов большинства железных метеоритов. Позднее было открыто, что это явление часто встречается и при промышленном изготовлении металлических конструкций.
Вам будет интересно:Аэродинамическое качество: определение, назначение и применение
Видманштеттова структура стали представляет собой ферритно-перлитную структуру, в которой ее составляющие (феррит и перлит) располагаются в виде геометрически упорядоченных фигур (пластины, иглы, квадраты, ромбы многоугольники). Эта аномалия связана с образованием крупных зерен в первичном аустените. Пластинчатые формы являются доэвтектоидным ферритом, выделяющимся в избытке внутри аустенитных зерен, игольчатые – вторичным цементитом. Пластины располагаются вдоль плоскостей решетки аустенита. Ниже приведено фото видманштеттовой структуры.
Условия появления
С точки зрения физики, возникновение таких изменений связано с тем, они обеспечивают наименьшее значение поверхностной энергии взаимодействия частиц на границе раздела фаз. Чаще всего подобное явление наблюдается при перегреве стали, однако она не всегда получает данную структуру.
Факторами, способствующими ее формированию, являются:
- значительное укрупнение аустенитных зерен;
- высокая скорость охлаждения металла;
- наличие в составе марганца, хрома и молибдена.
Данная структура стали может также возникнуть без перегрева в результате большой скорости охлаждения при переходе через интервал температур Ar3-Ac1. Наиболее часто видманштеттова структура наблюдается при таких технологических процессах, как сварка (в металле шва и прилегающем участке перегрева), литье, термообработка, искусственное старение сплавов, применяемое для увеличения их прочностных характеристик. В последнем случае это происходит в результате выделения новых фаз из пересыщенных растворов.
Свойства
Образование видманштеттовой структуры начинается при скорости остывания после перегрева выше 100 °C/мин. Если сплав имеет крупнозернистое строение, то это изменение кристаллической решетки выявляется и при более низких скоростях охлаждения. Толщина ферритных пластин может варьироваться в диапазоне 1-8 мкм.
Крупнозернистость и пластинчатое строение видманштеттовой структуры определяют ухудшение механических характеристик металлов и сплавов. При перегреве стали избыточный феррит, выделяющийся по границам зерен, «прорезает» перлит, что и приводит к изменению свойств.
Влияние на технологические характеристики конструкций
Помимо изменения кристаллической решетки, указанной выше, может возникнуть и другое нежелательное явление – пережог металла. При этом по границам зерен формируются закисные пленки железа, связь между зернами нарушается. Образование видманштеттовой структуры приводит к следующим негативным последствиям:
- снижение ударной вязкости и прочности;
- склонность к хрупкому разрушению;
- плохая сопротивляемость динамическим нагрузкам.
Поэтому данный процесс является нежелательным для конструкционных материалов и недопустим для изготовления промышленных изделий ответственного назначения.
Для улучшения структуры стали производят термообработку (полный отжиг или нормализацию). Пережженный материал исправить невозможно.
Для предотвращения образования видманштеттовой структуры при сварке в качестве основных металлов применяют такие, которые обладают наследственной мелкозернистостью, то есть при нагреве до высоких температур у них не происходит значительного увеличения зерна. Также используют легирующие добавки, снижающие способность стали к перегреву. Наиболее часто появление данного нежелательного эффекта наблюдается при газовой сварке. Для дуговой это менее характерно.
Оценка структуры
Степень изменения в кристаллической решетке при образовании видманштеттовой структуры регламентируется по ГОСТ 5640-68. Для ее оценки изготавливают микрошлифы 3 × 4 см. Вырезка образцов должна производиться холодным способом (механическим или другими). Развитие этой структуры в металле характеризуется ростом числа и размеров игольчатых образований феррита, а также величиной аустенитного зерна.
Оценка производится по двум рядам и 6 баллам в каждом из них. Первый ряд используется для низкоуглеродистых сталей (содержание углерода <0,3 %), второй – для среднеуглеродистых (С <0,5 %). Оценка по балльной шкале производится путем сопоставления с образцами металла, не менее чем в 3 точках микрошлифа исследуемой структуры.
