Контроль качества конструкционных материалов

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ............................................................................................................................ 12

Глава 1. Металлографические методы исследования структуры металлов .............................. 13

1.1. Общие положения ......................................................................................................... 13
1.2. Методы выявления структуры ....................................................................................... 14
1.2.1. Изготовление шлифов .......................................................................................... 14
1.2.2. Дополнительные практические рекомендации по изготовлению шлифов
из конструкционных материалов ......................................................................... 20
1.2.3. Практические рекомендации по изготовлению специальных шлифов ............. 24
1.2.4. Выявление структуры металлов ........................................................................... 26
1.2.5. Характерные микроструктуры конструкционных металлов .............................. 44
1.2.6. Методы микроскопического исследования ........................................................ 56
1.2.7. Методы электронно-микроскопического исследования .................................... 60
1.3. Количественная оценка структуры ............................................................................... 73
1.4. Методы исследования неметаллических включений в стали ...................................... 79
1.5. Исследование конструкционных металлических наноматериалов ............................. 88
1.5.1. Общие сведения о металлических наноматериалах ............................................ 88
1.5.2. Методы исследования конструкционных наноматериалов ................................ 95

Глава 2. Стандартные металлографические методы контроля ................................................. 98

2.1. Определение микроструктуры стали ............................................................................ 98
2.2. Определение неметаллических включений в стали ..................................................... 100
2.3. Определение величины зерна в сталях и сплавах ......................................................... 103
2.4. Оценка микроструктуры листов и лент из сталей ........................................................ 105
2.5. Определение структуры отливок из чугуна ................................................................... 105
2.6. Определение ферритной фазы в прутках из аустенитной стали .................................. 109
2.7. Оценка макроструктуры проката из сталей .................................................................. 109
2.8. Оценка макроструктуры жаропрочных сплавов ........................................................... 111
2.9. Определение глубины обезуглероженного слоя в сталях ............................................. 112
2.10. Определение коррозионных поражений металлических материалов ......................... 115
2.11. Определение газовой пористости в литейных алюминиевых сплавах ........................ 118
2.12. Определение эрозии паяемого материала  .................................................................... 118
2.13. Определение толщины прослойки химических соединений в паяных соединениях .... 118

Глава 3. Фрактографические методы исследований ................................................................. 120

3.1. Основные понятия об изломах ...................................................................................... 120
3.2. Методы исследования изломов ..................................................................................... 132
3.2.1. Очистка поверхности изломов и их консервация ............................................... 132
3.2.2. Фотографирование изломов ................................................................................ 134
3.2.3. Оптические методы исследования строения изломов ........................................ 145
3.3. Применение фрактографии для оценки качества конструкционных сталей.............. 156
3.3.1. Способы получения изломов технологических проб и ударных образцов ........ 156
3.3.2. Виды изломов технологических проб и ударных образцов ................................. 159
3.3.2.1. Классификация изломов по морфологии поверхности разрушения ......... 159

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.3.2.2. Виды волокнистых и кристаллических изломов ......................................... 160
3.3.2.3. Изломы, обусловленные химической микронеоднородностью металла ... 170
3.3.2.4. Изломы, обусловленные химической макронеоднородностью металла ... 176
3.3.2.5. Изломы, обусловленные воздействием на металл высоких температур .... 178
3.3.2.6. Проявление несплошности металла в изломах ........................................... 187
3.4. Примеры применения методов фрактографии для оценки качества металлов .......... 199
3.4.1. Фрактографические методы определения критической температуры
хрупкости стали .................................................................................................... 199
3.4.2. Оценка влияния включений на разрушение металлов ....................................... 202
3.4.3. Метод визуальной оценки качества металла ....................................................... 203
3.5. Фрактографические методы диагностики разрушенных деталей ............................... 205
3.6. Рекомендуемые схемы исследования качества стали по изломам технологических
проб и ударных образцов ............................................................................................... 209

Глава 4. Основные физические методы исследования металлов .............................................. 214

4.1. Общие сведения ............................................................................................................. 214
4.2. Рентгеноспектральный микроанализ ........................................................................... 216
4.3. Оже-электронная спектроскопия ................................................................................. 217
4.4. Электронная спектроскопия для химического анализа ............................................... 220
4.5. Масс-спектрометрия вторичных ионов ........................................................................ 221
4.6. Оптический эмиссионный спектральный микроанализ ............................................. 222
4.7. Ядерный гамма-резонанс .............................................................................................. 224
4.8. Другие физические методы ........................................................................................... 224

Глава 5. Метод температурной микроскопии ............................................................................ 228

5.1. Возможности и преимущества метода .......................................................................... 228
5.2. Методики проведения исследований металлических материалов при 
термодеформационном воздействии ............................................................................ 230
5.2.1. Аппаратура ............................................................................................................ 230
5.2.2. Образцы для исследования .................................................................................. 232
5.2.3. Методы измерения локальной деформации........................................................ 235
5.2.4. Способы нагрева образцов ................................................................................... 237
5.3. Методические особенности исследования процессов деформирования
и разрушения образцов .................................................................................................. 239
5.3.1. Процессы деформирования и разрушения с различными скоростями
растяжения в условиях нагрева и охлаждения на установках температурной 
микроскопии ......................................................................................................... 239
5.3.2. Процессы деформирования и разрушения в условиях знакопеременного
изгиба при комнатной и повышенных температурах ......................................... 244
5.3.3. Измерение микротвердости при нагреве и одновременном действии 
растягивающих напряжений на плоских образцах в условиях нормальной
и высоких температур ........................................................................................... 246
5.3.4. Особенности фиксации процессов пластической деформации и зарождения 
трещин с помощью киносъемки .......................................................................... 247
5.3.5. Исследование макроструктуры в условиях термодеформационных испытаний ... 247
5.3.6. Особенности пластической деформации и разрушения сварных соединений .... 248
5.4. Сочетание метода температурной микроскопии с другими методами
исследования структуры металлов ................................................................................ 253
5.5. Классификация основных видов микрорельефов на поверхности металла, 
образующихся в условиях термодеформационного воздействия ................................ 259

Оглавление 
5

5.5.1. Общие положения ................................................................................................ 259
5.5.2. Деформационные внутризеренные микрорельефы ............................................ 262
5.5.3. Деформационные межзеренные микрорельефы ................................................. 268
5.5.4. Термические микрорельефы ................................................................................ 278
5.5.5. Нарушения сплошности (микротрещины) ......................................................... 281
5.6. Примеры использования температурной микроскопии для исследования
структурных особенностей и разрушения конструкционных металлических 
материалов, их сварных соединений и поверхностных покрытий в условиях 
термодеформационного воздействия ........................................................................... 283

Глава 6. Дефекты в конструкционных металлах и их сварных соединениях ............................ 309

6.1. Дефекты в конструкционных сталях ............................................................................. 309
6.1.1. Дефекты в слитках и отливках ............................................................................. 309
6.1.1.1. Внутренние дефекты .................................................................................... 309
6.1.1.2. Дефекты поверхности ................................................................................... 321
6.1.2. Дефекты непрерывной (полунепрерывной) разливки стали .............................. 333
6.1.2.1. Дефекты формы слитков (слябов) ............................................................... 333
6.1.2.2. Внутренние дефекты .................................................................................... 337
6.1.2.3. Дефекты поверхности слитков, заготовок ................................................... 352
6.1.3. Дефекты в металлопродукции .............................................................................. 361
6.1.3.1. Дефекты, обусловленные качеством металла слитка .................................. 361
6.1.3.2. Поверхностные дефекты, образовавшиеся при температурно-
деформационной обработке слитков ........................................................... 372
6.1.3.3. Дефекты, образовавшиеся при транспортировке и хранении .................... 379
6.2. Дефекты в деформируемых алюминиевых сплавах ...................................................... 381
6.2.1. Дефекты в слитках ................................................................................................ 381
6.2.2. Дефекты в деформированном металле ................................................................ 391
6.2.2.1. Внутренние дефекты .................................................................................... 391
6.2.2.2. Дефекты поверхности ................................................................................... 396
6.2.2.3. Дефекты формы ............................................................................................ 417
6.2.3. Дефекты в прессованных полуфабрикатах .......................................................... 419
6.2.3.1. Внутренние дефекты .................................................................................... 419
6.2.3.2. Дефекты поверхности ................................................................................... 427
6.2.3.3. Дефекты формы ............................................................................................ 434
6.2.4. Дефекты в штамповках и поковках ...................................................................... 435
6.2.4.1. Внутренние дефекты .................................................................................... 435
6.2.4.2. Дефекты поверхности ................................................................................... 439
6.2.4.3. Дефекты формы ............................................................................................ 444
6.2.5. Дефекты термической обработки ........................................................................ 444
6.2.6. Дефекты, образовавшиеся при транспортировке и хранении ............................ 450
6.3. Основные дефекты в титановых сплавах ...................................................................... 452
6.3.1. Дефекты металлургического происхождения ..................................................... 452
6.3.2. Дефекты технологического происхождения ....................................................... 455
6.4. Основные дефекты в никелевых сплавах ...................................................................... 459
6.5. Дефекты в сварных соединениях .................................................................................. 464
6.5.1. Трещины ................................................................................................................ 464
6.5.2. Поры ...................................................................................................................... 487
6.5.3. Усадочные раковины ............................................................................................ 488
6.5.4. Непровар ............................................................................................................... 491
6.5.5. Несплавление ........................................................................................................ 494

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.5.6. Слипание ............................................................................................................... 495
6.5.7. Неметаллические включения ............................................................................... 495
6.5.8. Металлические включения .................................................................................. 499
6.5.9. Флокены ................................................................................................................ 500
6.5.10. Подрез ................................................................................................................... 502
6.5.11. Наплыв .................................................................................................................. 503
6.5.12. Прожог .................................................................................................................. 504
6.5.13. Кратер ................................................................................................................... 505
6.5.14. Перегрев металла .................................................................................................. 505

Глава 7. Методы неразрушающего контроля ............................................................................ 507

7.1. Общие положения ......................................................................................................... 507
7.2. Методы оптического контроля ..................................................................................... 508
7.2.1. Требования к методам оптического контроля ..................................................... 508
7.2.2. Измерение отклонений формы металлопродукции от заданной ....................... 514
7.3. Методы радиационного контроля ................................................................................. 514
7.3.1. Радиационная дефектоскопия ............................................................................. 514
7.3.2. Радиографический контроль сварных соединений............................................. 517
7.3.3. Электрорадиографический контроль сварных соединений ............................... 518
7.3.4. Радиационный контроль слитков черных и цветных металлов .......................... 518
7.4. Методы акустического (ультразвукового) контроля .................................................... 519
7.4.1. Акустическая (ультразвуковая) дефектоскопия для контроля металлических
труб ........................................................................................................................ 521
7.4.2. Акустический (ультразвуковой) контроль листового проката ............................ 521
7.4.3. Акустический (ультразвуковой) контроль поковок из черных и цветных 
металлов ................................................................................................................ 522
7.4.4. Акустический (ультразвуковой) контроль железнодорожных рельсов .............. 522
7.5. Методы теплового контроля ......................................................................................... 523
7.6. Методы электрического контроля ................................................................................ 524
7.7. Методы капиллярного контроля ................................................................................... 524
7.8. Методы магнитного контроля ....................................................................................... 526
7.8.1. Магнитопорошковый контроль ........................................................................... 527
7.8.2. Магнитографический контроль швов сварных соединений трубопроводов ..... 528
7.8.3. Метод магнитной памяти металла ....................................................................... 528
7.9. Методы течеискания ...................................................................................................... 529
7.9.1. Выбор методов и средств испытаний на герметичность ..................................... 529
7.9.2. Испытания на герметичность .............................................................................. 529
7.9.3. Масс-спектрометрический метод течеискания................................................... 530
7.10. Вихретоковый метод контроля электрической проводимости цветных металлов ..... 531

Глава 8. Методы контроля механических свойств металлов .................................................... 532

8.1. Общие положения ............................................................................................................ 532
8.2. Правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических 
испытаний металлов ...................................................................................................... 533
8.2.1. Отбор проб, заготовок и образцов из проката ....................................................... 533
8.2.2. Отбор проб, заготовок и образцов из труб ............................................................. 534
8.2.3. Отливка проб и изготовление образцов из чугуна ................................................. 537
8.3. Методы испытаний на статическое растяжение ............................................................. 538
8.3.1. Испытания на растяжение при комнатной температуре ...................................... 538
8.3.2. Испытания на растяжение при повышенных температурах ............................... 542

Оглавление 
7

8.3.3. Испытания на растяжение при пониженных температурах ............................... 542
8.3.4. Испытание на длительную прочность при растяжении ...................................... 544
8.3.5. Испытание на ползучесть при температурах до 1200 °С ..................................... 546
8.3.6. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения)
при статическом нагружении ............................................................................... 547
8.3.7. Испытания на растяжение труб ........................................................................... 551
8.3.8. Испытания на растяжение тонких листов и лент ................................................ 554
8.3.9. Испытание на растяжение проволоки ................................................................. 556
8.4. Метод испытания на сжатие .......................................................................................... 556
8.5. Методы испытаний на изгиб ......................................................................................... 557
8.5.1. Испытания на статический изгиб ........................................................................ 557
8.5.2. Испытание на перегиб проволоки ....................................................................... 559
8.5.3. Испытание на перегиб листов и лент .................................................................. 559
8.5.4. Испытание на изгиб навивкой листов и лент толщиной менее 2,5 мм .............. 561
8.5.5. Метод испытания на кручение ............................................................................. 561
8.6. Методы измерения твердости ....................................................................................... 563
8.6.1. Измерение твердости при статическом нагружении .......................................... 564
8.6.2. Измерение твердости при динамическом нагружении ....................................... 568
8.7. Методы испытаний при ударных нагрузках ................................................................. 570
8.7.1. Испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных 
температурах ......................................................................................................... 570
8.7.2. Испытания на ударный изгиб при температурах от –100 до –269 °С ................ 571
8.7.3. Испытания на ударный изгиб стальных труб и листового проката .................... 574
8.7.4. Определение склонности металлов к механическому старению
по испытанию на ударный изгиб ......................................................................... 576
8.8. Методы испытаний при циклических нагрузках.......................................................... 576
8.8.1. Испытания на усталость ....................................................................................... 577
8.8.2. Испытания на малоцикловую усталость .............................................................. 579
8.8.3. Испытание проволоки на знакопеременное скручивание ................................. 579
8.9. Метод испытания на кручение ...................................................................................... 580

Глава 9. Методы контроля свойств сварных и паяных металлических соединений ................. 583

9.1. Методы контроля механических свойств сварных соединений .................................. 583
9.1.1. Общие положения ................................................................................................ 583
9.1.2. Правила отбора проб, заготовок и образцов для механических
и технологических испытаний сварных соединений .......................................... 583
9.1.3. Испытания сварных соединений при статических нагрузках ............................ 586
9.1.4. Испытания сварных соединений при ударных нагрузках .................................. 601
9.1.5. Измерения твердости металла различных участков сварного соединения
и наплавленного металла...................................................................................... 606
9.2. Методы механических испытаний паяных соединений .............................................. 608
9.2.1. Испытания на растяжение и длительную прочность паяных соединений ........ 608
9.2.2. Испытания на статический изгиб паяных соединений ...................................... 610
9.2.3. Испытания на ударный изгиб паяных соединений............................................. 612
9.2.4. Испытания на усталость паяных соединений ..................................................... 615

Глава 10. Методы контроля технологических свойств металлических материалов,
их сварных и паяных соединений ............................................................................ 618

10.1. Стандартизованные методы .......................................................................................... 618
10.1.1. Испытание на бортование металлических труб .................................................. 618

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

10.1.2. Испытание на раздачу металлических труб ......................................................... 619
10.1.3. Испытание на сплющивание металлических труб .............................................. 620
10.1.4. Испытание на осадку сортового проката и проволоки ....................................... 621
10.1.5. Испытание на расплющивание металлических прутков или готовых
заклепок ................................................................................................................ 622
10.1.6. Испытание на выдавливание металлических листов и лент по Эриксену ......... 623
10.1.7. Испытание сталей на прокаливаемость ............................................................... 625
10.1.8. Оценка влияния сварки плавлением на основной металл .................................. 626
10.1.9. Испытания на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке 
плавлением............................................................................................................ 627
10.1.10. Испытания на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке 
плавлением .......................................................................................................... 628
10.1.11. Оценка хладостойкости сварных конструкций по реакции на ожог
сварочной дугой ................................................................................................... 628
10.1.12. Оценка влияния жидкого припоя на механические свойства паяемого 
материала ............................................................................................................. 631
10.1.13. Определение заполнения зазора припоем .......................................................... 631
10.1.14. Определение растекания припоя ........................................................................ 632
10.1.15. Определение температуры распайки  ................................................................. 633
10.2. Нестандартизованные методы ...................................................................................... 633
10.2.1. Определение совместимости металлических материалов с припоями .............. 633
10.2.2. Определение снижения прочности металлических материалов с трещинами
под действием припоя .......................................................................................... 633
10.2.3. Исследование природы и трансформации дефектов поверхности заготовок
из труб в условиях производства .......................................................................... 634
10.3. Другие методы технологических испытаний ................................................................ 635

Глава 11. Методы контроля качества порошковых металлических материалов ....................... 637

11.1. Методы контроля металлических порошков  ................................................................ 637
11.1.1. Отбор проб порошков........................................................................................... 637
11.1.2. Определение текучести порошков ....................................................................... 637
11.1.3. Определение удельной поверхности порошков  ................................................. 638
11.1.4. Определение формы частиц металлических порошков ...................................... 638
11.1.5. Определение величины частиц порошков........................................................... 638
11.1.6. Определение насыпной плотности порошков .................................................... 639
11.1.7. Определение уплотняемости порошков .............................................................. 639
11.1.8. Определение плотности порошков после утряски .............................................. 640
11.1.9. Определение плотности формовок из порошков ................................................ 640
11.1.10. Определение прочности прессовок из порошков .............................................. 640
11.2. Методы контроля механических свойств спеченных материалов и твердых сплавов ..... 641
11.2.1. Отбор образцов для испытаний на растяжение спеченных материалов ............ 641
11.2.2. Определение модуля упругости (модуля Юнга) спеченных твердых сплавов ...... 642
11.2.3. Испытание на радиальное сжатие порошковых материалов  ............................. 642
11.2.4. Определение предела прочности и предела текучести при сжатии
спеченных твердых сплавов ................................................................................. 643
11.2.5. Определение твердости по Виккерсу спеченных твердых сплавов .................... 644
11.2.6. Определение твердости по Роквеллу спеченных твердых сплавов ..................... 644
11.2.7. Определение предела прочности при поперечном изгибе спеченных
твердых сплавов .................................................................................................... 645
11.2.8. Испытание на ударный изгиб порошковых материалов ..................................... 645

Оглавление 
9

11.3. Методы определения физических свойств спеченных материалов и твердых
сплавов ........................................................................................................................... 646
11.3.1. Определение плотности твердых спеченных сплавов ......................................... 646
11.3.2. Определение проницаемости газов и жидкостей в порошковых изделиях ........ 646
11.3.3. Определение величины пор порошковых материалов  ....................................... 646
11.3.4. Определение удельного электрического сопротивления спеченных твердых 
сплавов .................................................................................................................. 647
11.3.5. Определение коэрцитивной силы спеченных твердых сплавов ......................... 647

Глава 12. Методы контроля качества покрытий ....................................................................... 648

12.1. Общие положения ......................................................................................................... 648
12.2. Требования к технологическим процессам нанесения покрытий ............................... 650
12.3. Методы контроля качества покрытий .......................................................................... 651
12.3.1. Контроль качества покрытий на металлических поверхностях ......................... 651
12.3.2. Контроль толщины восстановительных покрытий ............................................ 659
12.3.3. Контроль качества термических покрытий ......................................................... 661
12.3.4. Контроль анодно-оксидных покрытий на полуфабрикатах из алюминия
и его сплавов ......................................................................................................... 664
12.3.5. Контроль коррозионных поражений покрытий  ................................................ 666
12.3.6. Контроль временной противокоррозионной защиты ........................................ 666
12.3.7. Ускоренные коррозионные испытания покрытий .............................................. 667
12.3.8. Испытания на термоусталость жаростойких покрытий в газовых потоках
на клиновидных образцах .................................................................................... 668
12.3.9. Определение жаростойкости защитных покрытий ............................................. 669

Глава 13. Методы контроля износостойкости .......................................................................... 671

13.1. Общие положения ......................................................................................................... 671
13.1.1. Термины и определения, применяемые при описании износостойкости  ........ 672
13.1.2. Требования к методам испытаний на износостойкость ...................................... 673
13.1.3. Требования к методам установления предельного износа изделий .................... 675
13.2. Методы испытаний на абразивный износ .................................................................... 676
13.2.1. Испытание на абразивное изнашивание при трении о закрепленные
абразивные частицы ............................................................................................. 676
13.2.2. Испытание на износостойкость при трении о нежестко закрепленные 
абразивные частицы ............................................................................................. 676
13.2.3. Испытание на ударно-абразивное изнашивание  ............................................... 677
13.2.4. Испытание на изнашивание при ударе в условиях низких температур ............. 677
13.2.5. Испытание на износостойкость материалов и деталей при гидроэрозионном 
изнашивании дисперсными частицами............................................................... 678
13.2.6. Испытание материалов и покрытий на газоабразивное изнашивание
с помощью центробежного ускорения ................................................................ 678
13.3. Методы испытаний на трение и истирание .................................................................. 678
13.3.1. Измерение износа деталей трущихся сопряжений ............................................. 678
13.3.2. Оценка истирающей способности поверхностей при трении ............................ 679
13.3.3. Испытание материалов на изнашивание при фреттинге
и фреттинг-коррозии ............................................................................................ 680
13.3.4. Испытание на трение и изнашивание при смазывании маслохладоновыми 
смесями ................................................................................................................. 680
13.3.5. Оценка износостойкости восстановленных деталей .......................................... 680
13.3.6. Оценка истирающей способности поверхностей восстановленных валов ........ 682

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

13.3.7. Оценка противозадирных свойств машиностроительных материалов .............. 682
13.4. Метод ускоренных ресурсных испытаний с периодическим форсированием
режима ............................................................................................................................ 683
13.5. Метод определения энергоемкости при пластической деформации металлических 
материалов. .................................................................................................................... 683
13.6. Стандарты США по методам триботехнических испытаний....................................... 684
13.7. Перечень нестандартизованных методов триботехнических испытаний. .................. 685

Глава 14. Методы коррозионных испытаний .......................................................................... 686

14.1. Общие положения ......................................................................................................... 686
14.2. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости .................. 686
14.3. Методы испытаний на коррозионное растрескивание ................................................ 688
14.3.1. Общие требования ................................................................................................ 688
14.3.2. Испытание образцов на коррозионное растрескивание при одноосном 
растяжении............................................................................................................ 690
14.3.3. Испытание на коррозионное растрескивание образцов в виде изогнутого
бруса ...................................................................................................................... 691
14.3.4. Ускоренные испытания на коррозионное растрескивание высокопрочных 
сталей и титановых сплавов ................................................................................. 692
14.3.5. Ускоренные испытания на коррозионное растрескивание алюминиевых
и магниевых сплавов без защитных покрытий .................................................... 693
14.4. Методы испытаний на стойкость против межкристаллитной коррозии  ................... 696
14.4.1. Испытания на стойкость против межкристаллитной коррозии 
коррозионностойких сталей и сплавов ................................................................ 696
14.4.2. Испытания на стойкость против межкристаллитной коррозии 
металлопродукции из коррозионностойких сталей и сплавов ........................... 697
14.4.3. Ускоренные испытания на межкристаллитную коррозию ................................. 700
14.5. Метод ускоренных испытаний на расслаивающую коррозию  .................................... 701
14.6. Методы ускоренных испытаний на стойкость к питтинговой коррозии 
коррозионностойких сталей и сплавов ......................................................................... 702
14.7. Методы испытаний на коррозионные потери в атмосферных условиях .................... 703
14.7.1. Определение коррозионной агрессивности атмосферы ..................................... 703
14.7.2. Испытания на климатических испытательных станциях ................................... 704
14.7.3. Ускоренные коррозионные испытания атмосферостойкой стали ..................... 709
14.7.4. Ускоренные коррозионные испытания алюминия, магния и их сплавов  ......... 710
14.7.5. Расчетно-экспериментальный метод ускоренного определения
коррозионных потерь в атмосферных условиях .................................................. 713
14.8. Методы коррозионных электрохимических испытаний ............................................. 713
14.9. Методы определения жаростойкости стали и сплавов ................................................ 714
14.10. Методы испытаний временной противокоррозионной защиты изделий .................. 716

Глава 15. Методы контроля химического состава конструкционных материалов .................. 718

15.1. Общие положения и методы отбора проб для определения химического состава ..... 718
15.2. 
Сталь углеродистая и чугун нелегированный (определяют углерод и графит, серу, 
фосфор, кремний, марганец, мышьяк, хром, медь, никель, алюминий, титан, 
ванадий, цирконий, кальций) ..................................................................................... 721
15.3. 
Чугун легированный (определяют углерод, серу, кремний, фосфор, марганец,
хром, ванадий, никель, медь, титан, мышьяк, магний, кобальт) .............................. 726

Оглавление 
11

15.4. 
Стали легированные и высоколегированные (определяют углерод, серу, кремний, 
фосфор, марганец, вольфрам, хром, ванадий, никель, молибден, медь, титан, 
алюминий, мышьяк, азот, бор, ниобий, микропримеси (сурьма, свинец, олово, 
цинк, кадмий), селен, церий, цирконий, тантал, висмут, вольфрам, молибден) ..... 728
15.5. 
Сплавы алюминиевые литейные и деформируемые (определяют оксид алюминия, 
бор, бериллий, висмут, ванадий, железо, кремний, калий, кадмий, литий, магний, 
марганец, медь, мышьяк, натрий, никель, олово, свинец, сурьму, титан, хром, 
редкоземельные элементы и иттрий, цирконий, цинк, скандий, галлий) ............... 736
15.6. 
Сплавы магниевые (определяют алюминий, марганец, цинк, индий, цирконий, 
кадмий, кальций, кремний, лантан, литий, калий, медь, натрий, неодим, никель, 
редкоземельные элементы + церий, серебро, титан, хлор, железо, бериллий) ........ 742
15.7. 
Сплавы медноцинковые (определяют медь, свинец, железо, марганец, олово,
сурьму, висмут, мышьяк, серу, алюминий, никель, кремний, фосфор, цинк) .......... 746
15.8. 
Бронзы оловянные (определяют медь, свинец, олово, фосфор, никель, цинк,
железо, алюминий, кремний, сурьму, висмут, серу, марганец, магний, мышьяк, 
титан) ........................................................................................................................... 751
15.9. 
Бронзы безоловянные (определяют медь, алюминий, железо, марганец, никель, 
кремний, свинец, мышьяк, сурьму, олово, фосфор, цинк, бериллий, титан,
кобальт, кадмий, серебро, хром, теллур, магний) ...................................................... 755
15.10. Бронзы жаропрочные (определяют медь, кремний, хром, фосфор, железо,
никель, свинец, цирконий, кобальт, титан) ............................................................... 761
15.11. Никель, никелевые и медноникелевые сплавы (определяют медь, никель,
никель + кобальт, цинк, железо, марганец, кремний, алюминий, кобальт,
углерод, вольфрам, магний, мышьяк, хром, сурьму, цинк + кадмий + свинец + 
+ висмут + олово, висмут, серу, фосфор, свинец, титан, олово, кальций) ............... 763
15.12. Сплавы жаропрочные на никелевой основе (определяют олово, сурьму, свинец, 
висмут, свинец + висмут, мышьяк) ............................................................................. 770
15.13. Методы определения содержания газов в металлах ................................................... 772

Библиографический список ................................................................................................... 774

Приложения

1. ГОСТы, использованные в главах 1–14 ............................................................................ 781
2. ГОСТы, использованные в главе 15 .................................................................................. 795
3. Основные международные стандарты (ИСО), используемые или рекомендуемые
для использования при контроле качества металлов, их сварных и паяных
соединений ........................................................................................................................ 804
4. Термины и определения .................................................................................................... 812
5. Характеристика основного оборудования для металловедческих исследований 
конструкционных материалов .......................................................................................... 834

ПРЕДИСЛОВИЕ

До настоящего времени металлические конструкционные материалы продолжают 
занимать главенствующее положение в машиностроении. Поэтому 
повышение качества производимой из них металлопродукции является актуальной 
задачей, особенно в условиях дальнейшей интеграции России в единое 
мировое экономическое сообщество.
Решение этой задачи возможно при активной работе специалистов — металловедов, 
связанных, во-первых, с совершенствованием технологии производства, 
обеспечивающим за счет обратной оперативной связи недопустимость 
появления бракованной продукции (низкие неоднородные свойства, дефекты), 
приводящей к снижению работоспособности или к преждевременному 
разрушению изделий в процессе эксплуатации, во-вторых, с разработкой новых 
материалов, существенно улучшающих требуемые свойства, в том числе с 
созданием новых конструкционных наноматериалов.
Наряду со стандартными методами испытаний свойств металлов (с указанием 
соответствующих ГОСТов) приведены нестандартные, но весьма полезные 
методы, позволяющие получать дополнительные сведения о работоспособности 
материала.
Разнообразные методы испытаний (металлографические, механические, 
коррозионные, неразрушающий контроль, контроль износостойкости, химического 
состава, технологический контроль, контроль покрытий, контроль порошковых 
материалов, контроль сварных и паяных соединений) дают возможность 
выбрать оптимальные методы контроля качества конкретного материала 
в конкретных условиях работы с учетом имеющегося испытательного и исследовательского 
оборудования.
Большое внимание в книге уделено систематизированным сведениям о характерных 
дефектах в конструкционных металлах (стали, алюминиевые, титановые, 
никелевые сплавы), их сварных и паяных соединениях, возникающих 
на различных переделах изготовления металлопродукции.
Описание дефектов, сопровождаемое обширным иллюстративным материалом, 
позволит ускоренно и надежно идентифицировать дефекты, выбрать 
способы предупреждения, исправления или устранения их на различных этапах 
производства. Для надежного контроля металлопродукции используются 
металлографические, электронно-микроскопические, фрактографические, 
физические, технологические методы, а также метод температурной микроскопии. 
В последнем методе совмещены достоинства микроскопических и фракто-
графических методов, а также методов одновременного испытания прочностных 
и пластических свойств металлических материалов. Преимуществом этого 
метода является возможность исследовать кинетику разрушения от момента 
зарождения трещин до полного разрушения материала (изделия) и четко выявлять 
структурные факторы, ответственные за преждевременное зарождение и 
развитие трещин в металле, т. е. «слабое звено» в структуре металла).

ГЛАВА 1
МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 
СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ

1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под структурой металлов и сплавов понимают их строение, т. е. наличие 
различных по природе и строению фаз, их размеры, количество, взаимное 
расположение, форму, неметаллические и металлические включения, не-
сплошности.
Традиционные методы исследования структур (строения) металлов применяют 
на шлифах. Исследование изломов (поверхностей разрушения) позволяет 
выявлять наиболее слабые участки в строении металла, обусловленные прежде 
всего его неоднородностью и наличием в нем дефектов.

Задачи исследования макроструктуры

Макроструктура — строение металла, видимое невооруженным глазом или 
при увеличениях до 20–25 крат.
Для оценки поведения металлических материалов большое значение имеет 
получение информации о макростроении металла в сварном соединении. Такая 
информация позволяет:
оценивать влияние на свойства и разрушение неоднородности химического 
состава (например, в стали — распределение серы и фосфора, в жаропрочных 
сплавах — точечно-пятнистую неоднородность и т. д.);
идентифицировать макронесплошности, выявленные на макроструктуре 
(трещины, поры, рыхлоты, расслоения и др.);
выявлять ликвационную неоднородность, дендритную структуру и другие 
особенности строения металла;
выявлять изменения макроструктуры металла, обусловленные термическим 
воздействием на него.

Задачи исследования микроструктуры

Микроструктура — строение металла, видимое при использовании светового 
микроскопа при увеличениях до 2000 крат.
При микроскопическом исследовании рекомендуется изучать структуру 
металла, особенно в зоне разрушения. Такая информация позволяет:
определять структурные составляющие металла;
определять величину зерна;

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

устанавливать природу неметаллических включений;
идентифицировать микронесплошности, выявляемые на поверхности 
разрушения (микрорасслоения, микротрещины, микрорыхлоты, микропоры 
и т. д.).

Задачи исследования изломов

Фрактография является одним из объективных и информативных способов 
оценки качества металла. Этот способ изучения поверхности разрушения 
(изломов) позволяет выявлять слабые зоны в строении металла и оценивать 
причины преждевременного разрушения деталей и конструкций. Он находит 
самое широкое применение в производственных условиях (подробно см. 
главу 3).

Задачи исследования тонкой структуры

Для исследования элементов структуры, которые не разрешаются методами 
световой микроскопии и которые целесообразно сопоставлять с тонким строением 
изломов при разрушении, используются методы электронной микроскопии.

Субструктура дает представление о тонких деталях строения металла при 
использовании электронных микроскопов (блоки, разделенные малоугловыми 
границами, различные дислокационные построения, мелкие частицы различных 
фаз и др.).

1.2. МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ

1.2.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШЛИФОВ

Стандартная технология изготовления шлифов должна отвечать следующим 
условиям:
быть применимой к различным группам материалов и структур;
обеспечивать хорошее качество шлифов для рядовых исследований как при 
ручном, так и при механизированном изготовлении шлифов;
состоять из минимального количества операций;
быть экономичной по затратам времени и средств.
Стандартная технология изготовления шлифов состоит из следующих операций:

вырезки образцов — абразивная резка с обильным охлаждением с использованием 
абразивных кругов минимальной толщины из корунда на резиновой 
связке или связке из искусственных смол;
заделки шлифов (при необходимости) в обойму, пластмассу и т. п.;
плоского шлифования с водой на водостойкой шлифовальной бумаге;
предварительного полирования алмазной пастой на тонком гладком носителе 
из натурального или искусственного шелка с повышающей эффект полирования 
спиртосодержащей жидкостью для улучшения скольжения;

Глава 1. Металлографические методы исследования структуры металлов 
15

окончательного полирования суспензией глинозема на эластичном носителе 
с ворсистой поверхностью.
Основной набор оборудования состоит из отрезного станка и шлифовально-
полировального станка с вращающимися кругами.
Вырезка, шлифование и полирование образца должны осуществляться таким 
образом, чтобы на поверхности шлифа оставался минимальный по глубине 
слой деформированного (искаженного) металла, что необходимо для выявления 
истинной структуры металла при травлении. На поверхности шлифа 
не должно быть царапин, ямок, пятен и других дефектов. Шлиф должен быть 
достаточно плоским, тогда появляется возможность изучать его при больших 
увеличениях.
Макрошлиф — образец, предназначенный для изучения макроструктуры. 
Его размеры могут быть различными в зависимости от размеров исследуемого 
объекта. Из крупных отливок и поковок обычно вырезают несколько образцов 
из различных участков и в различных направлениях (продольном и поперечном). 
Образцы из очень вязких или очень твердых материалов, не поддающихся 
разрезке обычными механическими способами, изготавливают анодно-механической, 
ультразвуковой или электроэрозионной резкой.
Микрошлиф — образец, подготовленный для исследования структуры при 
больших (до 2000 крат) увеличениях.
Современное оборудование для изготовления шлифов приведено в Приложении № 
5.

Вырезка образцов

Место вырезки образцов из участков изделий определяется задачами исследования. 
При вырезке образцов из крупных деталей допускается механическая 
или огневая резка, но при этом необходимо, чтобы металл в плоскости будущего 
шлифа не нагревался во избежание искажения его структуры.

Монтаж образцов

Монтаж образцов в различные приспособления осуществляется при изготовлении 
микрошлифов из образцов, имеющих сложную конфигурацию или 
малые размеры. Монтаж образцов необходим при использовании автоматических 
установок. Наиболее простой способ — заделка образцов в металлические 
зажимы-струбцины либо запрессовка или заливка их в различные пластмассы 
и легкоплавкие сплавы (например, сплав Вуда).

Шлифование

Для удаления грубого рельефа и наклепа на поверхности образца, получающегося 
при вырезке, применяется обработка его шлифованием, которое 
осуществляется путем истирания поверхности образца при последовательном 
переходе ко все более мелкозернистому абразивному материалу. Зернистость 
абразивных материалов определяется по ГОСТ 3647–71. Для изготовления 
микрошлифов механическим способом применяется шлифовальная бумага 
(табл. 1.1).

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Т а б л и ц а  1.1. Характеристика шлифовальной бумаги для изготовления шлифов

Группа абразивного 
материала
Номер зернистости
по ГОСТ 3647–71
Размер основной 
фракции, мм
Шлифовальная бумага

Шлифзерно
40
32
500–400
400–315
На тканевой основе
(ГОСТ 5009–75)
25
315–250
20
250–200
16
200–160
Шлифпорошки
12
10
160–215
125–100
На бумажной основе
(ГОСТ 6456–75)
8
100–80
6
80–63
5
63–50
4
50–40
3
40–20
Микропорошки
М40
М28
М20

40–28
28–20
20–14

На меланированной 
двухкатной основе
(ГОСТ 10054–75)
М14
14–10

Химико-механическое шлифование

При этом методе в качестве шлифовального материала используют так называемые 
пасты ГОИ и другие, в состав которых вместе с абразивами входят 
поверхностно-активные вещества, оказывающие химическое воздействие на 
поверхность обрабатываемого металла. В табл. 1.2 приведены составы шлифовальных 
паст подобного типа.

Т а б л и ц а  1.2. Состав шлифовальных паст, мас. %

Наименование
компонентов
Пасты ГОИ
Пасты хромоалюминиевые
тонкая
средняя
грубая
тонкая
средняя
грубая
Оксид хрома
72
76
86
32
35
37
Окись алюминия
—
—
—
32
35
37
Стеарин и другие
связующие
24
20
12
30
24
20

Олеиновая кислота
1,8
1,8
—
3
3
3
Керосин
2
2
2
2
2
2
Сода
0,2
0,2
—
1
1
1

Наряду со станками для шлифования при обработке мягких металлов могут 
использоваться приборы для срезания поверхностных слоев — макро- и микротомы. 
Отшлифованный нож, перемещаемый с помощью микрометрических 
передач, срезает слой с поверхности образца толщиной в несколько микрометров, 
и в ряде случаев поверхность такого реза можно подвергать травлению для 
выявления структуры без дополнительной полировки.

Глава 1. Металлографические методы исследования структуры металлов 
17

Чтобы получить шлиф с хорошо шлифованной поверхностью, необходимо 
при каждом переходе от одного номера бумаги к другому изменять также направление 
движения образца перпендикулярно предыдущему. При этом шлифование 
необходимо вести до тех пор, пока риски, оставшиеся от предыдущего 
номера бумаги не будут полностью уничтожены и перекрыты следами от бумаги 
последующего номера.
Шлифование производят как вручную на стеклянных плитах, так и механически — 
на шлифовальных станках. При шлифовании вручную стеклянную 
плиту смачивают несколькими каплями керосина, затем наносят равномерный 
слой полировочной пасты и шлифуют в одном направлении. При переходе на 
средний слой пасты изменяют направление шлифования на 90° и шлифуют до 
удаления рисок, оставленных более грубой пастой. Затем шлифуют еще более 
тонкой пастой, предварительно также изменив направление шлифования.
Предварительную подготовку поверхности шлифа проводят любым способом — 
точением, фрезерованием или шлифованием на корундовых или 
карборундовых шлифовальных камнях. При химико-механическом методе 
приготовления шлифов на предварительную обработку обращают особое внимание. 
При этом стремятся достичь возможно более точной плоскости, чтобы 
в дальнейшем меньше времени затрачивать на доводку. Обработка резцом или 
фрезой дает лучшие результаты, так как их следы легче удаляются пастой при 
последующей доводке, чем следы камня. При механической доводке на станках 
пасту наносят на вращающийся, слегка смоченный керосином диск тонким 
равномерным слоем, перемещая брусок пасты по радиусу диска. Кольцевые 
окружности наносят близко одну к другой без просветов. Шлиф при доводке 
также перемещают по радиусу диска, так как при этом диск изнашивается более 
равномерно.
После окончательного шлифования на бумаге с наиболее мелким зерном 
образец хорошо промывают в проточной воде.

Полирование

Полирование на сукне проводят обычно с применением оксида алюминия 
или оксида магния. Иногда для этих целей используют специальные тонкие 
пасты.
В большинстве случаев при приготовлении шлифов достаточно двух паст — 
40 и 10 мкм. При этом чистота поверхности шлифа соответствует 14 классу по 
ГОСТ 2789–73. При полировании поверхности образца получают зеркальную 
поверхность с шероховатостью Rz = 0,05…0,04 мкм, свободную от царапин.
Механическое полирование проводят на станках и приборах, подобных используемым 
для шлифования. Полирование выполняют одним или несколькими 
сортами абразивов, в качестве которых используют оксиды алюминия, 
хрома, магния, железа, алмазные смеси. Наиболее употребимыми являются 
пасты с алмазными зернами 15; 7; 2; 1 и 0,25 мкм. Обычно полируют на войлоке 
(ГОСТ 6989) или на бархате (ГОСТ 7081–93).
Основные преимущества полирования пастами:
отсутствие завалов кромок шлифа;
возможность изготовления шлифов на крупных изделиях без их разрушения.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Отметим особенности подготовки шлифов из некоторых материалов.
1. В случае пористых материалов с легко выкрашивающимися включениями 
образцы, нагретые до 70–80 °С, следует перед окончательным полированием 
погружать в расплавленный парафин. После охлаждения избыток парафина 
снимают с поверхности ватой, а образцы окончательно полируют на сукне.
2. Готовить шлифы из быстро окисляющихся сплавов, содержащих щелочной 
или щелочно-земельный металл, обычным путем невозможно из-за 
быстрого окисления и гидратирования поверхности. Чтобы предотвратить 
окисление, поверхность образца зачищают на камне, шлифуют и полируют с 
применением пасты ГОИ и скипидара. Перед окончанием полирования круг 
смачивают струей скипидара. Затем на поверхность шлифа быстро наносят ватой 
раствор 0,1–0,2 г кедрового масла или канадского бальзама в 10 мл серного 
эфира. После испарения эфира на шлифе остается тонкая, прозрачная пленка 
канадского бальзама, не препятствующая изучению микроструктуры. При необходимости 
последующего травления шлиф смачивают эфиром и протирают.
3. В случае твердых сплавов основное отличие методики изготовления 
шлифов от обычной — применение в качестве абразивных материалов алмазной 
пыли и карбида бора. При этом процесс приготовления шлифа включает в 
себя следующие операции:
а) выравнивание поверхности карборундовым кругом и грубое шлифование 
на чугунной плите с применением керосина и порошка карбида бора (зерно 
5–15 мкм);
б) шлифование на вращающихся чугунных дисках (800 об/мин) с применением 
смеси спирта и алмазной пыли в два приема: фракции алмазной пыли 
3–5 и 1–3 мкм;
в) полирование на вращающемся деревянном диске с применением масляной 
суспензии с алмазной пылью зернистостью 1–2 мкм и последующее окончательное 
полирование на фетре с алмазной пылью зернистостью 1 мкм.
Масляная суспензия с алмазной пылью может быть заменена раствором 
состава: 5–7 мл 20 %-ного раствора едкого кали, 5–7 мл 20 %-ного раствора 
красной кровяной соли, 40 г реактивного оксида алюминия, 900 мл дистиллированной 
воды.
Твердые сплавы рекомендуется полировать также на тонком сукне с втертым 
в него алмазным порошком (диаметр частиц 1–2 мкм), смазанным тонким 
слоем парафина или сухого спирта (табл. 1.3).

Электролитическое полирование

Электрополирование — это процесс анодного растворения металлов, в результате 
которого получается гладкая блестящая полированная поверхность.
Образец, подготовленный механическим шлифованием, погружают в качестве 
анода в электролизную ванну, выдерживают при заданном режиме (плотности 
тока и температуре электролита) определенное время. После чего извлекают, 
промывают и просушивают.
Электрохимическое полирование наиболее успешно применяется при работе 
с однофазными материалами (аустенитные и ферритные стали, медь, 
алюминий, титан, никель и т. п.), но этот метод мало пригоден при работе с 

Глава 1. Металлографические методы исследования структуры металлов 
19

перлитными сталями, чугунами, многофазными сплавами. Составы некоторых 
наиболее часто используемых электролитов и режимы электролитического полирования 
приведены в табл. 1.4.

Т а б л и ц а  1.4. Реактивы для электрополирования конструкционных материалов 
(сталь, Al–Ti–Ni–Cu и другие сплавы)

Состав
Количество, 
мл
Режим полирования*
τ, мин
i, А/см2
U, В
t, °С
1. Хлорная кислота
100
0,2–0,5
60–70
30
0,5–1**

2.  Уксусный ангидрид,
 хлорная кислота,
уксусная кислота (ледяная)

400
300
5

До 1,0
40–60
50
3–5

3.  Плавиковая кислота,
серная кислота,
глицерин

120–150
350–400
60–120

0,7–2,0
10–30
25–35
0,5–1

4.  Плавиковая кислота,
фосфорная кислота,
уксусный ангидрид

40
150–200
40

0,5–1,0
10–30
20–40
1–5

5.  Плавиковая кислота,
хромовая кислота,
вода

80
250
170

0,2–0,5
3–7
10–20
3–5

* Катод — титан или нержавеющая сталь.
** Периодами.

Приготовление микрошлифов на крупных деталях без вырезки образцов

При механическом приготовлении микрошлифа непосредственно на изделии (
конструкции) предназначенное для исследования место шабрят, шлифуют 
абразивными кругами и полируют с помощью паст. Шлифование выполняют 

Т а б л и ц а  1.3. Реактивы для химического полирования

Полируемый 
материал
Состав реактива
Условия
полирования
Алюминий
и его сплавы
Серная кислота (d = l,75) 75 мл; ортофосфорная кислота
(d = l,84) 70 мл; азотная кислота (d = l,4) 5 мл
t = 85 °С,
τ = 0,5…2 мин
Медь
Ортофосфорная кислота (d = 1,84) 33 мл; ледяная уксусная 
кислота (d = 1,065) 33 мл
t = 60...70 °С,
τ = 1…2 мин
Сплавы меди
Азотная кислота (d = l,4) 30 мл; соляная кислота (d = 1,75) 
10 мл; ортофосфорная кислота (d = l,84) 10 мл; ледяная уксусная 
кислота (d = 1,065) 50 мл

t = 70...80 °С,
τ = 1…2 мин

Сталь и железо Дистиллированная вода 80 мл; щавелевая кислота (100 г/л) 
28 мл; перекись водорода (30 %) 4 мл
t = 35 °С,
τ = 15 мин
Никель
Азотная кислота (d = l,4) 30 мл; серная кислота (d = 1,84) 10 мл; 
ортофосфорная кислота (d = l,84) 10 мл; ледяная уксусная 
кислота (d = 1,065) 50 мл

t = 85...95 °С,
τ = 0,5…1 мин