Aplicación de la microscopía electrónica de barrido en el análisis de fallas de materiales metálicos

Los materiales metálicos son materiales con propiedades como brillo, ductilidad, fácil conductividad y transferencia de calor. Generalmente se divide en dos tipos: metales ferrosos y metales no ferrosos. Los metales ferrosos incluyen hierro, cromo, manganeso, etc. Hasta ahora, el hierro y el acero siguen dominando en la composición de las materias primas industriales. Muchas empresas siderúrgicas e institutos de investigación utilizan las ventajas únicas del SEM para resolver problemas encontrados en la producción y ayudar en la investigación y el desarrollo de nuevos productos. La microscopía electrónica de barrido con sus correspondientes accesorios se ha convertido en una herramienta favorable para que la industria siderúrgica y metalúrgica realice investigaciones e identifique problemas en el proceso productivo. Con el aumento de la resolución y la automatización del SEM, la aplicación del SEM en el análisis y caracterización de materiales se está generalizando cada vez más.

El análisis de fallas es una nueva disciplina que las empresas militares han popularizado entre los académicos y las empresas de investigación en los últimos años. La falla de las piezas metálicas puede provocar la degradación del rendimiento de la pieza de trabajo en casos menores y accidentes de seguridad humana en casos mayores. Localizar las causas de las fallas mediante el análisis de fallas y proponer medidas de mejora efectivas son pasos esenciales para garantizar la operación segura del proyecto. Por lo tanto, aprovechar al máximo las ventajas de la microscopía electrónica de barrido supondrá una gran contribución al progreso de la industria de materiales metálicos.

01 Observación con microscopio electrónico de fractura por tracción de piezas metálicas.     

La fractura siempre ocurre en la parte más débil del tejido metálico y registra mucha información valiosa sobre todo el proceso de fractura, por lo que siempre se ha enfatizado la observación y el estudio de la fractura en el estudio de la fractura. El análisis morfológico de la fractura se utiliza para estudiar algunos problemas básicos que conducen a la fractura del material, como la causa de la fractura, la naturaleza de la fractura y el modo de fractura. Si queremos estudiar el mecanismo de fractura del material en profundidad, generalmente tenemos que analizar la composición de la microárea en la superficie de la fractura, y el análisis de fractura se ha convertido ahora en una herramienta importante para el análisis de fallas de componentes metálicos.

Fig. 1 Morfología de fractura por tracción del microscopio electrónico de barrido CIQTEK SEM3100

Según la naturaleza de la fractura, la fractura se puede clasificar en términos generales en fractura frágil y fractura plástica. La superficie de fractura de la fractura frágil suele ser perpendicular a la tensión de tracción, y la fractura frágil consiste en una superficie cristalina brillante desde la vista macroscópica; la fractura plástica suele ser fibrosa con finos hoyuelos en la fractura desde la vista macroscópica.

La base experimental del análisis de fracturas es la observación y el análisis directo de las características morfológicas y microestructurales macroscópicas de la superficie de la fractura. En muchos casos, la naturaleza de la fractura, la ubicación del inicio y la trayectoria de extensión de la grieta se pueden determinar mediante observación macroscópica, pero para un estudio detallado cerca de la fuente de la fractura para analizar la causa de la fractura y el mecanismo de fractura, se requiere observación microscópica. Es necesario, y debido a que la fractura es una superficie irregular y rugosa, el microscopio utilizado para observar la fractura debe tener la máxima profundidad de campo, el rango de aumento más amplio posible y alta resolución. Combinando estas necesidades, SEM se utiliza ampliamente en el campo del análisis de fracturas. Figura 1 Tres muestras de fracturas por tracción, mediante observación macroscópica de bajo aumento y observación de microestructura de alto aumento, la muestra A de fractura es un patrón de río (Figura A) para las características típicas de fractura frágil; muestra B macroscópica sin morfología fibrosa (Figura B), microestructura sin aparición de nidos duros, por fractura frágil; La fractura macroscópica de la muestra C consta de facetas brillantes, por lo que las fracturas por tracción anteriores son fracturas frágiles.

02 Observación con microscopio electrónico de inclusiones de acero.

El rendimiento del acero depende principalmente de la composición química y la organización del acero. Las inclusiones en el acero existen principalmente en forma de compuestos no metálicos, como óxidos, sulfuros, nitruros, etc., que provocan una organización desigual del acero, y su geometría, composición química, factores físicos, etc., no sólo hacen que el acero El rendimiento del procesamiento en frío y en caliente se reduce, pero también afecta las propiedades mecánicas del material. La composición, número, forma y distribución de las inclusiones no metálicas tienen una gran influencia en la resistencia, plasticidad, tenacidad, resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión y otras propiedades del acero, por lo que las inclusiones no metálicas son elementos indispensables en la inspección metalográfica de materiales de acero. Al estudiar el comportamiento de las inclusiones en el acero, utilizando la tecnología correspondiente para evitar una mayor formación de inclusiones en el acero y reducir las inclusiones ya presentes en el acero, es de gran importancia producir acero de alta pureza y mejorar el rendimiento del acero.

Figura 2 Morfología de las inclusiones

Figura 3 Análisis espectral de inclusiones compuestas de TiN-Al2O3 de la superficie de energía

En el caso de las inclusiones que se muestran en la Figura 2 y la Figura 3, al utilizar SEM para observar las inclusiones, junto con el análisis del espectro de energía de las inclusiones contenidas en el hierro puro, se puede ver que los tipos de inclusiones contenidas en el hierro puro Son óxidos, nitruros e inclusiones compuestas.

Por ejemplo, midiendo la longitud de las inclusiones en el caso que se muestra arriba, se puede ver que el tamaño promedio de las inclusiones de Al2O3 es de aproximadamente 3 μm, el TiN y el AlN están dentro de los 5 μm y el tamaño de las inclusiones compuestas no excede los 8 μm. µm; Estas finas inclusiones desempeñan un papel de fijación de los dominios magnéticos dentro del hierro electrotécnicamente puro, lo que afectará a las propiedades magnéticas finales.

La fuente de inclusiones de óxido Al2O3 pueden ser los productos de desoxidación de la fabricación de acero y los óxidos secundarios del proceso de fundición continua; la forma en el material de acero es mayoritariamente esférica, una pequeña parte de forma irregular. Al observar las inclusiones, no solo debemos observar la morfología y composición de las inclusiones, sino también prestar atención al tamaño y la distribución de las inclusiones, lo que requiere una evaluación integral del nivel de las inclusiones. Por ejemplo, si las inclusiones provocan el agrietamiento de la pieza de trabajo para el análisis de fallas, generalmente se encuentran partículas grandes de inclusiones en el origen del agrietamiento, por lo que es importante estudiar el tamaño, la composición, la cantidad y la forma de las inclusiones para localizar la causa de la falla. de la pieza de trabajo.

03 Método de microscopía electrónica de barrido para detectar fases de precipitación nocivas en materiales de acero     

La fase precipitada es la fase que precipita cuando la temperatura de la solución sólida saturada disminuye, o la fase que precipita cuando la solución sólida sobresaturada obtenida después del tratamiento con la solución sólida envejece, que es un proceso de transformación de fase de estado sólido en el que las partículas de la segunda fase son precipitó y desolvató de la solución sólida sobresaturada y se nucleó. La fase precipitada tiene un papel muy importante en el acero, su resistencia, tenacidad, plasticidad, propiedades de fatiga y muchas otras propiedades físicas y químicas importantes tienen un impacto importante. El control adecuado de la fase de precipitación del acero puede fortalecer las propiedades del acero; si el control de temperatura y tiempo del tratamiento térmico no es apropiado, provocará una fuerte disminución en las propiedades del metal, como fractura frágil, corrosión fácil, etc.

Fig. 4 Diagrama de retrodispersión de la fase de precipitación de hierro puro SEM3100 mediante microscopio electrónico de barrido CIQTEK

A un cierto voltaje de aceleración, dado que el rendimiento de los electrones retrodispersados ​​básicamente aumenta con el aumento del número atómico de la muestra, los electrones retrodispersados ​​se pueden usar como una señal de imagen para mostrar la imagen del número atómico y la distribución de los componentes químicos en La superficie de la muestra se puede observar dentro de un cierto rango. El número atómico del Pb es 82 y el rendimiento de electrones retrodispersados ​​del Pb es alto en el modo retrodispersado, por lo que el Pb es de color blanco brillante en la imagen.

Los peligros del Pb en los materiales de acero son los siguientes, porque el Pb y el Fe no generan una solución sólida, que es difícil de eliminar en el proceso de fundición, y es fácil de polarizar en los límites de los granos y formar cocristales de bajo punto de fusión para debilitarse. la unión del límite de grano, de modo que se reduce el rendimiento del procesamiento en caliente del material. Las posibles fuentes de precipitación de Pb en hierro electrotécnicamente puro son el Pb contenido en las materias primas para la fabricación del hierro y las trazas de Pb contenidas en los elementos de aleación añadidos durante la fundición. Si se utiliza para fines especiales, no se excluye la posibilidad de añadirlo durante la fundición, con el objetivo de mejorar las propiedades de corte y procesamiento.

04 Conclusión     

La microscopía electrónica de barrido como herramienta de análisis microscópico, puede ser una variedad de formas de observación de materiales metálicos, puede ser un análisis detallado de varios tipos de defectos, fallas de materiales metálicos de las causas de un análisis de posicionamiento integral. Con la mejora continua y la mejora de las funciones SEM, SEM puede realizar cada vez más trabajo, no solo proporciona una base confiable para el estudio de la mejora de las propiedades de los materiales, sino que también juega un papel importante en el control de los procesos de producción, el diseño de nuevos productos y la investigación. .