• Nie Znaleziono Wyników

Mikroskopia świetlna i elektronowa skaningowa

W dokumencie Index of /rozprawy2/10643 (Stron 53-67)

III. BADANIA WŁASNE

9. Wyniki badań i ich dyskusja

9.1. Mikroskopia świetlna i elektronowa skaningowa

Typową mikrostrukturę stopu Ni−25Mo−8Cr w stanie po standardowej obróbce

cieplnej (650°C, 24 h) ujawnioną przy uŜyciu mikroskopu świetlnego przedstawiono

na rys. 9.1. Jest to typowa mikrostruktura dla metali o strukturze krystalicznej ściennie

centrowanej z charakterystycznymi bliźniakami wyŜarzania. Widoczne są duŜe ziarna

z niewielką ilością drobnych cząstek, najprawdopodobniej wtrąceń niemetalicznych lub

wydzieleń węglików. Wydzielenia fazy umacniającej Ni2(Mo,Cr) są zbyt małe,

by moŜna było je ujawnić za pomocą mikroskopu świetlnego. Wydzielenia te moŜna

zaobserwować jedynie w transmisyjnym mikroskopie elektronowym w ciemnym polu

widzenia (w jasnym polu wydzielenia dają zbyt mały kontrast) [00Dym2]. Typowe

wydzielenia fazy Ni2(Mo,Cr) pokazano na rys. 9.2.

Rys. 9.1. Typowa mikrostruktura stopu Ni−25Mo−8Cr po konwencjonalnym starzeniu (stan wyjściowy), LM

Rys. 9.2. Wydzielenia fazy umacniającej po konwencjonalnym starzeniu; TEM – ciemne pole wraz dyfrakcją selektywną

Wyniki badań

______________________________________________________________________

Na rys. 9.3 zamieszczono mikrostruktury badanego stopu po róŜnych

wariantach obróbki cieplnej uzyskane za pomocą mikroskopii świetlnej. W celach

porównawczych wszystkie mikrostruktury przedstawiono przy tych samych powiększeniach, przy czym dla kaŜdego wariantu obróbki cieplnej wybrano po dwa

powiększenia. JuŜ z pobieŜnej obserwacji zgładów wynika, Ŝe zarówno czas starzenia

próbek, jak i wielkość odkształcenia plastycznego wpływa znacząco na charakter

utworzonej mikrostruktury. Przy małych powiększeniach niektóre zgłady wydają się

być przetrawione. Dopiero obserwacje przy większych powiększeniach ukazują

szczegóły utworzonej mikrostruktury – widoczne są wydzielenia płytkowe oraz duŜe

obszary wolne od wydzieleń. Wielkość obszarów wolnych od wydzieleń zmniejsza się

wraz z wydłuŜeniem czasu starzenia i wzrostem odkształcenia nadanego przed

starzeniem. Mikrostrukturę tego stopu po konwencjonalnym starzeniu i po róŜnych

stopniach odkształcenia nadawanego w temperaturze pokojowej badano w pracy Gazdowicza [00Gaz]. Z porównania mikrostruktur otrzymanych w prezentowanych badaniach z mikrostrukturami materiału odkształconego opisanymi przez Gazdowicza wynika, Ŝe tworzenie się nowej fazy (nowych faz) płytkowej zachodzi w miejscach,

w których intensywność odkształcenia była największa, czyli w miejscach pasm ścinania. W obszarach o jednorodnej mikrostrukturze, zbudowanej zazwyczaj

z równoległych bliźniaków odkształcenia przebiegających w tym samym kierunku, fazy

płytkowe nie tworzą się lub tworzą się dopiero po najdłuŜszym czasie i największym

odkształceniu. Ilustracją tego spostrzeŜenia jest Rys. 9.4, na którym przedstawiono

mikrostruktury przy duŜym powiększeniu próbek odkształconych do 50%

i wyŜarzanych przez 4000 h, 6000 h, 8000 h i 16000 h. Na mikrofotografiach moŜna

zaobserwować, Ŝe przy najdłuŜszych czasach wyŜarzania obszary wolne od wydzieleń

Wyniki badań ______________________________________________________________________

Rys. 9.3. Mikrostruktury stopu Ni−25Mo−8Cr po róŜnych wariantach obróbki cieplnej: 650°C/8000 h (1a, 1b), 650°C/16000 h (2a, 2b), 50%+650°C/4000 h (3a, 3b), 50%+650°C/6000 h (4a, 4b), 50%+650°C/8000 h (5a, 5b), 50%+650°C/16000 h (6a, 6b), 70%+650°C/6000 h (7a, 7b), 70%+650°C/8000 h (8a, 8b), 70%+650°C/16000 h

Wyniki badań

______________________________________________________________________

Rys. 9.4. Mikrostruktury odkształconego do 50% i wyŜarzanego przez 4000 h (a), 6000 h (b), 8 000 h (c), 16000 h (d); LM

Badania wykonane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego

potwierdziły wyniki uzyskane za pomocą mikroskopu świetlnego, a dodatkowo

poszerzyły wiedzę o rozkładzie poszczególnych pierwiastków w nowo powstałych

fazach. Rys. 9.5 przedstawia przykładowe mikrostruktury próbek trawionych wyŜarzanych przez 4000 godzin zobrazowane przy uŜyciu elektronów wtórnych.

Uwagę zwraca fakt, Ŝe wszystkie mikrostruktury próbek odkształcanych plastycznie

przed starzeniem, zarówno do 50% jak i 70% redukcji przekroju, były bardzo podobne pod względem składu fazowego, tzn. we wszystkich mikrostrukturach moŜna było

wyróŜnić płytki, szare tło oraz obszary ciemniejsze o nieregularnych kształtach.

Obszary reprezentujące szare tło odpowiadały obszarom o jednorodnym odkształceniu

plastycznym. RóŜnice pomiędzy poszczególnymi wariantami sprowadzały się

do objętości względnej nowych faz. Dla większego odkształcenia i dłuŜszego czasu

wyŜarzania ułamek fazy płytkowej był wyraźnie większy. Białe obwódki wokół

zgładów (kontrast wytwarzany przez elektrony wtórne silnie zaleŜy od pochylenia

obserwowanej powierzchni).

Rys. 9.5. Mikrostruktury stopu Ni-25Mo-8Cr po 4000 h; a) próbka nieodkształcona, b) próbka po 50% odkształcenia; SEM SE

Dodatkowych informacji o badanych materiałach dostarczyły mikrostruktury wybranych próbek uzyskane przy obrazowaniu z uŜyciem elektronów wstecznie

rozproszonych (BSE). Obserwacje takie przeprowadzano na próbkach wypolerowanych, lecz nie trawionych. NatęŜenie wzbudzonych w próbce elektronów

wstecznie rozproszonych jest silnie uzaleŜnione od średniej liczby atomowej

pierwiastków obecnych w analizowanym obszarze. Im większa liczba atomowa Z, tym

większe rozpraszanie. Dlatego miejsca wzbogacone w pierwiastki cięŜkie (w badanym

stopie w Mo) są znacznie jaśniejsze od miejsc, w których cięŜkich pierwiastków jest

mniej. Często ten rodzaj kontrastu w mikroskopii skaningowej nazywany jest

kontrastem Z. Dodatkowo, elektrony wstecznie rozproszone mają tę właściwość, Ŝe

ich intensywność zaleŜy od orientacji krystalograficznej obserwowanych obszarów, co

sprawia, Ŝe w materiale polikrystalicznym moŜna obserwować kontury poszczególnych

Wyniki badań

______________________________________________________________________

nieodkształconej i wyŜarzanej przez 16000 godzin. Mikrofotografia a) przedstawia

obraz uformowany przez elektrony wtórne, natomiast mikrofotografia b) obraz utworzony przez elektrony wstecznie rozproszone. Obszary jaśniejsze na Rys. 9.6 b

odpowiadają zarówno innej orientacji, jak i innemu składowi chemicznemu. Trudno

jednoznacznie rozstrzygnąć, który z tych czynników ma dominujący charakter. NaleŜy

zwrócić równieŜ uwagę na powierzchnię ziarn na Rys. 9.6 – nie jest ona "gładka", lecz

wykazuje charakterystyczną fakturę. Przyczyną tej faktury jest występowanie

drobnodyspersyjnej fazy umacniającej, która po długotrwałym wyŜarzaniu uformowała

cząstki o wielkości wykrywalnej w skaningowym mikroskopie elektronowym.

Obrazowanie w kontraście Z pozwala jednoznacznie wyróŜnić w badanych

próbkach cząstki fazy o zwiększonej zawartości Mo. Są one białe, mają niewielkie

rozmiary, rzadko przekraczające 1 µm, i występują przewaŜnie w obszarach o duŜej

gęstości fazy płytkowej. Niektóre z tych cząstek mogą być węglikami, lecz moŜliwe jest

takŜe występowanie faz P, δ lub fazy µ. Obecność fazy P stwierdzono w wielu spoinach

stopów Ni−Mo−Cr [09DuP]. Faza µ nie występuje w Ŝadnym

z dwuskładnikowych układów równowagi fazowej tworzonych przez główne składniki stopu 242, lecz potwierdzono jej obecność w układzie trójskładnikowym Ni-Mo-Cr

[84Rag, 91Goz]. Nie moŜna takŜe wyeliminować obecności węglików bogatych w Mo,

np. typu MC lub M6C, poniewaŜ tworzą się one w wielu stopach niklu, w których

zawartość Mo przekracza ok. 6-8% at. i w których nie ograniczano zawartości C poniŜej

0,03% [09DuP]. Stop 242 naleŜy do tej kategorii stopów. NaleŜy jednak mieć

na uwadze, Ŝe zwykle węgliki typu MC tworzą się pod koniec procesu krzepnięcia,

a następnie, podczas dalszych obróbek cieplnych, przemieniają się w węgliki typu M6C. NaleŜałoby zatem oczekiwać, Ŝe objętość względna węglików nie będzie podlegać

większym wahaniom podczas obróbek cieplnych zastosowanych w niniejszej pracy.

Tymczasem porównanie mikrostruktur próbek nieodkształconych i odkształconych starzonych przez ten sam okres czasu (Rys. 9.7) pokazuje, Ŝe ilość fazy "białej", a więc

wzbogaconej w Mo, jest zdecydowanie większa w próbkach odkształcanych przed

starzeniem, w których ogólnie objętość względna wszystkich nowych faz jest znacznie

większa. Co więcej, faza "biała" tworzy się w obszarach o duŜej gęstości

niejednorodności odkształcenia, w których ułatwiona jest dyfuzja pierwiastków

stopowych (Mo). Biorąc to pod uwagę, moŜna przyjąć, Ŝe podczas długotrwałego

Analiza punktowa EDS potwierdziła wysoką zawartość Mo w fazie "białej".

Na Rys. 9.8 pokazano cząstkę, z której wykonano analizę chemiczną. Skład chemiczny

(% mas. (% at.)) analizowanej cząstki był następujący: Mo 52% (40%), Cr 10% (14%),

Fe 1% (1%), Ni 37% (45%). Zwiększona zawartość Cr w stosunku do średniej

zawartości Cr w stopie wskazuje, Ŝe jest to faza złoŜona, a jej skład chemiczny

odpowiada w przybliŜeniu składowi fazy µ stwierdzonej eksperymentalnie w serii

stopów Ni−Mo−Cr [84Rag, 91Goz].

Rys. 9.6. Mikrostruktura próbki nieodkształconej i starzonej przez 16000 h: a) obrazowanie SE, b) obrazowanie BSE

Wyniki badań

______________________________________________________________________

Rys. 9.7. Mikrostruktury próbek wyŜarzanych przez 16 000 godzin; SEM BSE: a) próbka nieodkształcona przed starzeniem, b) próbka odkształcana przed starzeniem, c)

powiększony obszar próbki b)

Rys. 9.8. Mikrostruktura stopu po wyŜarzaniu przez 8000 h z zaznaczonym miejscem analizy punktowej

Badania SEM z wykorzystaniem elektronów wstecznie rozproszonych umoŜliwiły

ogólną charakterystykę zmian mikrostruktury zachodzących podczas długotrwałego

wyŜarzania stopu 242. Ogólną tendencją rozwoju mikrostruktury jest pojawianie się

i wzrost gęstości fazy (faz) płytkowej wraz ze wzrostem odkształcenia i czasu starzenia.

Fazy płytkowe pojawiają się sporadycznie w próbkach, które nie były odkształcane

przed starzeniem, lecz ich ilość wyraźnie wzrasta z czasem starzenia. W próbkach

odkształcanych przed starzeniem, ilość fazy płytkowej jest większa w próbkach

walcowanych z większą redukcją przekroju. Wskazuje to na znaczący wpływ defektów

struktury krystalicznej wprowadzonych przez odkształcenie na szybkość dyfuzji

pierwiastków stopowych i tym samym na zarodkowanie i rozrost nowych faz. Wraz ze wzrostem czasu starzenia pojawiają się teŜ obszary, które są wyraźnie ciemniejsze

Pierwiastek % mas. % at.

Cr 10 14

Fe 1 1

Ni 37 45

od pozostałych, co oznacza, Ŝe zawartość Mo w tych obszarach uległa znacznemu

zmniejszeniu. Przykład takiego obszaru pokazano na Rys. 9.9 wraz z zaznaczonym miejscem, z którego wykonano analizę punktową EDS. Wyznaczony skład chemiczny

jest następujący (% mas. (% at.)): Mo – 19% (12%), Cr – 11% (13%), Fe – 1% (2%), Ni

69% (73%). Wraz ze zmniejszeniem zawartości Mo w tych obszarach nastąpiło ich

wzbogacenie w Cr i Fe w stosunku do średniego składu stopu. Na rys. 9.10 pokazano

mikrostrukturę próbki odkształconej do 50% redukcji przekroju i starzonej przez 8000

godzin. Występują tu fazy charakterystyczne dla wszystkich wariantów obróbki.

Zaznaczono miejsca, z których wykonano analizę punktową EDS. Skład chemiczny

w poszczególnych punktach przestawiony jest w Tabeli 9.1.

Rys. 9.9. Mikrostruktura stopu po wyŜarzaniu przez 6000 h z zaznaczonym miejscem analizy punktowej

Rys. 9.10. Mikrostruktura próbki odkształconej do 50% redukcji przekroju i starzonej przez 8000 godzin z zaznaczonymi miejscami analizy punktowej

Pierwiastek % mas. % at.

Cr 11 13

Fe 1 2

Ni 69 73

Wyniki badań

______________________________________________________________________

Tabela 9.1. Skład chemiczny obszarów zaznaczonych na Rys. 9.10.

Analiza składu chemicznego w poszczególnych obszarach wskazuje na wyraźne

przegrupowanie (dyfuzję) głównych pierwiastków stopowych, które jest przyspieszane

przez przemiany fazowe. W osnowie (punkt 3) skład chemiczny jest zbliŜony

do średniego składu stopu. Jednocześnie obserwuje się dwie fazy, w których zawartość

Mo jest większa niŜ średnia zawartość w stopie, jednak w jednej z tych faz zawartość

Cr zmniejszyła się, podczas gdy w drugiej zwiększyła się. Cząstka w punkcie 4

(najjaśniejsza) jest zapewne tego samego rodzaju cząstką co na rys. 9.8, a mniejsza

zawartość Mo wynika z faktu, Ŝe cząstka jest mniejsza i na wynik analizy wpłynęła

w znacznym stopniu osnowa. Obszar oznaczony jako punkt 2 jest niemal identyczny z obszarem analizowanym na Rys. 9.9. Dla porównania wykonano podobne analizy punktowe dla próbki odkształconej do 70% i wyŜarzanej przez 16000 godzin (Rys. 9.11

i Tabela 9.2). Charakter kontrastu oraz wyniki analizy chemicznej są podobne

do próbek wyŜarzanych przez krótsze okresy czasu.

Rys. 9.11. Mikrostruktura próbki odkształconej do 70% redukcji przekroju i starzonej przez 16000 godzin z zaznaczonymi miejscami analizy punktowej

Cr Fe Ni Mo

mas.% at. % mas.% at. % mas.% at. % mas.% at. %

pt1 6 7 - - 65 73 29 20

pt2 12 14 - - 68 73 20 13

pt3 8 10 - - 65 72 27 18

Tabela 9.2. Skład chemiczny obszarów zaznaczonych na Rys. 9.11.

Na Rys. 9.12 przedstawiono charakterystyczną mikrostrukturę próbki odkształconej

do 70% i starzonej przez 16000 godzin, a na Rys. 9.13 powiększony fragment tej

mikrostruktury. Widoczne są obszary o róŜnym stopniu szarości – od bieli do czerni.

Dominuje kontrast pochodzący od róŜnego stęŜenia pierwiastków, lecz kontrast

od róŜnej orientacji krystalograficznej jest równieŜ widoczny.

Rys. 9.12. Mikrostruktura próbki odkształconej do 70% i starzonej przez 16000 h, SEM BSE

Rys. 9.13. Powiększenie Rys. 9.12, SEM BSE

Cr Fe Ni Mo

wt.% at. % wt.% at. % wt.% at. % wt.% at. %

pt1 10 13 1 1 41 50 48 35 pt2 10 13 1 1 49 57 40 28 pt3 13 15 2 2 68 72 17 11 pt4 11 13 1 1 69 73 19 12 pt5 6 8 1 1 66 73 26 18 pt6 8 10 1 1 67 73 24 16

Wyniki badań

______________________________________________________________________

Badania na skaningowym mikroskopie elektronowym umoŜliwiły wykonanie

ilościowych map EDS rozkładu głównych pierwiastków występujących w stopie: Mo,

Cr, Ni dla materiałów odkształconego i nieodkształconego starzonych przez 16000 godzin (Rys. 9.14, 9.15). Mapy są uzupełnieniem analizy punktowej, gdyŜ pozwalają

zobrazować zmiany w składzie chemicznym próbki na większych obszarach.

Przykładowe mapy ilościowe pokazano na Rys. 9.14. (dla materiału nieodkształconego)

oraz na Rys. 9.15 dla materiału odkształconego do 70% – obie próbki były starzone w czasie 16000 godzin.

Rys. 9.14. Analiza składu chemicznego w poszczególnych obszarach, materiał nieodkształcony i starzony przez 16000 h

Rys. 9.15. Mapa rozkładu pierwiastków, materiał odkształcony do 70% i starzony przez 16000 h

W dokumencie Index of /rozprawy2/10643 (Stron 53-67)

Powiązane dokumenty