ПРО+Не используйте методические пособия в качестве самоучителя. В них разбирается только квалифицированный специалист!
 

Металлографические исследования структурных изменений, происходящих в сплаве барельефа памятника Минину и Пожарскому

Курбаткин И.И., Транковский Е.Г., Бакаляров В.М., Бакалярова Е.Г.

Металлографические исследования структурных изменений, происходящих в сплаве барельефа, как важный этап разработки концепции реставрации памятника Минину и Пожарскому

Барельеф памятника Минину и Пожарскому (скульптор И. П. Мартос, охр. № 1/иск, 1327-р, адрес: Красная площадь, перед Покровским собором) является крупногабаритной отливкой сложной формы из медного сплава. В течение длительного времени — 185 лет, барельеф подвергался интенсивному воздействию окружающей среды, что сказалось не только на состоянии поверхности, но и привело к объемным изменениям состава и структуры материала, которые в свою очередь вызвали необратимые процессы. Изменения начинались на микроуровнях и были связаны с химическим составом и структурой локальных участков, что привело к образованию пор, микротрещин и других дефектов и по мере их роста к разрушению материала в макрообъемах. Барельеф имеет незначительную толщину от 5 до 15 мм. Многие трещины носят сквозной характер и при достаточной концентрации трещин и дефектов приводят к потере прочностной однородности материала. В связи с этим вопросы изучения и оценки состояния материала художественно-исторических памятников являются весьма актуальными.

Цель проведения настоящей работы состояла во всестороннем исследовании состава и структуры материала и определении их временных изменений в металле барельефа памятника К. Минину и Д. М. Пожарскому.

В соответствии с программой работ были проведены исследования химического и фазового состава, структуры, механических свойств материала, анализ состава поверхностных слоев, покрытых патиной. Пробы образцов брали с обратной стороны барельефа от литниковой системы, плиты основы и от литых авторских вставок.

Как показали данные химического анализа, основными химическими элементами, определяющими состав сплава, являются: медь (85,0—88,2 %), цинк (9,5— 12,7 %) и олово (0,7—1,8 %). В качестве примесей установлены: фосфор (0,002 %), мышьяк (0,003 %), марганец (0,001 %), сера (0,005 %), кремний (0,002 %), железо (0,12 %), свинец (0,23 %). Присутствие в материале указанных примесей является типичным для медных сплавов. Влияние фосфора, мышьяка, марганца и кремния в количествах, определенных методом химического анализа, мало сказывается на изменении литейных, механических и коррозионных свойств материала. Повышенное содержание железа и свинца, вследствие их очень малой растворимости в меди и медных сплавах, может приводить к возникновению сильной ликвации материала, что в конечном счете снижает его коррозионную стойкость.

Медные сплавы, содержащие в качестве основных легирующих элементов цинк и олово, могут образовывать фазу, которая выделяется в виде эвтектоида. Химический анализ позволил определить группу сплавов (в современной классификации), к которой относится рассматриваемый материал, а также построить диаграмму состояния, которая определяет его структуру и свойства. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что выбор именно такого сплава не был случайным, так как цинк и олово не только улучшают литейные свойства материала, но и повышают коррозионную стойкость и являются защитой от воздействия окружающей среды.

Влияние временного фактора проявляется в виде структурных изменений, происходящих в материале и вызывающих его разрушение. Исследование образцов, отобранных из различных мест барельефа, проводили методом металлографического анализа. Изучение обнаруженных микродефектов показало, что их образование связано с двумя причинами. Первая — это дефекты, возникающие при литье. Как правило, это газовые поры, раковины, микротрещины, образующиеся в процессе кристаллизации и усадки отливки и располагающиеся по всему объему материала. Вторая связана с известным в настоящее время процессом «season-cracking», или «сезонное растрескивание», вследствие обесцинкования материала, которое проявляется по границам зерен и наблюдается ближе к поверхности материала. Исследование структуры показало, что она имеет типичное строение, характерное для литого материала, а формирование структуры и фазового состава соответствуют диаграмме состояния Cu-Zn-Sn. В реальных условиях при быстром охлаждении в сплаве образуются дендритные кристаллы неоднородного состава. Такая внутрикристаллитная ликвация проявляется в виде ячеистой структуры. Степень ликвации пропорциональна скорости охлаждения. В конечном счете образование неоднородной структуры по химическому составу вызывает повышенную склонность к процессам электрохимического коррозионного растрескивания, следствием которого является разрушение материала. Особенности строения металла барельефа и авторских вставок позволили сделать предположения о технологических приемах, которые могли использоваться для заделки литейных дефектов, например ковка и чеканка. На основании структурных исследований установлен тот факт, что в отливке существуют значительные напряжения, вызванные объемной усадкой при кристаллизации сплава. Эти напряжения могут вызывать дополнительное коррозионное растрескивание материала. Металлографический анализ показал, что структурное разрушение металла начинается по границам дендритных ячеек и приводит к необратимому разрушению по границам зерен. В результате снижаются прочностные характеристики материала. Наиболее интенсивному воздействию окружающей среды подвергается поверхность материала, где процессы коррозионного разрушения выражены в большей степени.

Исследование состояния поверхности барельефа включало изучение структуры и состава пленки патины и слоя металла, находящегося непосредственно под ней. Данные химического анализа показали, что основными элементами естественного покрытия — патины являются медь — 45 %, железо — 5 %, свинец — 1,1 %, кроме металлов в ней присутствуют кремний — 6 %, сера — 4 %, хлор — 3,8 %, которые являются продуктами взаимодействия поверхности сплава с окружающей средой.

Металлографические исследования слоя патины показали, что и ее состав не однороден. Различия связаны с процессами, происходящими на поверхности сплава, причиной которых является обесцинкование материала. Оно проходит в два этапа. На первом происходит фрагментация структуры материала, при этом зерна металла разделяются на отдельные фрагменты частицами продуктов коррозии по межзеренным границам. Второй этап — завершение процесса, при котором металлические частицы полностью переходят в сернистые соединения меди. Такой процесс проходит последовательно и направлен от поверхности внутрь сплава. По характеру своего распространения обесцинкование проявляется по всей поверхности изделия (слоистое) или в отдельных локальных участках (пробочное). Данные металлографического анализа подтверждены данными локального рентгеноспектрального анализа. Фазовый состав патины был определен методом рентгеноструктурного анализа. Исследования показали, что основной фазовой составляющей является Cu4Mn(SO4)2(OH)6(H2O)4 по существующей международной классификации ASTM — Campigliaite. Другой фазой с несколько меньшим содержанием в патине является Cu3SO4(OH)4 — Antlerite. По своему химическому составу она очень близка к соединению брошантит — Cu4(SO4)2(OH)6.

В связи с тем, что при проведении реставрационных работ требуется использование материала, соответствующего по своему составу и свойствам оригиналу, то вопрос определения его механических и технологических свойств является актуальным. В соответствии с программой работ были определены температурный интервал плавления и кристаллизации, величина усадки при литье, закономерности формирования литой структуры, а также процесса образования горячих трещин, временное сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение и твердость материала. Оценка температурных интервалов плавления и кристаллизации является важна вопросом, определяющим стойкость материала к электрохимической коррозии. По данным дифференциального термического анализа, в нашем случае температура начала плавления (ts) составляет 990°С, а заканчивается плавление (tL) при 1043°С. Интервал кристаллизации для исследуемого сплава составляет 50—60°С. Величина интервала кристаллизации существенно влияет на такую важную технологическую характеристику как жидкотекучесть, которая уменьшается с его увеличением. Как правило, чем больше интервал кристаллизации, тем больше ликвационная неоднородность сплава. Расширение температурного интервала кристаллизации приводит к образованию «горячих» трещин. Рост усадки материала увеличивает усадочные напряжения, которые приводят к разрушению материала.

Фрактографические исследования области разрушений, сформировавшейся в результате роста «горячих» трещин, показали, что все они имеют межзеренный излом, т. е. место, где происходит снижение прочностных характеристик. Металлографический анализ отдельных фрагментов изломов показал, что при релаксации усадочных напряжений в зернах материала могут формироваться системы скольжения. Оценку влияния структурного фактора на механические свойства сплава в литом состоянии проводили на пробах, взятых от литниковой системы плиты основы барельефа и на модельных сплавах. На основании проведенных испытаний установлено, что значения твердости материала оригинального сплава ниже по сравнению с модельным сплавом. В первом случае она составляет 61,2 HV30, во втором — 68,5 HV30. Такое различие можно объяснить структурными разрушениями, которые произошли в материале в результате коррозионных процессов. Анализ прочностных и пластических характеристик показал, что предел прочности материала составляет 257,5 МПа, предел текучести — 41,5 МПа, относительное удлинение 31 %.

Таким образом, результаты исследований свидетельствует, что материал еще имеет достаточный ресурс пластичности и может обрабатываться чеканкой или ковкой в холодном состоянии. Это важно учитывать при проведении реставрационных работ.

Проведенная работа показала, что с течением времени в материале произошли серьезные структурные изменения, которые привели к необратимым процессам Дальнейшее развитие коррозионных процессов при экспозиции его в условиях интенсивного воздействия окружающей среды приведет к потере прочностных характеристик материала и его частичному разрушению. В связи с этим необходимо осуществлять контроль за состоянием материала барельефа, разработать комплексную методику по его реставрации и исключить прямое влияние факторов окружающей среды. Работа проведена по заданию государственного учреждения «Главное управление охраны памятников города Москвы» дипломантами конкурсов «Реставрация», проводимого правительством Москвы.

Первоисточник: 
Исследования и консервация культурного наследия. Материалы научно-практической конференции. 12-14 октября 2004 г. ГосНИИР; М., 2005
 
 
 
 
Ошибка в тексте? Выдели ее мышкой и нажми   Ctrl  +   Enter  .

Стоит ли самостоятельно реставрировать непрофессионалу? (2018)


  1. Технические операции требуют профессиональных навыков.

  2. Представить ход работы - это одно, а сделать - совсем другое.

  3. Не каждому памятнику пригодны стандартные методики реставрации и хранения.

  4. Некоторые методики устарели из-за выявленных деструктивных последствий.

  5. Неверно подобранные материалы сразу или в будущем нанесут вред памятнику.

  6. Если возвращаете памятнику утраченную красоту, то сохраняете ли его подлинность?

________________

В этих и во многих других вопросах разбирается только квалифицированный специалист!
  • Вам в помощь на сайте представлены эксперты и мастера реставраторы.
  • Спрашивайте, интересуйтесь, задавайте вопросы на нашем форуме.
  • Обучайтесь под непосредственным руководством опытного наставника.

 

Что Вы считаете ГЛАВНЫМ в процессе реставрации? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)

«Дружба — личные взаимоотношения между людьми, основанные на общности интересов и увлечений, взаимном уважении, взаимопонимании и взаимопомощи». (Дружба—Википедия)

«Знакомство — отношения между людьми, знающими друг друга». (Знакомство—Викисловарь)

ЕЖЕГОДНЫЙ КОНКУРС ЛУЧШИХ РАБОТ ВЕРНИСАЖА И ВЕБ-ПОРТФОЛИО
Система Orphus

Если вы обнаружили опечатку или ошибку, отсутствие текста, неработающую ссылку или изображение, пожалуйста, выделите ошибку мышью и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет отправлено администратору сайта.