2.3 Основные механизмы разрушений
Механизм разрушения и долговечность материала определяются постепенным накоплением локальных дефектов – деформаций и трещин в материале. Локальные дефекты материала, создавая локальные перенапряжения, становятся центрами разрушения.
В зависимости от металла, условий и характера нагружения разрушение происходит по механизму вязкого или хрупкого разрушений.
Вязкое разрушение реализуется в результате макроскопической или локальной потери устойчивости пластических деформаций. Деформации, предшествующие вязкому разрушению, достаточно велики и составляют более 10-15 %. При нормальных условиях эксплуатации оборудования вязкое разрушение возможно лишь при наличии макроскопических дефектов. Излом при вязком разрушении волокнистый. Вязкое разрушение наблюдается, когда пластическая деформация пластичного элемента достигает такой величины, что он разделяется на две части. Разрушение происходит в результате процесса зарождения, слияния и распространения внутренних пор, поверхность разрушения при этом гладкая и волнистая.
Хрупкие разрушения возможны при существенном охрупчивании металлов и наличии микро- и макроскопических дефектов. Хрупкое разрушение происходит, когда упругая деформация элемента из хрупкого материала достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи и элемент разделяется на две или более части. Внутренние дефекты и образующиеся трещины быстро распространяются до полного разрушения; поверхность разрушения при этом неровная, зернистая. Причинами хрупкого разрушения являются: деформационное старение, низкая температура, динамичность нагрузки и др.
2.4 Основные понятия, определения и классификация дефектов
Дефект – каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией.
Дефекты подразделяются на:
- металлургические;
- технологические, которые в свою очередь подразделяются на дефекты, образованные при температурно-деформационной обработке металла и дефекты сварных соединений;
- дефекты, образованные при транспортировке, хранении и монтаже;
- дефекты, образованные в процессе эксплуатации.
Дефекты классифицируют по ряду признаков:
- степени локализации,
- расположению,
- ориентации,
- стадии возникновения и степени опасности.
Влияние дефектов на работоспособность и долговечность конструкции определяется, в большей степени, конструктивными особенностями соединительных деталей, элементов и узлов оборудования, назначением и условиями их использования (эксплуатации).
Дефекты в металлах по перечисленным выше признакам подразделяют на следующие группы:
1. По стадии возникновения (своему происхождению):
- производственно-технические (металлургические) дефекты, возникающие при отливке и прокатке;
- производственно-технологические дефекты, возникающие на стадии изготовления, сборки и ремонта деталей (при сварке, наплавке, механической и термической обработках, калибровке и др.);
- эксплуатационные дефекты, возникающие после некоторой наработки изделия вследствие усталости металла деталей, появления дополнительных нерасчетных нагрузок, ударов, вибрации, перепада температур, коррозии, изнашивания, старения и т.д., а также неправильного технологического обслуживания в период эксплуатации.
По степени опасности дефекты подразделяют на:
- критические, при наличии которых использование продукции по назначению невозможно или исключается из-за несоответствия требованиям безопасности;
- значительные, которые оказывают существенное влияние на использование продукции по назначению и снижают в той или иной степени эксплуатационную надежность и (или) долговечность, но не являются критическими;
- малозначительные, которые не оказывают влияния на использование продукции по назначению, не имеют развития и не оказывают влияния на эксплуатацию и (или) на ее долговечность.
Рассмотрим некоторые дефекты в зависимости от происхождения подробнее.
Дефекты, образованные при температурно-деформационной обработке металла.
Расслоение – нарушение сплошности металла, направленное параллельно плоскости листового проката. Общий вид торца трубы с раскрывшимся расслоением показан на рисунке 3.
Рисунок 3 - Общий вид торца трубы с раскрывшимся расслоением
Ликвация - дефект, проявляющийся в виде скопления вредных примесей и неравномерности химических элементов или соединений в объеме металла, возникающий в результате избирательной кристаллизации при затвердевании.
Структура металла трубной стали с ликвационными зонами (полосами) показана на рисунке 4.
Рисунок 4 - Структура металла трубной стали с ликвационными
зонами (полосами), 200х
Закат - дефект в виде нарушения сплошности поверхности в направлении прокатки. Общий вид заката показан на рисунке 5.
Рисунок 5 – Общий вид заката
Флокены - дефекты в виде внутренних разрывов (трещин) в металлопродукции (прокат, поковки), образующиеся в результате водородного охрупчивания металла (большей частью внутризеренного). Размер и поверхность флокенов зависят от марок стали, их газонасыщенности и загрязненности. Макрошлиф с флокенами показан на рисунке 6.
Рисунок 6 – Макрошлиф с флокенами
Плена - дефект поверхности, представляющий собой сравнительно тонкие плоские металлические отслоения языкообразной или округлой формы деформированного металла (прокат, поковка), частично приваренные к основному металлу. Плена на поверхности трубы показана на рисунке 7.
Рисунок 7 – Плена на поверхности трубы
Волосовины - дефекты в виде волосовидных нитевидных несплошностей металле, расположенных вдоль направления деформации и наблюдаемых в форме прерывистых или сплошных нитевидных поверхностных трещин. Вид поверхности проката с волосовинами показан на рисунке 8.
Рисунок 8 - Вид поверхности проката с волосовинами
Рябизна — дефект в виде мелких углублений (шероховатости) на поверхности проката, выявляемые после удаления окалины. Дефект может занимать значительную поверхность, располагаясь преимущественно отдельными участками вдоль направления деформации. Вид рябизны металла показан на рисунке 9.
а)
б)
в)
а) мелкая рябизна б) средняя рябизна в) крупная рябизна
Рисунок 9 - Рябизна металла
Чешуйчатость - дефект в виде сильно разветвленных мелких отслоений и надрывов металла, расположенных сотообразно на поверхности проката (поковок), то есть поверхность деформированного металла как бы покрыта металлическими чешуйками. Общий вид металла с чешуйчатостью показан на рисунке 10.
Рисунок 10 - Общий вид металла с чешуйчатостью
Дефекты, образованные при транспортировке, хранении и монтаже
Царапина (риска) - дефект в виде протяженного углубления на поверхности металлопродукции неправильной формы и произвольного направления с наклонными боковыми стенками в виде острого надреза. Вид поверхности металла трубы с царапиной (риской) показан на рисунке 11.
Рисунок 11 – Вид поверхности металла трубы с царапиной (риской)
Забоина - углубление неправильной формы и переменной глубины, произвольно расположенное на поверхности изделия. Вид поверхности металла трубы с забоинами приведен на рисунке 12.
Рисунок 12 – Вид поверхности металла трубы с забоинами
З
адир
– повреждение с теми же характеристиками,
что и у царапины. В отличие от царапины
задир имеет зазубренные края. Задир
металла резервуара показан на рисунке
13.
Рисунок 13 – Задир металла резервуара
Вмятина - дефект в виде местного плавного изменения формы поверхности металлоизделия. Труба с вмятинами показана на рисунке 14.
Рисунок 14- Труба с вмятинами
Дефекты, образованные в процессе эксплуатации
Сплошная коррозия - дефект коррозионного типа, охватывающий всю поверхность металла. Сплошная коррозия может быть равномерной, Т.е. протекающей с одинаковой скоростью по всей поверхности металла, и неравномерной. Вид поверхности трубы со сплошной коррозией показан на рисунке 15.
Рисунок 15 – Вид поверхности трубы со сплошной коррозией
Язвенная коррозия - местный коррозионный дефект (или группа дефектов), имеющий вид отдельной раковины. Язвенная коррозия на теле трубы приведена на рисунке 16. Язвенная коррозия сварного шва приведена на рисунке 17.
Рисунок 16 - Язвенная коррозия на теле трубы
Рисунок 17 - Язвенная коррозия сварного шва
Точечная коррозия (питтинг ) - местная коррозия металла в виде отдельных точечных поражений. Вид поверхности трубы с точечной коррозией показан на рисунке 18.
Рисунок 18 - Вид поверхности трубы с точечной коррозией
Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) - дефект является разновидностью коррозионной повреждаемости металла, развивающийся при одновременном воздействии коррозионно-активной среды и статических или низкочастотных циклических напряжений растяжения (приложенных или остаточных). Вид излома с трещиной КРН в основном металле трубы показан на рисунке 19. Микроструктура стали с развивающейся трещиной КРН показана на рисунке 20.
Рисунок 19 - Вид излома с трещиной КРН в основном металле трубы
Рисунок 20 - Микроструктура стали с развивающейся трещиной КРН
Усталостная трещина - трещиноподобный дефект, образованный под действием циклических нагрузок. Зарождение усталостных трещин происходит под действием локальных пластических деформаций металла. При этом, даже когда действующие напряжения намного ниже предела упругости материала, локальные напряжения из-за наличия концентрации напряжений на включениях или механических повреждениях могут превышать предел текучести металла. Вид поверхности излома с усталостной трещиной показан на рисунке 21.
Рисунок 21 – Вид поверхности излома с усталостной трещиной
Трещины пластической деформации - дефекты в виде нарушения сплошности металла (микро- и макротрещины), образующиеся при эксплуатации металла в упруго-пластической зоне диаграммы растяжения. Развитие трещины происходит по механизму вязкого разрушения в два этапа: зарождение микро- и макронесплошностей и вязкий дорыв металла элемента конструкции в результате объединения трещин. Макрошлиф сварного соединения в вершине трещины пластической деформации показан на рисунке 22.
Рисунок 22 - Макрошлиф сварного соединения в вершине трещины
пластической деформации
Эрозионный абразивный износ - вид повреждения (износа), вызванный обтеканием поверхности металла потоками транспортируемого продукта с взвешенными твердыми частицами на высоких скоростях. Вид разрушенного отвода снаружи показан на рисунке 23. Вид разрушенного отвода изнутри показан на рисунке 24.
Рисунок 23 – Вид разрушенного отвода снаружи
Рисунок 24 – Вид разрушенного отвода изнутри
Изменение геометрии конструкции или отдельных ее элементов
Процессы изменения геометрии охватывают широкий круг явлений и могут иметь как локальный, так и общий характер, касающийся конструкции в целом. К их числу относят: отклонения от начальной (исходной) формы технологического оборудования (отклонения от прямолинейности, плоскостности, вертикальности, цилиндричности и др.), образование гофр, отдулины, расслоения и т.д. На рисунке 25 показана отдулина в металле змеевика печи. На рисунке 26 показаны локальные дефекты стенки резервуара.
Рисунок 25 – Отдулина в металле змеевика печи
Рисунок 26 - Локальные дефекты стенки резервуара