Основные дефекты, наиболее часто встречающиеся в деталях, можно разбить на следующие типы:

1. К конструктивным недостаткам относятся:

• неправильный выбор материала или режимов термообработки деталей;

• занижение значения радиусов перехода, выточек и т.д.;

• отсутствие поверхностного упрочнения, защитного покрытия или неправильный выбор режимов, их выполнения;

• занижение площади рабочего сечения детали вследствие неправильного или неточного расчёта её на прочность;

• назначение неправильного вида и режима сварки (по отношению, например, к способности материала свариваться при конкретных размерах элементов конструкции) и др.

2. К производственно-технологическим дефектам относятся дефекты, обусловленные ошибками производства. Ошибки производства могут иметь место как при изготовлении детали, так и при ремонте её. Они сводятся в основном к нарушению требований чертежа, технологии, производственных инструкций, регламентирующих высококачественное изготовление или ремонт детали. Эти ошибки приводят к появлению металлургических дефектов, дефектов сварки, а также дефектов термообработки:

• деформации, коробления и трещины (высоких внутренних температурных и структурных напряжений);

• недостаточной твердости (недостаточного прогрева, недостаточной выдержки, недостаточной интенсивности охлаждения);

• мягких пятен (недостаточного прогрева, недостаточной интенсивности охлаждения);

• повышенной хрупкости (закалки от слишком высоких температур);

• окисления и обезуглероживания (несоблюдения необходимой атмосферы );

• дефектов механической обработки:

  • шлифовочных и штамповочных трещин (одиночных или в виде сеток);

  • рисок от механической обработки резанием;

  • остаточных растягивающих напряжений в поверхностном слое материала деталей;

дефектов покрытий:

• несоответствие состава покрытий техническим условиям (повышенной хрупкости, недостаточной стойкости);

• недостаточность сцепляемости с основным материалом детали;

• недостаточной толщины;

• растрескивания.

Кроме того, к производственным дефектам относятся трещины, возникающие в процессе эксплуатации из-за неправильного выбора способа места клеймения, а также нарушения режима нанесения клейма.

Условия нагружения деталей

Факторы, характеризующие условия нагружения детали:

• уровень, способ и скорость приложения нагрузки;

• уровень температуры и характер ее распределения;

• вид среды, в которой эксплуатируется деталь.

Все нагрузки, которые могут воздействовать на деталь, делятся на следующие типы:

1. Механические или термические удары, однократные или многократные (повторяющиеся). Длительность каждого воздействия мала (доли секунды).

2. Статические кратковременные однократные нагрузки. Время нарастания и общая продолжительность нагружения соизмеримы (от долей минуты до нескольких минут, реже нескольких часов).

3. Статические длительные однократные нагрузки; время τ изменяется от долей часа до нескольких лет; в процессе всего времени воздействия уровень нагрузки может измениться.

4. Статическая многократная нагрузка.

На практике неизбежно возникновение комбинаций таких нагрузок. Каждая из этих нагрузок может быть приложена с различной скоростью и различными способами (растяжение, сжатие, изгиб, кручение).

8.2. Метод фрактографии. Взаимосвязь излома с условиями нагружения

Метод фрактографии основан на изучении и анализе строения поверхности полностью или частично разрушенной детали с помощью визуального осмотра или анализе с использованием оптических электронных микроскопов и других приборов. Методом фрактографии можно определить структуру металла, закономерность процесса разрушения, его механизм, кинетику, влияние структурных, технологических и прочих факторов на разрушение, характер разрушения.

Каждому виду разрушения соответствует вполне определенная поверхность излома.

8.3. Методы металлоструктурного анализа

К этой группе методов металлофизического анализа относятся:

• металлографический анализ;

• электронно-микроскопический анализ;

• рентгеноструктурный анализ;

• электроннографический анализ.

Металлографический анализ основан на различной степени отражения оптических лучей от отдельных элементов исследуемого объекта (специально приготовленного шлифа, излома и т.п.).

Металлофизический анализ применяют:

1. Для исследования состояния и особенностей микроструктуры.

В этом случае он позволяет установить:

• наличие несплошностей (пор, микротрещин и т.п.), включений (окисных плёнок, шлаков и т.п.),дефектов металлургического происхождения (закатов, волосовин и др);

• величину и конфигурацию зерна, тип структуры (мартенсит, сорбит и т.п.), состояние(например, степень окисленности) границ зёрен, наличие обезуглероженного слоя и другие металлографические признаки правильности или нарушения режимов термообработки;

• наличие обеднения поверхностного слоя легирующими элементами, изменение толщины покрытия (например, алитированного слоя и), которые являются признаками воздействия на материал детали в процессе её эксплуатации внешних факторов(в данном случае – повышенной температуры) и т.п.

2. Для исследования строения излома.

В этом случае, кроме особенностей микрорельефа, металлографический анализ позволяет установить тип разрушения:

- внутризёренное – признак хрупкого разрушения от однократной нагрузки, макрохрупких разрушений от воздействия многократных нагрузок;

• межзеренное – признак преждевременного вязкого разрушения от однократной нагрузки макрохрупкого разрушения от воздействия длительной статической нагрузки без влияния повышенной температуры и среды, макрохрупкого разрушения от воздействия длительной статической нагрузки и коррозионной среды;

• смешанное (по телу и границам зерен) – признак макрохрупкого разрушения от длительного воздействия статической нагрузки и повышенной температуры.

Для проведения металлографического анализа применяют микроскопы типа МИМ, ММР, Неофат и др. с увеличением 45 2000 раз.

Электронно-микроскопический анализ основан на различной степени рассеяния потока электронов при прохождении его через отдельные элементы объекта (анализ на просвет) или различной степени отражения потока электронов от отдельных элементов поверхности объекта (анализ на отражение).

В качестве объекта при анализе на просвет используют либо реплики (слепки), снятые или с поверхности шлифов или с поверхности изломов, либо тончайшие (толщиной 1000…3000 нм) кристаллические среды (дифракционная электронная микроскопия). При анализе на отражение объектом служит непосредственно участок шлифа или излома.

Электронно-микроскопический анализ применяют:

1. Для исследования состояния и особенностей микроструктуры

В этом случае он позволяет установить:

• размеры и форму (дисперсность) упрочняющей фазы, а также форму и место залегания карбидов, что указывает, например, на наличие или отсутствие перегрева жаропрочных сплавов;

• состояние границ зерен (степень их окисленности, уширения, наличия хрупких фаз), которое характеризует режим термообработки сплавов;

• изменение тонких структурных составляющих (на участках, равных нескольким межатомным расстояниям), то есть судить о степени прохождения фазовых превращений (старения, мартенситного превращения, эвтектоидного превращения и др.), сопровождающих эти изменения.

2. Для исследования дислокационной структуры.

В этом случае электронно-микроскопический анализ позволяет установить наличие, тип и степень концентрации несовершенств кристаллического строения (дислокации, вакансии, дислоцированные атомы и т. п.), которые характеризуют степень упрочнения или разупрочнения (от воздействия, например, эксплуатационных нагрузок) сплава.

3. Для исследования строения изломов.

Основными особенностями строения микрорельефа, характеризующими соответствующие виды изломов, являются:

• ямки;

• ручьистый узор (фасетки скола);

• фасетки квазискола

• микробороздки – признак изломов типичной усталости, составляющая микрорельефа изломов малоцикловой усталости, термической усталости и коррозионной усталости;

• огранка зерен.

Для проведения электронно-микроскопического анализа применяют электронные микроскопы ЭВМ – 100 (разрешающая способность 0,3 нм, увеличение 400…600000 раз) и растровые (сканирующие) электронные микроскопы (разрешающая способность до 5 нм, увеличение до 200000 раз).

Следует отметить, что перед методом реплик при исследовании изломов сканирующая электронная микроскопия (на отражение) имеет ряд преимуществ:

- большая глубина резкости при большом увеличении и связанная с этим возможность получения объемного изображения;

- возможность обработки изображения в процессе наблюдения электронным путем (увеличение контраста, уменьшение искажений);

- большой диапазон увеличений;

- простота подготовки объекта;

- значительно большая скорость получения информации (оперативность метода).

Рентгеноструктурный анализ основан на способности рентгеновских лучей, благодаря малой длине волны (0,0005…0,2 нм) проникать в глубь вещества и вызывать колебательные движения его атомов, являющихся источником рассеянных электромагнитных колебаний, которые интерферируются в определенных направлениях, образуют отраженные рентгеновские лучи, несущие информацию о строении облучаемого вещества.

Рентгеноструктурный анализ применяют для определения параметров кристаллической решетки, фазового состава, текстуры и ориентировки, структурных составляющих исследуемого материала. Он позволяет установить:

- степень деформации кристаллической решетки, которая характеризует значение и знак остаточных напряжений;

- факт расщепления дублета интерференционных линий, который является признаком усталостного разрушения некоторых сплавов (например, алюминиевых);

- глубину и степень рекристаллизации, которые характеризуют температурные условия деформации и разрушения;

- фазовый состав сплавов, окисных пленок и др.;

- преимущественную ориентацию кристаллов (текстуру), которая характеризует направление и степень деформации, полученной в процессе технологической обработки;

- значения параметров решеток, которые определяют степень распада перенасыщенных твердых сплавов и степень перегрева;

- степень концентрации структурных несовершенств (дислокаций) в кристаллах, которая характеризует степень деформации от эксплуатационных напряжений.

Для проведения рентгеноструктурного анализа применяют рентгеноструктурные аппараты типа УРС, дифрактомеры типа ДРОН, рентгеновские камеры типа КРМ, 1-КРОС.

Электроннографический анализ основан на способности быстролетящих электронов дифрагировать (рассеиваться) и интерферировать (накладываться) при рассеивании их кристаллической решеткой материала исследуемого объекта.

Электроннографический применяют для исследования кристаллической структуры, фазового состава и ориентировок структурных составляющих. Он позволяет установить:

- фазовый состав сплавов;

- фазовый состав налетов и окислов на поверхности деталей;

- наличие остаточных напряжений;

- структурные изменения при нагреве, окислении и химических воздействиях.

Для проведения электронографического анализа применяют электронографы типа ЭР-100.

8.4. Выбор методов металлофизического анализа деталей с учетом цели исследования и специфики их материала

Методы металлофизического анализа, дополняя друг друга, позволяют решать широкий круг вопросов. Тот факт, что одну и ту же цель можно достигнуть несколькими методами, позволяет не только варьировать ими в зависимости от конкретных возможностей, но и повышать объективность и достоверность.

В каждом конкретном случае метод (методы) исследования для достижения поставленной цели следует определять, не только исходя из возможностей самого метода, но и, учитывая возможности его применения и возможности получения наиболее емкой объективной информации в кратчайший срок.

В тех случаях, когда поставленная цель может быть достигнута применением ряда методов, целесообразность или рациональность их применения определяют путем сопоставления возможностей метода с характеристиками объекта исследования (конфигурацией, размером, массой, составом и свойствами материала).

Рассмотрим пример рационального выбора метода исследования. Структура вещества, как было показано ранее, может быть исследована как рентгеноструктурным, так и электронографическим анализом. Эти методы имеют много общего, однако между ними есть важные различия, которые и определяют области применения каждого из них.

Существенное отличие электронографического и рентгеноструктурного анализа заключается в том, что электроны гораздо сильнее взаимодействуют с веществом, чем рентгеновские лучи. В основе указанного различия лежит разная природа рассеяния этих видов излучения в веществе: рентгеновские лучи рассеиваются в электронных оболочках атомов, а электроны – в электростатических полях атомов, в создании которых участвуют как электронные оболочки, так и ядра атомов. Чтобы получить одинаковую рассеянную интенсивность (пропорциональную количеству рассеивающих атомов и молекул), доступную для регистрации, необходимо собрать образцы толщиной приблизительно 1 мм при рентгеноструктурном анализе и 10^-5 мм при электронографическом анализе. Отсюда следует важный практический вывод: структуру тонких пленок, различного рода поверхностных слоев и покрытий, процессы окисления в таких слоях, строение окисных пленок целесообразно исследовать с помощью электронографического анализа.

Рациональный выбор для исследования одной из разновидностей электронно-микроскопического анализа определяется возможностями и особенностями применения просвечивающего и сканирующего электронных микроскопов.