3. Дефекты в металлах и неразрушающие методы их обнаружения

3.1. Требования, предъявляемые к конструкционным материалам

При анализе технического состояния оборудования и оценке его остаточного ресурса необходимо иметь данные:

• о начальном состоянии и механических свойствах конструкционных материалов;

• о состоянии и свойствах конструкционных материалов на момент диагностирования;

• о характере и скорости деградационных процессов, протекающих в материале при эксплуатации.

Начальное состояние и свойства конструкционных материалов регламентируются соответствующими стандартами и техническими условиями завода-изготовителя. В случае применения зарубежных марок материалов они должны быть идентифицированы с отечественными марками.

К числу контролируемых параметров конструкционных материалов относятся:

• химический состав,

• структура,

• механические свойства,

• теплофизические, коррозионностойкие и износостойкие свойства. Контроль этих свойств обязателен в случаях:

• отсутствия или утери документов на объект,

• замены отечественных материалов на зарубежные,

• замены материалов в процессе ремонтовосстановительных работ,

• возможного изменения состава и свойств материалов в эксплуатации в результате взаимодействия со средой, химических процессов, диффузии и т.п., временного пребывания материалов в условиях и режимах, для которых они не предназначались.

Замена материала подтверждается соответствующими актами, являющимися неотъемлемой частью технической документации на объект.

При анализе технического состояния необходимо иметь в виду статистический разброс механических и других свойств материалов.

3.2. Основные виды дефектов в металлах

При оперативном обследовании потенциально опасных объектов и выяснении причин аварий необходимо обнаружить дефекты в конструкционных материалах и выяснить причины их появления. Обнаружить дефекты различной физико-химической природы непосредственно в эксплуатационных условиях позволяют многочисленные методы неразрушаюшего контроля, основанные на различных физических принципах.

По происхождению дефекты в металлах подразделяются:

- производственно-технологические;

- эксплуатационные.

Производственно-технологические возникают при отливке, прокате, ковке, термической и других видах обработки, сварке, пайке, клепке, неправильной сборке.

Эксплуатационные дефекты возникают вследствие появления дополнительных нагрузок, ударов, вибрации, перепада температур, а также коррозии, изнашивания, старения.

По наименованию дефекты разделяются:

- явные,

- скрытые,

- критические,

- значительные,

- малозначительные.

К дефектам плавки и литья относятся неметаллические (шлаковые и флюсовые) включения, образующиеся вследствие загрязнения шлаками, продуктами раскисления, огнеупорами. Эти включения имеют неправильную форму и расположены в различных местах отливки. При обработке давлением включения деформи­руются в направлении волокна.

При кристаллизации из-за выделения газов, растворившихся в металле в процессе плавки, возникают газовые пузыри. Эти дефекты рассеяны по всему объему слитка или сосредоточены в подкорковом слое. При обработке давлением пузыри могут завариваться или запрессовываться. При нагреве запрессованный пузырь может вздуться и обнажиться в виде трещины.

В процессе кристаллизации отливки возникают усадочные раковины. Часть слитка с усадочными раковинами, как правило, удаляется. Результатом неправильной технологии литья являются неслитины и несплошности в металле у поверхности слитка. Частым дефектом металла является ликвация - неоднородность отдельных участков металла по химическому составу, структуре, неметаллическим включениям. Ликвация может быть точечной, пятнистой, в виде квадрата или круга. При этом сплошность металла не нарушена, однако прочность его существенно снижается.

Под действием термических и усадочных напряжений при высоких температурах образуются горячие межкристаллические трещины с сильно окисленными поверхностями. Эти трещины часто бывают в виде трех и более извилистых, паукообразных полосок направленных от оси заготовки в стороны. После окончания затвердевания металла при относительно низких температурах под действием усадочных и термических напряжений могут возникнуть холодные трещины со светлыми неокисленными поверхностями. Вероятность образования таких трещин выше у высоколегированных сталей и сплавов, обладающих низкой температуропроводностью и меньшей пластичностью.

При обработке давлением в поковке появляются поверхностные трещины и внутренние разрывы в результате высоких напряжений деформации. Эти трещины появляются в областях металла, ослабленных литьевыми дефектами. В процессе прокатки металла на поверхности появляются риски, царапины, а в результате деформирования газовых пузырьков - дефекты в виде тонких прямых линий длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров (волосовины). Если в слитке имелись крупные газовые пузырьки, то в прокате появляются расслоения - внутренние нарушения сплошности металла.

При прокате по краям слитка могут возникнуть закаты металла, рванины. Одним из часто встречающихся дефектов являются флокены - тонкие извилистые трещины длиной от 1 до 30 мм, ориентированные беспорядочно. Их образование связано с выделением растворенного в металле водорода.

При термической обработке из-за несоблюдения температурного режима возникает перегрев или пережог, в результате которого образуются крупнозернистые структуры, оксидные и сульфидные выделения по границам зерен. Закалочные и другие термические трещины возникают при резком нагреве и охлаждении.

При нагреве изделий в зависимости от среды может происходить как обезуглероживание, так и науглероживание поверхностного слоя. В обезуглероженном слое возникают поверхностные трещины глубиной до 1…2 мм. Науглероживание ведет к повышению хрупкости и склонности к трещинообразованию.

Насыщение водородом поверхностных слоев под воздействием щелочей, кислот и электрохимической обработки приводит к резкому падению пластичности и хрупкому разрушению, очагом которого являются поверхностные микротрещины.

В процессе механической обработки изделия поверхностные слои могут наклёпываться, становиться хрупкими, что способствует появлению поверхностных трещин. При нарушении режима шлифования появляются прижоги, усталостные трещины.

Большую опасность разрушения имеют дефекты мест соединения деталей методами сварки и пайки. Металлургические дефекты (раковины, поры, шлаковые включения и др.), например, изменение размеров зерен, горячие и холодные трещины являются типичными дефектами сварного шва. В процессе эксплуатации причинами дефектов в металле как естественный физический износ и коррозия металлов, так и усталостные трещины и трещины в местах концентрации напряжений.