2828.Экспертиза качества и разрушений
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.П. Вылежнев, С.С. Югай
ЭКСПЕРТИЗА КАЧЕСТВА И РАЗРУШЕНИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
1
УДК 658.5.012.7;669.1:621.75 В92
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.И. Астащенко (Камская государственная инженерно-экономическая академия,
г. Набережные Челны); д-р техн. наук, профессор Ю.И. Симонов
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Вылежнев, В.П.
В92 Экспертиза качества и разрушений : учеб. пособие / В.П. Вылежнев, С.С. Югай. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2012. – 330 с.
ISBN 978-5-398-00944-6
Представлены основные положения о контроле качества и стандартизации металлопродукции. Рассмотрены виды экспертной деятельности в металлургии и металловедении. Приведены методы, применяемые при экспертизе качества и разрушений, а также причины отказов.
Предназначено для подготовки магистров по дисциплине «Методы и процедуры проведения экспертизы металлопродукции, в том числе наноструктурированной» по программе «Получение и исследование компактных наноструктурированных конструкционных материалов» по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов».
УДК 658.5.012.7;669.1:621.75
ISBN 978-5-398-00944-6 |
© ПНИПУ, 2012 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение ........................................................................................................ |
7 |
1. Общие принципы управления качеством продукции.......................... |
10 |
1.1. Основные термины и понятия...................................................... |
10 |
1.2. Основные факторы, влияющие на качество................................ |
11 |
1.3. Техническое регулирование и технический регламент.............. |
12 |
1.4. Уровни стандартизации и виды стандартов................................ |
18 |
1.5. Технические условия и технические описания........................... |
19 |
1.6. Стандартизация в Российской Федерации .................................. |
20 |
1.7. Роль стандартизации в управлении качеством материалов....... |
22 |
2. Общие представления о качестве изделий. |
|
Показатели качества материалов............................................................... |
23 |
2.1. Общие представления о качестве стальных изделий................. |
26 |
2.2. Современные требования к качеству стали................................. |
28 |
2.3. Экспертиза качества материалов.................................................. |
29 |
2.4. Основные элементы экспертизы .................................................. |
31 |
2.5. Структура и содержание акта экспертизы................................... |
38 |
2.6. Управление качеством материала................................................ |
38 |
2.7. Основы статистических методов контроля качества ................. |
40 |
2.8. Общее понятие о статистическом контроле качества................ |
44 |
2.9. Уровни дефектности...................................................................... |
46 |
2.10. Планы и оперативные характеристики планов |
|
выборочного контроля.......................................................................... |
48 |
2.11. Принципы применения стандартов |
|
на статистический приемочный контроль |
|
по альтернативному признаку............................................................. |
51 |
2.12. Статистический приемочный контроль |
|
по количественному признаку............................................................. |
54 |
2.13. Вопросы организации контроля |
|
и обеспечение качества выпускаемой продукции |
|
в условиях массового производства.................................................... |
60 |
3. Виды методов контроля и анализа металлопродукции....................... |
61 |
3.1. Общие положения.......................................................................... |
61 |
3.2. Химические и электрохимические методы анализа................... |
62 |
3.3. Спектральный анализ .................................................................... |
64 |
3
3.4. Дифракционные методы................................................................ |
72 |
3.5. Металлографические методы оценки качества |
|
стальных изделий.................................................................................. |
77 |
3.5.1. Макроструктурный метод ................................................... |
78 |
3.5.1.1. Внутренние дефекты сталей..................................... |
79 |
3.5.1.2. Ликвации в стали....................................................... |
82 |
3.5.1.3. Дефекты обработки давлением................................ |
86 |
3.5.1.4. Макроструктурный анализ изломов........................ |
90 |
3.5.2. Микроструктурный анализ................................................... |
95 |
3.5.2.1. Оптическая микроскопия ......................................... |
95 |
3.5.2.2. Электронная микроскопия ..................................... |
104 |
3.5.2.3. Дефектоскопия ........................................................ |
112 |
3.6. Анализ металлов по механическим свойствам ......................... |
122 |
3.6.1. Измерение твердости.......................................................... |
123 |
3.6.2. Испытания на растяжение.................................................. |
124 |
3.6.3. Испытания на изгиб............................................................ |
127 |
3.6.4. Определение ударной вязкости ......................................... |
130 |
3.6.5. Испытания на трещиностойкость...................................... |
132 |
3.6.6. Определение критической температуры хрупкости........ |
134 |
3.6.7. Силовой нанотестинг в исследовании |
|
механических свойств поверхности............................................ |
137 |
4. Виды разрушения и их макроструктурное проявление..................... |
142 |
4.1. Хрупкое разрушение. Описание с позиции |
|
линейной механики............................................................................. |
143 |
4.2. Вязкое разрушение....................................................................... |
151 |
4.3. Микроскопические проявления хрупкого и пластического |
|
(вязкого) разрушений.......................................................................... |
152 |
4.3.1. Микромеханизм хрупкого разрушения............................. |
155 |
4.3.2. Вязкий и смешанный характер разрушения..................... |
162 |
4.3.3. Факторы, приводящие к повышению хрупкости............. |
166 |
4.4. Усталостное разрушение............................................................. |
178 |
4.4.1. Диаграмма усталости.......................................................... |
179 |
4.4.2. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения....... |
184 |
4.5. Структурные изменения и зарождение трещины |
|
при циклическом деформировании................................................... |
186 |
4.5.1. Образование экструзий и интрузий................................... |
188 |
4.5.2. Развитие трещины при циклическом нагружении........... |
189 |
4
4.6. Разрушение при статическом нагружении................................ |
194 |
4.6.1. Деформация и разрушение при повышенных |
|
температурах. Общие закономерности.................................... |
194 |
4.6.2. Строение изломов при разрушении от ползучести ...... |
197 |
4.6.3. Замедленное (задержанное) разрушение....................... |
199 |
4.6.4. Влияние водорода на разрушение |
|
при статическом нагружении.................................................... |
202 |
4.6.5. Влияние флокенов на разрушение |
|
при статическом нагружении.................................................... |
205 |
4.7. Разрушение вследствие коррозии............................................... |
209 |
4.7.1. Общие представления...................................................... |
209 |
4.7.2. Химическая коррозия...................................................... |
212 |
4.7.3. Электрохимическая коррозия и условия ее развития... |
214 |
4.7.4. Атмосферная коррозия.................................................... |
218 |
4.7.5. Газовая коррозия в технологических средах................. |
221 |
4.8. Особенности проявления коррозионного разрушения............. |
225 |
4.9. Микроскопические особенности разрушения при коррозии... |
232 |
4.10. Жидкометаллическая хрупкость .............................................. |
234 |
4.11. Разрушение в результате контакта тел (изнашивание) .......... |
236 |
4.11.1. Основные понятия. Виды износа.................................. |
236 |
4.11.2. Износ при трении скольжения...................................... |
240 |
4.11.3. Износ при трении качения ............................................ |
243 |
4.11.4. Ударный износ ............................................................... |
245 |
4.11.5. Фреттинг-коррозия ........................................................ |
250 |
4.12. Особенности разрушения наноструктур.................................. |
251 |
5. Входной контроль продукции ............................................................. |
258 |
5.1. Основные положения входного контроля продукции.............. |
258 |
5.2. Входной контроль на предприятии............................................ |
262 |
5.2.1. Методы отбора проб........................................................ |
263 |
5.2.2. Контроль геометрических размеров |
|
и качества поверхности............................................................. |
265 |
5.2.3. Контроль химического состава....................................... |
271 |
5.3. Основные группы сталей, используемых |
|
в производстве металлопродукции ................................................... |
272 |
5.4. Контроль качества после объемной термической |
|
обработки............................................................................................. |
281 |
5.5. Контроль качества химико-термической обработки................ |
287 |
5
5.6. Контроль качества после поверхностной |
|
термической обработки...................................................................... |
293 |
5.7. Контроль качества сварных соединений ................................... |
296 |
6. Диагностика разрушения...................................................................... |
297 |
6.1. Порядок работы с изучаемыми изломами................................. |
297 |
6.1.1. Методика подготовки изломов к исследованию. |
|
Хранение изломов......................................................................... |
298 |
6.1.2. Очистка изломов ................................................................. |
300 |
6.1.3. Визуальное изучение изломов и фотографирование....... |
301 |
6.1.4. Разрезка изломов................................................................. |
303 |
6.2. Развитие разрушения. Очаг разрушения.................................... |
303 |
6.3. Практика диагностики разрушения............................................ |
312 |
Список литературы................................................................................... |
327 |
6
ВВЕДЕНИЕ
Качество сталей и сплавов определяет работоспособность конструкций, деталей машин и механизмов. Это прежде всего вопросы прочности и эксплуатационной надежности. Качество определяется исходным материалом, действующей технологией производства и организованной системой контроля. Оно формируется всем циклом производства, поэтому возникает необходимость в управлении качеством, в планировании оптимального качества.
Одна из задач экспертизы – определение качества продукции. Эксперт, имея соответствующие средства, проводит качественно-количест- венный анализ продукции в сравнении с другой, и на основе сопоставления с принятыми критериями выявляет потребительскую ценность продукции. Специалист должен безупречно владеть знаниями в области стандартов и методов оценки качества, ориентироваться в нормативнотехнической документации, уметь систематизировать результаты проверки качества.
С другой стороны, существует экспертиза разрушений, которая выявляет причины выхода из строя того или иного элемента, механизма или конструкции. Задача эксперта – выявить причины этого разрушения, обосновать полученные результаты, применяя теоретические знания, современные методики и практический опыт. Специалист по результатам экспертизы разрушения должен уметь доказать ошибки, возникающие при производстве изделий, их эксплуатации или ремонте, если таковые присутствовали. Задача эксперта – предупредить события, чтобы их избежать.
Задачу повышения эксплуатационной надежности и долговечности конструкций и деталей машин невозможно решить без эффективной системы технической диагностики причин разрушения. Только на магистральных трубопроводах в Российской Федерации в течение пяти лет Ростехнадзор зарегистрировал 244 аварии.
Вот некоторые случаи катастрофических разрушений.
Затопление Бостона патокой случилось 15 января 1919 г. после того, как в бостонском районе Норт-энд взорвался гигантский резервуар с мелассой, и волна сахаросодержащей жидкости пронеслась по улицам города со скоростью около 60 км/ч. Жертвами затопления стал 21 человек, еще 150 попали в больницы.
7
Рис. В1. Катастрофа на алкогольном заводе в г. Бостоне
Катастрофа (рис. В1) произошла на алкогольном заводе компании Purity Distilling Company во время постепенной реализации «сухого закона». Ферментированная меласса в то время широко использовалась для получения этанола. Накануне введения полного запрета владельцы стремились изготовить и реализовать как можно большее количество продукции.
День выдался необычайно теплый. Видимо, из-за усталости металла в переполненном резервуаре с 8700 м³ патоки (диаметром 27 м, высотой 15 м) разошлись соединенные заклепками листы металла. Очевидцы слышали громкие хлопки, напоминающие пулеметные очереди. Земля дрогнула, как будто прошел поезд.
На улицы города хлынула волна патоки высотой от 2,5 до 4,5 м. Давление патоки было настолько велико, что сдвинуло с путей грузовой состав. Близлежащие здания были затоплены на метровую высоту, некоторые из них обрушились. Люди, лошади гибли от асфиксии, будучи неспособными выбраться из вязкого вещества.
Спасательная операция продолжалась четыре дня. В зоне катастрофы был развернут передвижной госпиталь Красного Креста. Для ликвидации последствий в город вошло подразделение ВМС США. Извлеченные из патоки тела опознать было практически невозможно. На очищение улиц от патоки ушло 87 тыс. человекочасов. Долгое время местные жители страдали от удушья и кашля.
8
Местные жители подали иск на владельцев резервуара. Хотя последние винили в организации взрыва анархистов, пострадавшие добились выплат общей суммой в 600 тыс. долларов, что по тем временам было солидной суммой. Резервуар восстанавливать не стали, сейчас на его месте находится бейсбольная площадка. По словам бостонцев, даже сейчас в знойные дни от старых домов исходит запах карамели.
Железнодорожная катастрофа под Эшеде (рис. В2) – крупнейшее в мире крушение высокоскоростного поезда.
Рис. В2. Железнодорожная катастрофа вблизи г. Эшеде
Катастрофа произошла в Германии 3 июня 1998 года на линии Ганновер – Гамбург близ города Эшеде (Целле, Нижняя Саксония), когда поезд ICE №884 из-за лопнувшего бандажа на скорости 200 км/ч сошел с рельсов и врезался в мост. В результате трагедии погиб 101 человек, 88 были ранены. По числу жертв это крупнейшая железнодорожная катастрофа в истории послевоенной Германии.
9
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ
1.1. Основные термины и понятия
Качество – совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные потребности.
Качество продукции – совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением.
Обеспечение качества – совокупность планируемых мероприятий, необходимых для того, чтобы создаваемая продукция отвечала определенным требованиям к качеству.
Объект, изделие – то, что может быть индивидуально описано и рассмотрено.
Параметр продукции – признак продукции, количественно характеризующий ее свойства и состояния.
Показатель качества продукции – количественная характеристика особенностей продукции, составляющих ее качество, рассматриваемая применительно к определенным условиям создания и использования.
Продукция – результат деятельности, представленной в материаль- но-вещественной форме. Результаты труда могут быть представлены в овеществленной и неовеществленной форме.
Процесс – совокупность взаимосвязанных ресурсов и деятельности, которые обеспечивают изготовление изделия.
Регламент – документ, принятый органом власти, содержащий обязательные правовые нормы.
Сертификат соответствия – документ, выданный по правилам системы сертификации для подтверждения соответствия сертифицированной продукции установленным требованиям.
Стандарт – нормативно-технический документ, устанавливающий единицы величин, термины и их определения, требования к продукции и производственным процессам и др.
Свойство – это объективная особенность продукции, которая проявляется при ее создании и эксплуатации. Свойство обычно не имеет размерности. Различают свойства: механические, электрические, оптические, геометрические, химические и др. Конкретным выражением
10