2828.Экспертиза качества и разрушений

Разрушение защитной пленки может быть причиной дальнейшего протекания коррозии, обусловленной работой концентрационного элемента, или же вызвать контактную коррозию. Превращение поверхности металла в оксид приводит к неисправностям, забиванию системы продуктами коррозии, заеданию и сбою работы механизма.

Скорость фреттинг-коррозии зависит от природы используемых металлов (материалов), температуры, состава коррозионной среды и действующих нагрузок.

Во время трения происходит нагрев металла, что дополнительно усиливает фреттинг-коррозию, особенно в условиях отсутствия на поверхности смазки.

Фреттинг-коррозия протекает не по электрохимическому механизму. Важнейшим фактором является приложенная нагрузка, в результате которой происходит усиленное питтингообразование на контактирующих поверхностях.

При колебательном скольжении (трении) образовавшиеся окислы не могут быть удалены с контактирующей поверхности. Это приводит к увеличению напряжения между контактирующими деталями, и фреттингкоррозия в местах скопления окислов проходит намного интенсивнее.

4.12. Особенности разрушения наноструктур

Если твердость, как наименее структурночувствительная характеристика, закономерно увеличивается с уменьшением размера зерна размером зерна, то прочность и особенно пластичность существенно снижаются. Несплошности и поры с надрезами провоцируют зарождение трещин, что снижает показатели прочности и пластичности, нивелируя положительное влияние наноструктур.

Закон Холла – Петча выполняется и в случае некоторых наноматериалов. Как видно на рис. 4.95, во многих случаях значение HV увеличивается с уменьшением величины зерна L и толщины индивидуальных слоев в многослойных пленках δ, но для ряда объектов наблюдается немонотонная зависимость и даже обратная. Соотношение Холла – Петча, основанное на различных дислокационных моделях, выполняется лишь до критического размера 10–30 нм. К сожалению, количественно описать эту зависимость не удается. Так, например, немонотонное изменение твердости в случае многослойных пленок TiN–CrN связано с тем, что начиная с некоторого значения толщины (20 нм) двухфазная систе-

251

ма за счет термического воздействия при напылении превращается в однофазный твердый раствор с исчезновением границ раздела и, соответственно, понижением твердости. Двухфазная структура сохраняется до толщины 10 нм, и твердость продолжает расти, достигая значения твердости алмаза. Эти данные демонстрируют роль поверхностей раздела как препятствий на пути движения дислокаций и трещин.

Рис. 4.95. Влияние размера зерна (а, б) и толщины индивидуальных слоев

вмногослойных пленках (в) на твердость материалов:

а– 1 – Cu, 2 – Pd, 3 – Cu (пленка), 4 – Ni, 5 – Fe; 6 – Ni–P;

б– 1 – Cu, 2 – Pd, 3 – TiAl, 4 – Nb3Sn, 5,6 – Nb3Al, 7 – TiAlNb, 8 – Ni-P;

в– 1 – TiN–NbN, 2 – TiN–ZrN, 3 – TiN–CrN

Для наноматериалов такая зависимость оправдывается далеко не всегда. Это доказывает важность границы раздела. Увеличение твердости металлических наноматериалов может составлять 500–600 %. Для хрупких материалов такое увеличение несколько ниже, но может со-

ставлять 200–300 %.

252

По мере снижения размера зерна нанокристаллического ансамбля классическое дислокационное течение плавно истощается, уступая место зернограничному проскальзыванию, которое реализуется тем легче, чем меньше размер зерна. Это является причиной аномального соотношения Холла – Петча.

Преимущества в механических и эксплуатационных характеристиках нанокристаллического никеля по сравнению с обычной никелевой лентой очевидны. Однако пластичность снижается, и при размерах зерна 10 нм пластичность практически отсутствует. Именно при такой толщине наличие дислокаций маловероятно.

Ротация зерен и отсутствие дислокаций внутри кристаллов выявлены с помощью просвечивающего электронного микроскопа в пленках золота толщиной 10 нм. Как отмечалось ранее, начиная с некоторых размеров наличие дислокаций в кристаллитах наноматериалов становится маловероятным за счет выталкивающих воздействий со стороны сил изображения. В силу этого пластическая деформация в таких наноструктурах маловероятна и разрушение носит хрупкий характер.

Пластическая деформация реализуется по границам зерен в виде большого числа сдвигов. Анализ тройных стыков показал, что зарождение дислокаций может активно протекать в этих областях за счет рассогласования в результате пластических поворотов. Обнаружено, что со сдвиговыми процессами, активно протекающими при размере зерен больше 70 нм, имеет место разворот нанозерен. Разворачивающие зерна как бы подстраиваются друг под друга в направлении действия скалывающих напряжений, и возникает мезоскопический сдвиг вдоль границ нанозерен близкой ориентации.

Транскристаллитный тип разрушения в наноматериалах не реализуется. Фрактографическое исследование деформации наноматериалов выявило наличие существенного интеркристаллитного разрушения (рис. 4.96, а). Переход от наноструктуры к более крупным зернам также сопровождается транскристаллитным разрушением образцов(рис. 4.96, б).

Изучение характера поверхности отпечатков, образовавшихся при наноиндентировании наноструктурных пленок с помощью сканирующего микроскопа, позволило выявить два типа деформации: однородную и с образованием полос сдвига со ступеньками.

Механизм деформации сводится к следующему. Начальная стадия деформации наноматериалов связана с проскальзыванием на границах

253

зерен, которое сопровождается от межзеренных границ внутрь зерна. Эта генерация прекращается при определенных размерах зерна, что и проявляется в аномалиях соотношения Холла-Петча.

а

б

Рис. 4.96. Изломы образцов TiN, спеченных из ультрадисперсного порошка при температуре 1200 ºС и давлении 4 ГПа: а – порошок с частицами 18 нм; б – порошок с частицами 80 нм и крупными более 1 мкм

Моделирование деформации наноматериалов показало, что пластическая деформация реализуется по границам зерен в виде большого числа небольших по размеру сдвигов, когда небольшое количество атомов перемещаются относительно друг друга и зависимость деформирующего напряжения и предела текучести от размера зерна имеет вид обратного соотношения Холла-Петча.

254

Оптимизация структуры материалов с целью придания им высоких показателей прочности при удовлетворительной пластичности является целью многих поисков в области наноструктурных материалов. За исключением цинка, кобальта и меди, для многих металлов (никель, железо, титан и др.) характерны весьма низкие показатели пластичности. Снижению прочности и пластичности способствует наличие пор и трещин на границах раздела. Различают восемь основных приемов повышения пластичности наноматериалов на основе металлов и сплавов:

–создание бимодальных структур, в которых нанокристаллическая матрица обеспечивает высокую прочность, а наличие более крупных включений способствует приемлемой пластичности;

–получение многофазных композиций;

–формирование двойниковых структур;

–получение дисперсных сплавов;

–использование эффектов пластичности, индуцированной фазовым превращением;

–динамический отжиг при низких температурах;

–повышение коэффициента скоростной чувствительности напряжения течения до значений, присущих сверхпластичным сплавам;

–использование методов консолидации наноматериалов, обеспечивающих полное отсутствие в материале пор и микронесплошностей.

Для нанокристаллических оксидов, нитридов, боридов и других объектов, разрушающихся без заметной пластической деформации, не наблюдается роста K1с с уменьшением размера кристаллитов. В случае пленок, нанопроволок и нановключений фиксируется проявление остаточной пластической деформации в хрупких нанообъектах.

На первых порах исследования наноматериалов большие надежды возлагались на возможность повышения пластичности хрупких материалов за счет наноструктуры. Однако трещина распространяется по границам зерен, сопротивление распространению трещин мало зависит от размера зерна. Наоборот, результаты измерения Kc свидетельствуют

отот, что вязкость разрушения даже снижается при уменьшении размера зерна. Так, для сплава Fe–Mo–Si–B, полученного контролируемой кристаллизацией из аморфного состояния, изменение прочности и вязкости носит немонотонный характер с максимумом при L = 40…50 нм.

255

Для оксида циркония максимальное значение K1с совпадает с максимальными значениями для крупнозернистого ZrO2 и реализуется при размере кристаллитов 90–110 нм, а при дальнейшем уменьшении происходит снижение вязкости разрушения. Объясняют это тем, что тетрагональная модификация превращается в моноклинную, что сопровождается изменением и напряженного состояния, когда возникающие сжимающие напряжения препятствуют распространению трещины и способствуют повышению характеристик трещиностойкости.

Повышение вязкости можно ожидать для многофазных нанокомпозитов с нанокристаллической матрицей, когда трещина будет огибать включения и ее протяженность будет заметно превышать линейный маршрут для монокристаллов.

Большой интерес представляют результаты исследований табулярных (трубчатых) структур. Для однослойных нанотрубок получены следующие значения разрушающих напряжений и модуля упругости: 30 ГПа и 1000 ГПа соответственно. Однако разброс результатов был довольно значительным – соответственно 13–52 ГПа и 320–1470 ГПа, что связано как с особенностями методики измерений (опыты проводились со жгутами диаметром 20–40 нм, составленными из нанотрубок диаметром 1,4 нм), так и с возможной структурной неравномерностью объектов. Для многослойных трубок результаты определений примерно такие же: 11–63 ГПа и 320–1470 ГПа. Углеродные нанотрубки (УНТ) примерно в 20 раз прочнее стальных сплавов. У однослойных УНТ, не имеющих дефектов, прочность на растяжение превышает 100 ГПа, что соответствует способности кабеля диаметром 1 мм2 удержать вес в 10 т. На практике величина измеренной прочности УНТ на растяжение оказалась много меньше – всего 28 ГПа, что связано с методом механических испытаний. Практически очень трудно изготовить образцы, не повредив при этом трубки. Измерения, проведенные с особой тщательностью (США, штат Иллинойс), показали, что для одиночной УНТ модуль Юнга оказался равным 1 ТПа, у алмаза разрушающее напряжение – 100 ГПа.

Основным параметром, характеризующим прочность нанотрубки, является модуль Юнга Е, который определяется выражением

256

где N – растягивающее усилие; h – толщина ее стенок.

Атомная природа упругого растяжения и сжатия едина и обусловлена характером зависимости потенциала взаимодействия атомов углерода от межъядерного расстояния. Оказалось, что величина модуля Юнга длинной цилиндрической оболочки не зависит от ее диаметра, но критическим образом зависит от толщины стенки цилиндра. Прочность на разрыв жгута из нанотрубок составляет около 45 ГПа, что примерно в 20 раз превышает прочность высокопрочной стали.

Аномально высокая пластичность была продемонстрирована при повышенных температурах порядка 2000 К. Как установлено, величина деформации на разрыв может достигать сотен процентов, в момент разрыва деформация составляла 280 %.

257

5. ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ ПРОДУКЦИИ

Входной контроль проводят с целью предотвращения запуска в производство продукции, не соответствующей требованиям конструкторской и нормативно-технической документации.

Задачи входного контроля, порядок его проведения регламентируются Межгосударственным стандартом ГОСТ 24297–87 «Входной контроль продукции. Основные положения» (утвержден постановлением Госстандарта СССР от 4 июня 1987 г. №1809).

Настоящий стандарт устанавливает основные положения по организации, проведению и оформлению результатов входного контроля сырья, материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий (далее – продукции), используемых для разработки, производства, эксплуатации и ремонта промышленной продукции.

5.1. Основные положения входного контроля продукции

Входной контроль проводят на предприятиях (в объединениях)

ив организациях, разрабатывающих и изготовляющих промышленную продукцию, а также осуществляющих ее ремонт. Его проводят с целью предотвращения запуска в производство продукции, не соответствующей требованиям конструкторской и нормативно-технической документации (НТД), договоров на поставку и протоколов разрешения.

Номенклатуру продукции, контролируемые требования, вид контроля и объем выборки или пробы определяют исходя из стабильности качества продукции поставщиков, степени освоения новых видов продукции, важности данного параметра для функционирования выпускаемой продукции и устанавливают в перечне продукции, подлежащей входному контролю.

Разделы перечня разрабатывают:

–конструкторские службы предприятия – по изделиям, предназначенным для комплектации;

–технологические службы предприятия – по сырью, материалам

иполуфабрикатам.

Перечни продукции, подлежащей входному контролю, согласовывают с отделом технического контроля (ОТК), метрологической службой, а также с Государственной приемкой и (или) представительством

258

заказчика и утверждают главный конструктор предприятия-разработ- чика и главный инженер предприятия-потребителя.

Перечень продукции, подлежащей входному контролю, должен содержать:

–наименование, марку (чертежный номер) и тип контролируемой продукции;

–обозначение НТД, требованиям которой должна соответствовать продукция;

–контролируемые параметры или пункты НТД, в которых они установлены;

–вид контроля, объем выборки или пробы, контрольные нормативы, разрешающие правила;

–средства измерения или их технические характеристики;

–гарантийный срок;

–указания о маркировке (клеймении) продукции по результатам входного контроля;

–допустимый расход ресурса при входном контроле (расход ресурса должен быть минимальным).

При необходимости в перечень допускается включать требования или указания, отражающие особенности продукции.

Входной контроль продукции устанавливают сплошным или выбо-

рочным. При установлении выборочного контроля планы контроля и правила приемки должны соответствовать установленным в НТД на продукцию. При необходимости потребитель может проводить дополнительные проверки продукции, не предусмотренные установленными требованиями. Объем и методы проверок согласовываются между потребителем и поставщиком, а также с Государственной приемкой и (или) представительством заказчика.

Технологическую документацию на процессы входного контроля по ГОСТ Р 50-609-40–01 разрабатывают технологические службы предприятия по согласованию с ОТК, а также с Государственной приемкой и (или) представительством заказчика и утверждает главный инженер предприятия.

Решение об ужесточении, ослаблении или отмене входного контроля принимает потребитель по согласованию с Государственной приемкой и представительством заказчика на основе результатов входного контроля за предшествующий период или результатов эксплуатации (потребления) продукции.

259

Важное значение имеет организация входного контроля. Входной контроль проводит подразделение входного контроля, входящее в состав службы технического контроля предприятия.

Основными задачами входного контроля являются:

–проверка наличия сопроводительной документации на продукцию, удостоверяющей качество и комплектность продукции;

–контроль соответствия качества и комплектности продукции требованиям конструкторской и нормативно-технической документации

иприменения ее в соответствии с протоколами разрешения;

–накопление статистических данных о фактическом уровне качества получаемой продукции и разработка на этой основе предложений по повышению качества и, при необходимости, пересмотра требований НТД на продукцию;

–периодический контроль за соблюдением правил и сроков хранения продукции поставщиков.

Входной контроль необходимо проводить в специально отведенном помещении (участке), оборудованном необходимыми средствами контроля, испытаний и оргтехникой, а также отвечающем требованиям безопасности труда. Рабочие места и персонал, осуществляющий входной контроль, должны быть аттестованы в установленном порядке. Средства измерений и испытательное оборудование, используемое при входном контроле, выбирают в соответствии с требованиями НТД на контролируемую продукцию и ГОСТ 8.002–86. Если метрологические средства и методы контроля отличаются от указанных в НТД, то потребитель согласовывает технические характеристики используемых средств и методы контроля.

Для проведения испытаний, проверок и анализов, связанных с входным контролем, продукция может быть передана в другие подразделения предприятия (лаборатории, контрольно-испытательные станции и др.).

При проведении входного контроля необходимо:

–проверить сопроводительные документы, удостоверяющие качество продукции, и зарегистрировать продукцию в журналах учета результатов входного контроля (прил. 1);

–проконтролировать отбор складскими работниками выборок или проб, проверить комплектность, упаковку, маркировку, внешний вид

изаполнить акт отбора выборок или проб;

260