книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

Производственные дефекты. К производственным дефектам относится несоответствие требованиям нормативной докумен­ тации на изготовление или поставку продукции (ГОСТ 17102—71). Они возникают обычно в результате нарушений технологического процесса при производстве или восстановле­ нии деталей, узлов и машин в целом, а также при неправиль­ но назначенных технологических процессах.

Производственные дефекты, если они не были выявлены в процессе изготовления или восстановления изделия, прояв­ ляются, как правило, в начальный период эксплуатации.

Дефекты этой группы могут возникнуть вследствие приме­ нения материала не соответствующей марки, . отступления от размеров и допусков на изготовление и ремонт деталей, нару­ шения технологии механической или термической обработки деталей, нарушения технологических процессов сборки или ре­ гулировки машины или ее узлов и агрегатов и т. д.

В случае обнаружения производственных дефектов в про­ цесс эксплуатации или восстановления изделий необходимо тщательно выявлять причины их появления.

Д е ф е к т ы п л а в л е н и я и лит ь я . Неправильный расчет шихты или нарушение режима ведения плавки металла вызывает отклонение химического состава (и, как следствие, физических и химических свойств металла отливок) от задан­ ного, в результате чего изменяются механические свойства сплава, что может привести к преждевременному разрушению изготовленной из него детали, ее ускоренному износу и т. п.

Ликвация — несоответствие химического состава в отдель­ ных зонах слитка или детали. В зоне ликвации механические характеристики металла могут быть пониженными.

Газовые поры представляют собой оставшиеся после за ­ твердевания внутри отливки или в ее поверхностном слое рас­ творенные в жидком металле газы. Они имеют форму округ­ лых пузырьков и гладкую поверхность. Появляются в резуль­ тате плохой газопроницаемости формовочной земли, плохой вентиляции формы и стержней, неудовлетворительного качест­ ва металла и высокой температуры его заливки.

Земляные включения в отливках появляются в результате плохой отделки и очистки форм, небрежной их сборки, непра­ вильного выполнения литниковой системы и заливки форм не­ спокойной струей металла.

Шлаковые включения могут возникать в отливках в случае плохой очистки заливаемого металла и неправильного располо­ жения или отсутствия шлакоуловителей.

Неметаллические включения могут быть расположены в са­ мых различных местах отливки. Если литье не является конеч­

201

ной целью для получения детали, и слиток будет подвергаться обработке давлением, то при деформации слитка газовые по­ ры, неметаллические включения вытягиваются вдоль направ­ ления деформирования.

Усадочные раковины представляют собой пустоты, обра­ зующиеся из-за нарушения правильности усадки металла от­ ливок при неравномерном их охлаждении или недостатка ме­ талла в процесс его затвердевания. Обычно усадочная ракови­ на расположена в верхней части слитка (отливки). Появлению усадочных раковин способствуют неправильное расположение прибылей и холодильников, излишне высокая температура ме­ талла в момент заливки его и неудачная конструкция отливае­ мых деталей. Характерным для усадочных раковин является их неправильная форма и грубая поверхность. Если литье про­ изводилось с целью получения детали, в которых усадочные раковины недопустимы, то отливка бракуется. В слитках обыч­ но усадочная раковина вместе с частью слитка удаляется.

Спаи или неслитины представляют собой места отслоений металла отливок. Появляются неслитины в результате встречи струй недостаточно нагретого металла преимущественно в ме­ стах, где сечения отливок малы, или же вследствие перерывов струи металла при его заливке в формы, в результате чего между зернами основного металла появляются прослойки окислов.

Горячие трещины обычно образуются в момент затвердева­ ния металла в местах перехода от толстых сечений отливок к тонким. Они появляются в результате неправильной конструк­ ции отливки, плохой податливости формовочной земли, высо­ кой температуры заливаемого металла и неравномерного ох­ лаждения отливки. Внутренняя поверхность горячих трещин обычно окислена.

Холодные трещины возникают при более низких температу­ рах после затвердевания слитка. Их поверхность не имеет сле­ дов окисления и напоминает свежий излом. Появляются хо­ лодные трещины в результате резкого изменения температуры отливок и ударов, возникающих при бросании горячих отливок

ние трещины, разрывы. Растягивающие внутренние на­ пряжения могут привести к появлению разрывов и трещин ме­ талла не только в зонах, ослабленных дефектами слитка, но при достаточной их величине — к разрушению зон, не поражен­

202

ных дефектами. Следует отметить, что при обработке давлени­ ем металл неоднократно подвергается нагреву и охлаждению, что приводит к возникновению термических напряжений, спо­ собствующих образованию внутренних разрывов и трещин. При холодной объемной штамповке из-за недостаточной де­ формируемости исходных материалов на поверхности обраба­ тываемых деталей возникают скалывающие трещины. Эти тре­ щины обычно располагаются в плоскости наибольших сдви­ гающих напряжений, наклоненной под углом 45° к направле­ нию действующего усилия.

Риски появляются на поверхности прутка (проката) в ре­ зультате попадания мелких частиц на валки при прокате или износе матрицы при прессовании и имеют глубину 0,2—0,5 мм.

Волосовины являются результатом деформации неметалли­ ческих включений и газовых пузырей. Имеют вид тонких тре­ щин длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров и расположены на поверхности и в подповерхностном слое ме­ талла. Волосовины имеют глубину 0,5—1,5 мм.

Закаты возникают при избытке металла в валках (калиб­ рах) в виде заусенцев (складок), закатанных в диаметрально противоположных направлениях.

Плены — брызги жидкой стали, застывшие на поверхности слитка и раскатанные при прокатке в виде отслаивающихся с поверхности пленок, толщиной до 1,5 мм.

Расслоения возникают при обработке давлением слитка, имеющего усадочные раковины или рыхлоты, а также при про­ катке листа в результате плющения неметаллических включе­

ческий брак, при дальнейшей горячей объемной штамповке приводит к нарушению сплошности в поковке).

Флокены появляются наиболее часто в среднеуглеродистых и среднелегированных сталях при повышенном содержании в них водорода. Водород, растворенный в жидкой стали при ох­ лаждении и особенно при фазовых превращениях вследствие резкого понижения растворимости стремится выделиться. При этом он заполняет все пустоты вплоть до дефектов кристалли­ ческой решетки, и, превращаясь из атомарного в молекуляр­ ный, развивает огромные давления, приводящие к хрупкому разрушению металла. Флокены обычно появляются в централь­

203

представляющих в изломе пятна характерного серебристого цвета, округлой формы диаметром до 50 мм. Поковки, отштам­ пованные из металла, пораженного флокенами, иногда растрес­ киваются с отделением кусков металла. Это обнаруживается при закалке, после снятия припуска механической обработкой резанием или при поломке детали в эксплуатации.

Торцевые трещины появляются при резке главным образом крупных профилей проката, когда к моменту среза заготовка в результате больших удельных давлений под ножом сминает­ ся из круглого сечения в эллипс. В материале возникают боль­ шие внутренние напряжения, он растрескивается, иногда через 2—6 ч после резки. Брак возрастает по торцевым трещинам в зимнее время, так как низкая температура способствует растрескиванию металла даже при резке малых профилей. Подбор оптимальных условий резки сводит до минимума воз­ никновение торцовых трещин.

Зажим — заштампованная складка, появляется в результа­ те неправильного наполнения фигуры штампа металлом (встречное движение металла) или закатывания заусенцев, по­ лученных на первых переходах штамповки. Этот вид наруше­ ния сплошности иногда легко заметен после механической об­ работки детали.

Утонение и разрывы появляются в результате нарушения технологии производства. Если разрывы зачастую можно опре­ делить визуально (у средне- и крупногабаритных деталей), то недопустимую степень утонения следует определять специаль­ ными (например, радиоизотопными и др.) методами. Как прави­ ло, эксплуатационная надежность деталей, полученных посред­ ством глубокой вытяжки, определяется не столько отсутствием разрывов (трещин), сколько предельно допустимой степенью утонения, которую может получить материал в наиболее де­ формированных зонах детали. При эксплуатации изделий, со­ бранных из деталей, полученных глубокой вытяжкой, в резуль­ тате знакопеременных нагрузок может наступить разрушение детали в зоне утонения. Поэтому по мере увеличения объема листовой штамповки, актуальным становится проблема авто­ матического контроля степени утонения металла при вытяжке.

Д е ф е к т ы т е р м и ч е с к о й и х и м и к о - т е р м и ч е ­ с ко й о б р а б о т к и возникают при термической обработке из-за несоблюдения заданной температуры, времени выдержки, скорости нагрева и охлаждения детали. Перегрев приводит к образованию крупнозернистой структуры, оксидных и суль­ фидных выделений по границам зерен (в стали), пережог вызы­ вает не только образование крупного зерна, но и оплавление границ зерен, что способствует в дальнейшем разрушению ме­ талла.

204

Термические трещины (в том числе закалочные) возникают в металле при резких нагреве или охлаждении (например, при закалке). В этом случае появляются термические напряжения от температурного перепада по сечению, а также структурные напряжения, связанные с тем, что структурные превращения по сечению детали происходят неодновременно. В результате наложения термических напряжений на структурные в закали­ ваемой детали могут появиться закалочные трещины различ­ ной величины и ориентировки.

Обезуглероживание наблюдается в металле при нагреве стальных изделий в атмосфере, содержащей пары воды, угле­ кислый газ или водород. В этом случае происходит выгорание углерода в поверхностных слоях, что приводит к понижению прочности стали. В изделиях из инструментальной стали, про­ каливающихся полностью или на большую глубину и имеющих обезуглероженный слой, возникают поверхностные трещины глубиной до 1,2—2 мм (и даже больше). Они являются след­ ствием растягивающих напряжений, вызванных тем, что в обезуглероженном слое при закалке образуется низкоуглеродистый мартенсит с меньшим объемом, чем в сердцевине. Обезуглеро­ живание как процесс, способствующий образованию трещин — наиболее опасен для сталей с повышенным содержанием угле­ рода (С = 0,5%), мартенситное превращение которых в сердцевине протекает с большим изменением объема.

Науглероживание наблюдается в - металле при нагреве стальных изделий в атмосфере, содержащей избыточную окись углерода. Это приводит к насыщению поверхностных слоев уг­ леродом, что повышает хрупкость и склонность к трещинообразованию.

Водородные трещины возникают в металле из-за насыще­ ния поверхностного слоя стали водородом под действием ще­ лочей, кислот и специальных растворов при травлении и элек­ трохимической обработке. Насыщение поверхностного слоя во­ дородом приводит к резкому падению пластичности и к хруп­ ким разрушениям, очагом которых обычно становятся микро­ трещины, имеющиеся на поверхности детали.

Д е ф е к т ы м е х а н и ч е с к о й о б р а б о т к и . В поверх­ ностном слое металла, наклепанном при отделочных операци­ ях, возникают отделочные трещины. Поверхностные микротре­ щины в дальнейшем, при работе детали под нагрузкой, разви­ ваются (особенно при повышенной температуре).

Прижоги, шлифовочные трещины возникают при резком нагреве поверхностного слоя и последующего охлаждения стального изделия при шлифовке. Дефекты представляют собой или закаленные участки небольшой площади, или участ­ ки с сеткой трещин на поверхности детали. Шлифовочные тре­

2 0 5

щины малых размеров не имеют определенной ориентации или расположены в виде сетки; в стали, сильно перегретой при за ­ калке, они могут быть более глубокими (3—4 мм). Причинами появления шлифовочных трещин являются:

растягивающие напряжения, возникающие из-за нагрева и резкого охлаждения при шлифовании, а также в результате нагрева дальнейшего отпуска мартенсита с образованием в тонком поверхностном слое структур, имеющих меньший объ­ ем, чем мартенсит, сохраняющийся в нижележащих слоях;

превращение остаточного аустенита в поверхностном слое и образование более хрупких продуктов его превращения. Это заметно усиливает чувствительность к трещинам сталей, имею­ щих повышенное количество аустенита.

Как прижоги, так и шлифовочные трещины могут явиться причиной разрушения.

Д е ф е к т ы с о е д и н е н и я м е т а л л о в . В сварных соединениях вследствие нарушения режима сварки появляют­ ся металлургические дефекты. Так как при сварке металл под­ вергается расплавлению и затвердеванию, то можно ожидать возникновения всех дефектов, присущих литому металлу (ра­ ковины, поры, шлаковые включения). Кроме того, под воздей­ ствием высокой температуры в зоне термического влияния могут возникать изменения размеров зерна, перегрев, закалка и отпуск, горячие и холодные трещины.

Трещины зачастую возникают от внутренних напряжений, возникающих от усадки при охлаждении шва (технология сварки, а также основной металл или электроды не отвечают необходимым требованиям). Трещины в наплавленном метал­ ле, перпендикулярные оси шва, могут распространяться и на ■ основной металл. Иногда трещины могут возникнуть вдоль бо­ ковой стороны нагреваемой зоны.

Непровар — пустоты, образующиеся в результате плохой подготовки кромок свариваемых листов, малого расстояния между кромками по отношению к диаметру электрода. Типич­ ной картиной непровара в вершине шва на рентгеновском снимке является непрерывная или прерывистая темная полоса в центре шва.

Перечисленные выше дефекты обычно относятся к внутрен­ ним дефектам сварного шва. К наружным (внешним) относят: неполное заполнение шва; вогнутость на вершине шва; избы­ точное усиление (увеличение толщины шва);нахлест (наплав­ ление металла на основу); проплав; продольные канавки; под­ резы; смещение кромок шва, неровности в местах смены элек­ трода и др. В большинстве случаев внешние дефекты могут быть определены визуально.

2 0 6

Непропай возникает в паяных соединениях из-за недоста­ точной чистоты спаиваемых поверхностей или нарушения тем­ пературного режима пайки.

Непроклей возникает в клееных соединениях из-за плохой очистки склеиваемых поверхностей или нарушения темпера­ турного режима склейки.

Отслоение — характерный дефект в изделиях, изготавли­ ваемых из двухслойных металлов. Возникает как в процессе получения двухслоеных листов или труб, так и при их обра­ ботке давлением, сваркой. Прочность сцепления плакирующе­ го слоя с основным металлом зависит от ряда факторов, влия­ ние которых еще полностью не выяснено.

Эксплуатационные дефекты. К эксплуатационным относят­ ся такие дефекты деталей, узлов, агрегатов и машин в целом* которые возникают в результате изнашивания, коррозии, явле­ ния усталости и т. д., а также неправильного технического об­ служивания или эксплуатации. Техническое состояние машин в процессе эксплуатации не остается постоянным, оно с уве­ личением времени работы ухудшается, при этом из-за износов и повреждений снижается работоспособность, а следователь­ но, и надежность машин. Изменение технического состояния машин в процессе эксплуатации связано с неизбежными износами в отдельных элементах конструкции и появляющимися дефектами, повреждениями и неисправностями. Износ — это результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или остаточной деформации материала (ГОСТ 16429—70). В ре­ зультате износов изменяются рабочие параметры деталей, уз­ лов и агрегатов машин, а в итоге снижается их надежность.

Д е ф е к т ы , в о з н и к а ю щ и е в р е з у л ь т а т е и з н а ­ ш и в а н и я . В процессе эксплуатации машин изнашивание того или иного вида неизбежно. Его характер и скорость опре­ деляются конструктивными особенностями машин, материала­

ким видам изнашивания, но при этом почти всегда можно вы­ делить ведущий вид, который и будет лимитировать работо­ способность детали. Сопутствующие виды изнашивания при этом, как правило, будут мало влиять на работоспособность детали, но в отдельных случаях они могут резко ускорить про­ цесс изнашивания детали.

Изнашиванию подвержены сопряженные пары деталей* имеющие относительное перемещение. Изнашивание происхо­

20?

дит в результате действия сил трения и ударных нагрузок. Изнашивание при трении сопряженных подвижных деталей связано с механическими, теплофизическими и химическими процессами. Значительно усложняет анализ процессов изна­ шивания одновременное протекание процессов деформации поверхностных слоев деталей и тепловых явлений, деформации и адсорбции, деформации и диффузии и других одновременно протекающих процессов.

Интенсивность изнашивания зависит от механических и хи­ мических свойств материала трущейся пары, вида трения (без смазки, граничное или жидкостное), характера и величины на­ грузки, вида сопряжения и шероховатости поверхности, отно­ сительной скорости перемещения трущихся поверхностей, их взаимодействия с внешней средой и т. д. Изнашивание при тре­ нии в значительной степени зависит от прочности поверхност­ ных слоев, но пока еще не существует полностью разработан­ ной теории прочности поверхностных слоев при трении и изна­ шивании.

менно взаимодействуют с окружающей средой.

В результате изнашивания происходит постепенное измене­ ние размеров и формы деталей, следовательно, увеличиваются зазоры, принятые для данной сопряженной пары. В современ­ ных машинах зазоры между трущимися деталями исчисляются сотыми и тысячными долями миллиметра, поэтому часто даже небольшой износ может привести к нарушению нормальной ра­ боты машины. При возрастании зазора выше допустимого в сопряжении возникают ударные нагрузки, под действием кото­ рых интенсивность изнашивания еще больше возрастает. Р аз­ личается три периода изнашивания сопряженных пар (рис. 47). Начальный период или период приработки а характеризуется интенсивным изнашиванием трущихся поверхностей. Постепен-

208

ио изнашивание уменьшается и наступает период установив­ шегося изнашивания б (этот период характеризуется относи­ тельным постоянством скорости изнашивания при данных кон­ кретных условиях работы сопряженной пары). После превыше­ ния некоторой предельной величины допускаемого для данно­ го сопряжения износа, последний прогрессивно возрастает (период Ь), резко изменяются размеры и геометрическая фор­ ма деталей, следовательно, и зазоры, т. е. нарушается нормаль­ ная работа деталей и возникает необходимость в их ремонте.

Необходимо иметь в виду, что при одинаковых условиях изнашивания после приработки устанавливается оптимальная, с точки зрения износа, шерохо­ ватость, независимо от перво­ начальной шероховатости, по­ лученной при механической об­ работке (рис. 48).

При трении деталей машин различаются следующие виды изнашивания (по ГОСТ

16429—70);

механическое-, абразивное,

гидроабразивное, газоабразив­ ное, эрозионное, усталостное и кавитационное;

молекулярно - механическое

(или изнашивание при заеда­ нии) ;

коррозионно - механическое:

окислительное, изнашивание при фреттинг-коррозии.

В основе всех видов изна­ шивания лежат процессы пла­ стических деформаций, упроч­ нения, возникновения металли­ ческих связей и их разрушения,

адсорбции, диффузии и образования химических соединений, возникновения термоэлектронного эффекта,нагрева и измене­ ния свойств металла в результате тепловых явлений, микро­ резания и усталостных явлений.

Кратко рассмотрим основные, наиболее часто встречающие­ ся, виды изнашивания.

Абразивное — это изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц.

Оно возникает при наличии абразивной среды в зоне трения и может существовать в самом широком диапазоне скоростей скольжения и удельных давлений. Сущность абразивного из­ нашивания не меняется в том случае, если абразивные части­ цы попадают в трущиеся сопряжения не извне, а образуются в самом процессе трения. Абразивное изнашивание характе­ ризуется внедрением абразивных частиц в металл поверхно­ стей трения при их проскальзывании и срезании микрообъе­ мов металла с этих поверхностей трения. Абразивные частицы, имеющие тупые углы и небольшую высоту выступающих ча­ стей, не режут, а скользят с большими усилиями по поверхно­ сти трения, пластически деформируя при этом поверхностные слои металла. Поэтому при абразивном изнашивании проис­ ходит также местное упрочнение поверхностных слоев за счет пластической деформации.

Гидроабразивное — это изнашивание в результате воздей­ ствия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости, а газоабразивное — это изнашивание в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком газа.

Эрозионное — это изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или газа. Этот вид изнашива­ ния включает собственно эрозионное разрушение, а также элементы трения и коррозии. Происходит по еще недостаточно полно вскрытым закономерностям физики твердого тела и учения о явлениях в поверхностных слоях под действием внеш­ них сил. Эрозионное изнашивание наблюдается при обтекании деталей потоком жидких или газообразных частиц, а также при электрических разрядах. Вследствие ударов о поверхность металла мельчайшие частицы потока разрушают его поверх­ ностный слой. Эрозионный износ возрастает с повышением ше­ роховатости поверхности и с увеличением кинетической энер­ гии частиц потока, особенно если деталь или поток имеют высокую температуру. Если носителем частичек является агрессивная среда, то возникающее химическое взаимодей­ ствие приводит к еще более значительному износу. Изнашива­ ние может происходить или в виде равномерного «сдувания» мельчайших частичек поверхностного слоя детали, или в виде явно выраженного локального разрушения поверхности. Эро­ зионный износ зависит от механических свойств материала де­ тали, состояния поверхности и параметров воздействующего потока частиц и среды. Эрозионное изнашивание можно под­

Усталостное — это изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирова­

210