Учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Контроль и испытания продукции для направления специальности 1-54 01 01-01 Метрология, стандартизация и сертификация (машиностроение и приборостроение)

131

внутри изделия. Наличие фосфовидных и нитридных включений и прослоек может привести к образованию дефектов четвертого вида–сквозных.

Рис. 2.21. Виды дефектов по положению в контролируемом объекте:

а — поверхностные; б — подповерхностные; в — объемные

По форме поперечного сечения сквозные дефекты бывают круглые

(поры, свищи, шлаковые включения) и щелевидные (трещины, непровары,

сечения) или ширине раскрытия (для щелей, трещин) сквозные дефекты

подразделяются на обыкновенные (>0,5 мм), макрокапиллярные (0,5...

2 · 10–4 мм) и микрокапиллярные (<2·10–4 мм).

По форме поперечного сечения сквозные дефекты бывают круглые

(поры, свищи, шлаковые включения) и щелевидные (трещины, непровары,

дефекты структуры, несплошности в местах расположения оксидных

и других включений и прослоек).

По величине эффективного диаметра (для дефектов округлого сечения)

или ширине раскрытия (для щелей, трещин) сквозные дефекты

подразделяются на гладкие и шероховатые. Относительно гладкой является внутренняя поверхность шлаковых каналов. Внутренняя поверхность трещин, непроваров и вторичных поровых каналов, как правило,

шероховатая. Положение дефекта влияет как на выбор метода контроля, так и на его параметры. Например, при ультразвуковом контроле положение

132

дефекта влияет на выбор типа волн: поверхностные дефекты лучше всего определяются рэлеевскими волнами, подповерхностные–головными волнами, а объемные–объемными (продольными) волнами. Опасность влияния дефектов на работоспособность зависит от их вида, типа и количества. Классификация возможных дефектов в изделии позволяет правильно выбрать метод и средства контроля.

2.4.3.1Дефекты металлоизделий

Большинство технических металлических материалов являются поликристаллическими, т.е. состоят из многих отдельных кристаллитов,

примыкающих друг к другу без зазоров. Кристаллы в поликристаллах,

в отличие от свободно выращенных, не имеют правильной геометрической

формы и называются кристаллитами или зернами. Их наблюдают на специально приготовленных и протравленных шлифах с помощью

оптического микроскопа. Диаметры зерен могут иметь размеры от нескольких микрометров до нескольких миллиметров; границы между ними

называют границами зерен. Внутри каждого зерна атомы располагаются

в правильном геометрическом порядке, который можно проиллюстрировать на моделях пространственных решеток (элементарных ячеек). На рис. 2.22

размеры решетки по сравнению с размерами зерна слишком велики;

в действительности период решетки составляет около 0,00001 диаметра зерна.

133

Рис. 2.22. Структура поликристаллического металлического сплава на примере стальной заклепки:

а –металлографический шлиф заклепки; б–структура металла: 1, 2–

примесные (чужеродные) атомы замещения и внедрения соответственно; 3–

краевая дислокация; 4–некогерентные выделения; 5–когерентные выделения;

6–тугоплавкие примесные включения; 7–линии скольжения;

8–выделения по границам зерен; 9–элементарная ячейка железа; 10–винтовая дислокация; 11–пленочные выделения по границам зерен; 12–вакансия; Д–

диаметр зерна В зернах всегда имеются дефекты кристаллического строения,

основными из которых являются дислокации. Металлы могут растворять примесные (инородные) атомы, которые как бы встраиваются в решетку

структурой представляют собой фазу. Чистые металлы всегда являются однофазными. В большинстве случаев сплавы состоят из нескольких фаз.

Различные фазы образуются в процессе охлаждения из расплава или

в результате последующей термической обработки вследствие изменения растворимости элементов с изменением температуры. Если решетка металла содержит больше примесных атомов, чем может раствориться при данной температуре, то из такого пересыщенного твердого раствора выделяются

134

разной степени дисперсные частицы, называемые фазами выделений.

образования фаз выделений являются границы зерен. Выделения по границам зерен могут либо образовывать сплошные оболочки вокруг зерен,

либорасполагаться в этих местах прерывисто. Тугоплавкие фазы, которые

в виде твердых частиц находятся в металлическом расплаве, в образующейся при затвердевании зернистой структуре распределены беспорядочно.

В структуре металлов различают следующие дефекты обработки:

усадочные раковины, корочки, трещины, пузыри, завороты корки, плены,

ликвации, литейные подрезы, неметаллические включения (волосовины,

флокены) и др. Так, например, усадочная раковина(рис. 2.23)–представляет собой полость, образовавшуюся вследствие уменьшения объема жидкого металла при его затвердевании. Внутренняя поверхность усадочной раковины неровная, с мелкими выступами и впадинами. В открытой раковине поверхность покрыта пленкой оксидов вследствие контакта металла с воздухом. В усадочной раковине скапливаются металлические включения,

всплывающие из жидкого металла на его поверхность.

Рис. 2.23. Структура слитка:

1–мелкозернистая корка; 2–зона столбчатых кристаллитов; 3–зона равноосных кристаллитов; 4–усадочная раковина; 5–рыхлоты («хвост»)

Причина образования усадочной раковины–уменьшение объема металла при затвердевании. Приразливки стали в изложницы,

расширяющиеся кверху, усадочная раковина образуется в центре верхней

135

части слитка, а при разливке в изложницы, расширяющиеся книзу–в нижней части слитка. При электрошлаковом, вакуумно-дуговом и электронно-

лучевом переплавах усадочную раковину выводят в верхнюю часть слитка.

Усадочная раковина при этих процессах менее развита, чем при разливке металла в изложницы.

Пузыри в литом металле представляют собой полости (округлые,

овальные или продолговатые–в виде каналов), образовавшиеся в результате выделения газов при кристаллизации. По расположению в слитках и литых слябах пузыри могут быть:

а) внутренние, расположенные произвольно;

б) подкорковые, расположенные у поверхности слитков и представляющие собой тонкие извилистые каналы (рис. 2.24);

в) поверхностные.

Рис. 2.24.Расположение пузырей в непрерывном слитке:

а–листовой слиток; б–сортовой слиток; в–незаварившийся при обработке давлением газовый пузырь

На поперечных шлифах не заварившиеся пузыри имеют вид полосок различной толщины (рис. 2.24, в). В микроструктуре в этом случае наблюдаются прослойки включений, соответствующие стенкам пузырей.

В деформированном металле дефект представляет собой разрывы или частичное отслоение, образовавшееся в результате раскатки завернувшихся корок или брызг. Типичный вид раскатанной корки в микроструктуре приведен на рис. 2.25. На микрошлифе в зоне дефекта отсутствуют крупные скопления неметаллических включений.

136

Рис. 2.25. Микроструктура стального слитка в зоне заворота корки

Трещины представляют собой нарушения сплошности в виде разрывов

представляют собой тонкие нарушения сплошности, образующиеся по границам кристаллитов при низкой прочности этих границ. Причиной

в последнюю очередь при малой прочности связи между кристаллитами,

представляет собой неоднородность сплавов по составу, образующуюся при их затвердевании. Ликвацией называется также процесс создания такой

неоднородности. Инородные, металлические включенияотличаются

по составу и структуре от основного металла и попадают в него из внешних

источников, которые могут быть весьма разнообразными: ферросплавы

и лигатуры, затонувшие куски прутков или маркировочных дужек, куски электродов. Маркировочные дужки попадают в слиток из прибыльной части;

в случае раннего погружения дужки в металл, высокой температуры металла и шлака концы дужки подплавляются и погружаются в тело слитка,

захватывая с собой и шлак (рис. 2.26).

137

Рис. 2.26. Шлаковое включение в зоне дефекта от расплава дужки (×100)

Инородные металлические включения обнаруживаются при контроле микроструктуры или при ультразвуковом контроле. Неметаллические включения (загрязнения) бывают двоякого рода и происхождения:

включения неметаллических частиц, попавших в металл извне (шлак,

огнеупор, графит, песок); включения частиц оксидов, сульфидов, силикатов,

нитридов, образующихся внутри металла, вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке сплава. Они располагаются в виде цепочек или сетки преимущественно по границам зерен; по форме бывают округлые и удлиненные; могут служить источниками зарождения трещин.

Воздействие эксплуатационных нагрузок, окружающей среды

(температура, влажность, пары кислот, щелочей, агрессивных компонентов топлива и т.п.), фазовые и структурные превращения, протекающие во времени в условиях воздействия эксплуатационных факторов при неблагоприятных сочетаниях могут вызвать зарождение и развитие эксплуатационных повреждений (коррозионные язвы, питтинги, фреттинг-

коррозия, трещины). Причины возникновения–износ, усталость, коррозия деталей, неправильная эксплуатация.

Эксплуатационные дефекты в условиях воздействия статических нагрузок–трещины однократного нагружения, вязкие трещины, хрупкие трещины, трещины ползучести. Характер разрушения в значительной степени определяется и уровнем действующих напряжений. В алюминиевых сплавах при относительно низком уровне напряжений излом в зоне

138

замедленного разрушения практически полностью межзеренный, при повышенных напряжениях–смешанный. Так, например, под влиянием растворенного водорода металлы могут настолько охрупчиваться, что уже при приложении малого растягивающего напряжения образуются трещины.

Источниками поступления водорода могут явиться термическая диссоциация воды при металлургических процессах (литье, сварка), диссоциация газов,

коррозия, гальванические процессы и т.п. При диффузии водорода извне границы зерен оказываются наиболее благоприятными путями диффузии;

они тем самым вносят преимущественный вклад в охрупчивание. Другими

разрушение, возможность которого определяется скоростью деформирования

и температурой. С повышением температуры переход от внутризеренного

к межзеренному разрушению смещается в область более высоких скоростей деформирования. Большое влияние на характер разрушения оказывает размер зерен и их разнозернистость. Для материала с разнородным зерном

растрескивание, происходящее при одновременном воздействии статических растягивающих напряжений (внешних и внутренних) и коррозионной среды.

При этом наблюдается хрупкое разрушение и оно направлено перпендикулярно действию растягивающих напряжений. Особенностью трещин при коррозионном растрескивании является их сильная разветвленность (рис. 2.27).

139

а) б)

Рис. 2.27. Межкристаллитная коррозия:

а –разветвленность коррозии по границам зерен; б–коррозионное

вибрационных или переменных нагрузок, и детали начинают работать при совпадении частот собственных колебаний с частотой возбуждающей силы.

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению называется усталостью.

нагружении принято говорить о малоцикловой усталости. Частным случаем усталостного разрушения является разрушение от действия повторно-

разрушением. С увеличением напряжения увеличивается роль механического фактора, с уменьшением напряжения и увеличением агрессивности среды– коррозионного. Одновременное действие коррозионной среды и переменного напряжения оказывают более сильное влияние, чем их суммарное, но

140

раздельное действие. Разрушение при коррозионной усталости может

начаться при напряжениях значительно ниже предела выносливости.

От этих очагов может практически одновременно начаться развитие

многих трещин. Коррозионно-усталостные трещины–это в большинстве случаев многочисленные трещины, разветвляющиеся по мере роста

и заканчивающиеся пучками, напоминающими корневую систему растений.

Они менее ориентированы, чем при усталостном разрушении без коррозионного влияния среды. При коррозионно-усталостном нагружении,

разрушение может проходить как по границам, так и по телу зерен.

Трещины контактной усталости представляют собой контактные усталостные выкрашивания, образующиеся на поверхности металлических

контактные разрушения–фреттинг-коррозия или контактная усталость

материалом из-за деформационного упрочнения. Сильная развальцовка языков может привести к образованию следов сдвига, которые могут быть местами зарождения усталостных трещин.

Разрушения под действием термических напряжений происходят только вследствие теплового градиента без приложения внешней механической нагрузки. Резкие одноразовые изменения температуры

приводят к возникновению так называемых термоударных

трещин.В участках изделия, примыкающих к поверхности, при охлаждении

возникают растягивающие напряжения, в глубине изделия–сжимающие.

В начальной стадии напряжение в резко охлажденном тонком внешнем слое очень велико, поскольку зоны материала, расположенные в глубине,

допускают деформацию только в ограниченной степени.