- аварийные;

5) по возможности устранения -

• на устранимые, устранение которых технически возможно и экономически целесообразно, и

• неустранимые.

Примечание. Отнесение дефекта к той или иной категории определяет­ся техническими возможностями и экономической целесообразностью. По мере совершенствования технологических процессов неустранимые дефекты могут стать устранимыми;

6) по возможности использования продукции -

• на критические (делают использование продукции практичес­ки невозможным или недопустимым),

• значительные (оказывают существенное влияние на возмож­ность использования изделия по назначению или снижают его дол­говечность) и

• малозначительные (не оказывают существенного влияния ни на использование изделия по назначению, ни на его долговечность).

Примечание. Подразделение дефектов на критические, значительные и малозначительные служит основанием для назначения выборочного или сплошного качества продукции, а также в случае выборочного контроля -для назначения риска потребителя (заказчика). Если есть вероятность появления критического дефекта, то необходим сплошной (а иногда и нео­днократный) контроль. Выборочный контроль в случае возможности появ­ления значительного дефекта допускается, если значение риска потреби­теля достаточно низкое. При вероятности появления малозначительного дефекта выборочный контроль может применяться и при относительно высоком значении риска потребителя.

Возможны случаи, когда несколько малозначительных дефектов могут быть равноценны значительному или даже критическому дефекту.

2.3.1. Конструктивные дефекты

Конструктивные дефекты - это несоответствие требованиям тех­нического задания или установленным правилам разработки (модер­низации) продукции. Они являются следствием несовершенства кон­струкции и ошибок при конструировании. Причины таких дефектов могут быть различными:

1. неправильный выбор материалов;

2. неправильное назначение режимов термической обработки;

3. неправильное назначение допусков в сопряжениях;

4. заниженный класс чистоты поверхности деталей;

5. неверное определение размеров деталей (результатом этого мо­гут быть слишком большие действующие напряжения);

6. нерационально выбранная форма детали;

7. малые радиусы галтелей (это может явиться причиной слиш­ком больших коэффициентов концентрации напряжений в опасных сечениях);

8. создание концентраторов напряжений в опасных сечениях (на­пример, расположение отверстия для смазки в месте с высоким уров­нем напряжений);

9. малая выносливость деталей изделия;

10) низкая жесткость конструкции (повышение вибрации); и т. д.

Своевременное выявление конструктивных дефектов позволит непрерывно совершенствовать выпускаемую продукцию, повышать ее надежность и долговечность.

2.3.2. Производственные дефекты и их обнаружение

К этим дефектам относится несоответствие требованиям норма­тивной документации на изготовление или поставку продукции. Они возникают обычно в результате нарушений техпроцесса при произ­водстве или восстановлении деталей, узлов и машин в целом, а так­же при неправильно назначенных технологических процессах.

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

Дефекты этой группы могут возникнуть вследствие применения материала не соответствующей марки, отступления от размеров и допусков на изготовление и ремонт деталей, нарушения технологии механической или термической обработки деталей, нарушения тех­нологических процессов сборки или регулировки изделия или его уз­лов и блоков и т. д.

Дефекты плавления и литья

Литье - это технологический процесс изготовления заготовок и изделий путем заполнения жидким материалом формы или излож­ницы с последующим его затвердеванием. Изложница - это форма простых геометрических очертаний обычно с небольшой конуснос­тью. Отлитый в изложницу слиток является заготовкой для даль­нейшей обработки. Литейная форма имеет конфигурацию, близко или точно (точное литье) повторяющую конфигурацию изделия. Для получения пустотелых отливок в форму вставляют стержни, воспро-

изводящие конфигурацию внутренних полостей. Формы и изложни­цы делают разъемными для удобства извлечения слитка или отлив­ки. Через литниковую систему в них заливают жидкий материал и обеспечивают возможность выхода образующихся газов и излишков материала.

Отклонение химического состава (и, как следствие, физичес­ких и химических свойств металла отливок) от заданного вызыва­ется неправильным расчетом шихты или нарушением режима веде­ния плавки металла. Этот дефект является неустранимым. В резуль­тате изменяются механические свойства сплава, что может привести к преждевременному разрушению изготовленной из него детали, ее ускоренному изнашиванию и т. п.

Дефект обнаруживают с помощью экспрессного химического ана­лиза жидкого или застывшего металла, а также применяя электри­ческие (по изменению термоЭДС) и электроиндуктивные методы кон­троля.

Ликвация - неоднородность химического состава в отдельных зонах слитка или детали. Возникает как из-за плохого перемешива­ния жидкого металла, так и в процессе остывания и кристаллизации материала отливки. В зоне ликвации механические характеристики металла могут быть пониженными. Различают следующие виды лик-ваций. Дендритная ликвация - неоднородность химического соста­ва по объему зерна (по скелету кристалла, имеющего древовидное, или дендритное, строение). Вызвана тем, что при остывании снача­ла кристаллизуется аустенит* с малым содержанием углерода, а за­тем - с большим. Ликвация по удельному весу проявляется в обога­щении нижней части слитка или отливки компонентами с большим удельным весом в результате плохого перемешивания жидкого ме­талла. Зональная ликвация проявляется в отличии химического со­става металла в дендритах и междендритных промежутках, в обога­щении легкоплавкими составляющими центральной части слитка.

Ликвацию обнаруживают по разному поглощению рентгеновских и гамма-лучей, химическим и металлографическим анализом повер­хностей или сечений металла.

Газовые поры представляют собой оставшиеся после затвердева­ния внутри отливки или в ее поверхностном слое растворенные в жидком металле газы. Они имеют форму округлых пузырьков и глад­* Аустенит - высокотемпературная аллотропическая модификация желе­за. Имеет кристаллическую решетку в виде гранецентрированного куба. До­вольно хорошо растворяет углерод: атом углерода внедряется в центр куба. Неферромагнитен и в отличие от низкотемпературной модификации железа не ржавеет.

кую поверхность. Поры объединяются иногда в более крупные газо­вые пузыри. Появляются в результате плохой газопроницаемости формовочной земли, плохой вентиляции формы и стержней, неудов­летворительного качества металла и высокой температуры его за­ливки. Если поры и газовые пузыри в слитке имеют неокисленную поверхность, то он заваривается в процессе обработки давлением. В высококачественной отливке поры и пузыри недопустимы.

Для обнаружения применяют радиационные методы контроля.

Неметаллические включения возникают от недостаточной очис­тки зеркала расплавленного металла от шлака и флюса перед раз­ливкой, плохого отвода их в процессе разливки. К включениям отно­сят также окислы железа и различных металлов, добавляемых в про­цессе плавки, частицы огнеупорного и формовочного материала, элек­тродов и т. п. Включения могут быть расположены в самых различ­ных местах отливки. Земляные включения в отливках появляются в результате плохой отделки и очистки форм, небрежной их сборки, неправильного выполнения литниковой системы и заливки форм неспокойной струей металла. Шлаковые включения могут возни­кать в отливках в случае плохой очистки заливаемого металла и не­правильного расположения или отсутствия шлакоуловителей. Спе­цифическим типом включений являются окисные плены в виде тон­ких и хрупких прослоек окисленного металла. Они образуются на зеркале и в струе расплавленного металла.

Перечисленные дефекты при превышении определенных размеров недопустимы как в отливках, так и в слитке. Если литье не является конечной целью для получения детали и слиток будет подвергаться обработке давлением, то при деформации слитка газовые поры и не­металлические включения лишь вытягиваются вдоль направления деформирования, но не устраняются.

Неметаллические включения обнаруживают радиационными и ультразвуковыми методами контроля, а плены - ультразвуковыми. В случае выхода на поверхность их обнаруживают методами поверх­ностной дефектоскопии.

Усадочные раковины представляют собой пустоты, образующи­еся из-за нарушения правильности усадки металла отливок при не­равномерном их охлаждении или недостатка металла в процессе его затвердевания. Механизм образования усадочных раковин в общем случае состоит в следующем. Верхнюю часть изложницы (или слож­ной литейной формы) утепляют, замедляя теплоотвод. В результате здесь металл застывает последним. При застывании объем металла уменьшается, из него выделяются газы. В результате этих причин в верхней части слитка образуется усадочная раковина. Появлению

усадочных раковин способствуют: неправильное расположение при­былей и холодильников, излишне высокая температура металла в момент его заливки и неудачная конструкция отливаемых деталей. Характерным для усадочных раковин является их неправильная форма и грубая поверхность. Если литье производилось с целью по­лучения деталей, в которых усадочные раковины недопустимы, то отливка бракуется. В слитках обычно усадочная раковина вместе с частью слитка удаляется.

Вблизи поверхностей усадочных раковин возникают усадочные рыхлоты. Распространяясь в глубину слитка, рыхлота образует «хвост». Поверхность раковины и рыхлого металла сильно окисле­на, и при дальнейшей обработке давлением этот дефект не заварива­ется. Поэтому часть слитка, содержащую раковину и рыхлоту, уда­ляют, «с запасом» обрезая также часть здорового металла.

Применение радиационного или ультразвукового контроля позво­ляет более точно определить местоположение усадочной раковины и избежать удаления излишков металла. Полноту удаления рыхлоты проверяют путем контроля места отрезки методами поверхностной дефектоскопии (визуальными, магнитопорошковыми, капиллярны­ми, вихретоковыми).

Неспаи и неслитины представляют собой места отслоений метал­ла отливок. Появляются в результате встречи струй недостаточно нагретого металла преимущественно в местах, где сечения отливок малы, или же вследствие перерывов струи металла при его заливке в формы. При этом между зернами основного металла появляются тон­кие прослойки несоединившегося металла (прослойки окислов). За-ливинами называют наплывы на поверхности слитка или отливки. Они образуются в результате прорыва жидкого металла из внутрен­них слоев через кристаллизовавшуюся корку. Отслоения возника­ют от брызг металла, попавших на стенки изложницы или формы, а затем слабо соединившихся с заполняющим форму металлом.

Наружные дефекты этих типов обнаруживают поверхностными методами дефектоскопии, а внутренние (некоторые неслитины) -ультразвуковым методом. Эти дефекты удаляют зачисткой поверх­ности или вырубкой.

Наиболее опасным видом дефектов литья являются трещины.

Горячие трещины обычно образуются в момент затвердевания металла в местах перехода от толстых сечений отливок к тонким. Они возникают в результате разрушения закристаллизовавшегося скелета сплава под действием термических и усадочных напряже­ний, особенно при быстром твердении сплава, когда термическому сжатию металла мешает литейная форма. Горячие трещины появля-

ются в результате неправильной конструкции отливки, плохой по­датливости формовочной земли, высокой температуры заливаемого металла и неравномерного охлаждения отливки. Внутренняя повер­хность горячих трещин обычно сильно окислена, в изломе имеет тем­ный цвет.

Холодные трещины возникают также под действием термичес­ких и усадочных напряжений, но они образуются при более низких температурах после затвердевания слитка, даже, когда металл нахо­дится вне формы. Причиной их образования являются: резкое изме­нение температуры отливок, разные скорости охлаждения разных участков (например, тонких и толстых элементов отливки), а также удары, возникающие при бросании горячих отливок и их обрубке. Поверхность холодных трещин светлая, не имеет следов окисления и напоминает свежий излом.

Внутренние трещины выявляют радиационными и ультразвуко­выми методами НК. Трещины исправляют вырубкой и подваркой металла с обязательным последующим контролем на отсутствие тре­щин в местах ремонта.

Сдвиги одной части отливки относительно другой также могут быть дефектом отливок.

Дефекты обработки давлением

Существует большое количество различных способов обработки металлов давлением: свободная ковка (ударное воздействие), прес­сование (неударное воздействие), штамповка (ковка или прессова­ние в форму-штамп), высадка (продавливание сквозь отверстие), во­лочение (протаскивание металла через отверстие-оправку для полу­чения прутка, проволоки), прокатка и др. Обработка давлением по­зволяет получить металл требуемой формы, уплотняет его, завари­вает некоторые дефекты, измельчает структуру, улучшает механи­ческие свойства.

Дефекты продукции после обработки давлением подразделяются на две группы: связанные с дефектами исходного слитка и вызывае­мые самой обработкой. Рассмотрим вначале дефекты первой группы.

Шлаковые включения в исходных заготовках - металлургичес­кий брак, при дальнейшей горячей объемной штамповке приводит к нарушению сплошности в поковке.

Ликвация по химическому составу.

Волосовины являются результатом деформации неметаллических включений и газовых пузырей. Имеют вид тонких трещин длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров и расположены на

поверхности и в подповерхностном слое металла. Волосовины имеют глубину 0,5-1,5 мм.

Расслоения возникают при обработке давлением слитка, имею­щего усадочные раковины или рыхлоты, а также при прокатке листа в результате плющения неметаллических включений или газовых пузырей. Расслоения - внутренние нарушения сплошности, распо­лагающиеся по направлению волокна. При горячей штамповке дета­лей из заготовок с расслоением этот вид брака становится иногда за­метным после обрезки заусенца (облоя).

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

Незаварившиеся в процессе деформации поверхностные и внут­ренние трещины слитка; « скворечники» - раскрытые в процессе горячей деформации термические трещины, образующие полости раз­личных размеров и очертаний.

К дефектам второй группы, вызванным непосредственно обра­боткой давлением, относятся следующие.

Ковочные трещины (поверхностные и внутренние),разрывы — появляются из-за значительных напряжений в металле при деформа­ции в поковке (штамповке, прокате). Растягивающие внутренние на­пряжения могут привести к появлению разрывов и трещин металла не только в зонах, ослабленных дефектами слитка, но при достаточной их величине - к разрушению зон, не пораженных дефектами. Следует от­метить, что при обработке давлением металл неоднократно подвергает­ся нагреву и охлаждению, что приводит к возникновению термических напряжений, способствующих образованию внутренних разрывов и трещин. При холодной объемной штамповке из-за недостаточной де­формируемости исходных материалов на поверхности обрабатываемых деталей возникают скалывающие трещины. Эти трещины обычно рас­полагаются в плоскости наибольших сдвигающих напряжений, накло­ненной под углом 45° к направлению действующего усилия.

Рванины - грубые надрывы на поверхности металла, возникшие вследствие недостаточной его пластичности. Это происходит, когда температура обрабатываемого металла оказывается ниже уровня, необходимого для того, чтобы металл выдержал заданную деформа­цию. Рванины возникают также при разной скорости деформирова­ния различных слоев металла.

Прессутяжины - это конусообразные нарушения сплошности в центральной зоне прутка, изготавливаемого прессованием или воло­чением. Они возникают при опережающем течении наружных слоев металла по отношению к внутренним.

Заковы и закаты - возникают при избытке металла в валках (калибрах). Избыток металла при деформации заворачивается в складки и вновь прижимается к поверхности; складки вдавливают­ся и раскатываются на поверхности металла в диаметрально проти­воположных направлениях.

Зажим - заштампованная складка, появляется в результате не­правильного наполнения фигуры штампа металлом (встречное дви­жение металла) или закатывания заусенцев, полученных на первых переходах штамповки. Этот вид нарушения сплошности иногда лег­ко заметен после механической обработки детали.

Вмятины - местные углубления на поверхности заготовки, вы­зываемые попаданием посторонних частиц на поверхность бойка, штампа, валка.

Риски - канавки на поверхности заготовок, полученных прессо­ванием, прокаткой или волочением (прутка, проката). Появляются в результате попадания мелких посторонних частиц на поверхность оправки или штампа, или (при прокате) на валки, или при износе матрицы при прессовании. Риски могут также оставаться как след от грубой поверхности слитка. Они имеют глубину 0,2-0,5 мм.

Флокены - тонкие извилистые трещины, представляющие в из­ломе светлые пятна характерного серебристого цвета, округлой фор­мы диаметром до 50 мм. Они появляются наиболее часто в среднеуг-леродистых и среднелегированных сталях при повышенном содер­жании в них водорода. Водород, растворенный в жидкой стали при охлаждении и особенно при фазовых превращениях, вследствие рез­кого понижения растворимости стремится выделиться. При этом он заполняет все пустоты вплоть до дефектов кристаллической решет­ки, и, превращаясь из атомарного в молекулярный, развивает ог­ромные давления, приводящие к хрупкому разрушению металла. Флокены обычно появляются в центральной зоне кованых или ката­ных заготовок крупных сечений и реже - в слитках. Поковки, от­штампованные из металла, пораженного флокенами, иногда растрес­киваются 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 сминается из круглого сече­ния в эллипс. В материале возникают большие 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 ма-

лых профилей. Подбор оптимальных условий резки сводит до мини­мума возникновение торцевых трещин.

Отклонение от номинальных размеров,разнотолщинность, утонение и утолщение прокатных, прессованных, тянутых полу­фабрикатов (листов, труб, прутков), разрывы появляются в резуль­тате нарушения технологии производства, чаще всего - неправиль­ной установки инструмента (валков листопрокатного стана, иглы трубопрокатного стана, оправки волочильного станка).

Если разрывы зачастую можно определить визуально (у средне- и крупногабаритных деталей), то недопустимую степень утонения сле­дует определять специальными (например, радиоизотопными и др.) методами. Как правило, эксплуатационная надежность деталей, по­лученных посредством глубокой вытяжки, определяется не столько отсутствием разрывов (трещин), сколько предельно допустимой сте­пенью утонения, которую может получить материал в наиболее де­формированных зонах детали. При эксплуатации изделий, собран­ных из деталей, полученных глубокой вытяжкой, в результате зна­копеременных нагрузок может наступить разрушение детали в зоне утонения. Поэтому по мере увеличения объема листовой штамповки актуальной становится проблема автоматического контроля степе­ни утонения металла при вытяжке.

Грубые наружные дефекты продукции, обработанной давлением (вмятины, рванины, некоторые риски, плены, заковы), выявляют визуально. Более тонкие дефекты того же типа обнаруживают мето­дами поверхностной дефектоскопии: магнитным, капиллярным, вих-ретоковым. Для выявления внутренних дефектов радиационный ме­тод применяют редко. Он эффективен только в тех случаях, когда дефекты (прессутяжины, скворечники) имеют объемный характер. Сжатые при деформации внутренние дефекты могут быть обнаруже­ны только ультразвуковыми методами (эхо или теневым).

Для контроля продуктов прокатки и волочения необходимо обес­печить высокую производительность контроля. В этом случае при­меняют ультразвуковые, вихретоковые, а также индуктивные, фер-розондовые и тому подобные методы магнитного контроля. Эти же методы применяют для измерения толщины изделий при односто­роннем доступе.

Дефекты термической и химико-термической обработки

Термическая обработка состоит в нагреве, последующем охлажде­нии металлов и сплавов по определенному закону и направлена на из­менение их свойств в результате изменения их внутренней структуры.

Целью термической обработки является снятие внутренних напряже­ний, а также повышение прочности, пластичности и вязкости метал­ла. Специфическими видами термообработки являются поверхност­ная и химико-термическая обработка. В этом случае воздействию под­вергают локальные (обычно поверхностные) зоны металла. К этой тех­нологической операции можно отнести также электрохимическую об­работку, с помощью которой на поверхность наносят покрытие.

Дефекты при термической обработке возникают из-за несоблюде­ния заданной температуры, времени выдержки, скорости нагрева и охлаждения детали. Перегрев приводит к образованию крупнозер­нистой структуры, оксидных и сульфидных выделений по границам зерен (в стали); пережог вызывает не только образование крупного зерна, но и оплавление границ зерен, что способствует в дальнейшем разрушению металла.

Термические трещины (в том числе закалочные) возникают в металле при резких нагреве и 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 закаливаемой детали могут появиться закалочные трещины различной величины и ориентировки.

Обезуглероживание наблюдается в металле при нагреве сталь­ных изделий в атмосфере, содержащей пары воды, углекислый газ или водород. В этом случае происходит выгорание углерода в поверх­ностных слоях, что приводит к понижению прочности стали. В изде­лиях из инструментальной стали, прокаливающихся полностью или на большую глубину и имеющих обезуглероженный слой, возника­ют поверхностные трещины глубиной до 1,2-2 мм (и даже больше). Они являются следствием растягивающих напряжений, вызванных тем, что в обезуглероженном слое при закалке образуется низкоугле­родистый мартенсит с меньшим объемом, чем в сердцевине. Обезуг­лероживание как процесс, способствующий образованию трещин, наиболее опасен для сталей с повышенным содержанием углерода (C = 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 углеродом, что повы­шает хрупкость и склонность к трещинообразованию.

Водородные трещины возникают в металле из-за насыщения поверхностного слоя стали водородом под действием щелочей, кис-

лот и специальных растворов при травлении и электрохимической обработке. Насыщение поверхностного слоя водородом приводит к резкому падению пластичности и к хрупким разрушениям, очагом которых обычно становятся микротрещины, имеющиеся на поверх­ности детали.

Образование мягких пятен на закаленной поверхности происхо­дит в результате недостаточного нагрева отдельных участков.

Разрушающие методы контроля термообработки состоят в изуче­нии изломов и шлифов (металлографический анализ) образцов, вы­резанных из металла. Неразрушающими методами контроля термо­обработки являются магнитный, вихретоковый и ультразвуковой. Для обнаружения трещин применяют методы поверхностной дефек­тоскопии и ультразвуковые методы с использованием поверхност­ных волн.

Дефекты механической обработки

Наиболее частым дефектом механической обработки является не­соответствие геометрических размеров, несоблюдение требова­ний к чистоте поверхности. Такой дефект обычно определяют ме­ханическими измерительными средствами, из неразрушающих ме­тодов для этой цели применяют оптические.

Дефекты типа несплошностей в процессе механической обработ­ки возникают редко. Например, при обработке резанием металла, в котором имеются большие поверхностные напряжения, могут воз­никнуть трещины.

В поверхностном слое металла, наклепанном при отделочных опе­рациях, возникают отделочные трещины. Поверхностные микро­трещины в дальнейшем, при работе детали под нагрузкой, развива­ются (особенно при повышенной температуре).

Прижоги, шлифовочные трещины возникают на операции шли­фовки, при которой происходит резкий нагрев поверхностного слоя металла и последующее его охлаждение. Это может привести к появ­лению прижогов - локальных перезакаленных участков небольшой площади или участков с сеткой мелких шлифовочных трещин на поверхности детали. Шлифовочные трещины малых размеров не имеют определенной ориентации или расположены в виде сетки; в стали, сильно перегретой при закалке, они могут быть более глубо­кими (3-4 мм). Причинами появления шлифовочных трещин явля­ются:

а) растягивающие напряжения, возникающие из-за нагрева и рез­кого охлаждения при шлифовании, а также в результате нагрева и

дальнейшего отпуска мартенсита с образованием в тонком поверхно­стном слое структур, имеющих меньший объем, чем мартенсит, со­храняющийся в нижележащих слоях;

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

Как прижоги, так и шлифовочные трещины могут явиться причи­ной разрушения. Поверхностные трещины обнаруживают капилляр­ным, магнитным и вихретоковым, а прижоги - склерометрическим, магнитным и термоэлектрическим методами.

При правке, рихтовке, монтаже оборудования также могут появ­ляться рихтовочные и монтажные трещины, ориентированные поперек направления максимальных растягивающих напряжений. Для их обнаружения помимо названных методов используют ульт­развуковые и радиационные, когда поверхность с возможными тре­щинами после монтажа недоступна наблюдению.

Дефекты соединения материалов

Неразъемные соединения материалов выполняют сваркой, пай­кой, склейкой, клепкой.

1. Дефекты сварки. Все способы сварки разделяют на две груп­пы: сварку плавлением и давлением. В первом случае свариваемые заготовки располагают на некотором расстоянии друг от друга и осу­ществляют расплавление кромок заготовок и заполнение разделки присадочным или оплавленным основным металлом. Во втором слу­чае также возможно расплавление кромок, но сварку осуществляют при сдавливании свариваемых заготовок. Каждому виду сварки свой­ственны свои характерные дефекты.

1.1. Для сварки плавлением вследствие нарушения режима свар­ки свойственны некоторые металлургические дефекты. Посколь­ку при сварке металл подвергается расплавлению и затвердеванию, то могут возникать все дефекты, присущие литому металлу: усадоч­ные раковины, поры (иногда поры располагаются цепочками, груп­пами), включения (шлаковые, флюсовые, окисные, сульфидные, ме­таллические). Кроме того, под воздействием высокой температуры в зоне термического влияния могут возникать изменения размеров зер­на, перегрев, закалка и отпуск, горячие и холодные трещины.

Специфическими дефектами сварки являются непровары - пус­тоты, местные несоединения, образующиеся в результате неполного расплавления кромок свариваемых листов, а также малого расстоя-

ния между кромками по отношению к диаметру электрода. Типич­ной картиной непровара в вершине шва на рентгеновском снимке является непрерывная или прерывистая темная полоса в центре шва.

Особенно опасный дефект - сварочные трещины, возникающие обычно в процессе остывания сварного соединения. Они могут по­явиться не только в наплавленном металле, но также в основном металле соединения в зоне термического влияния на него сварочного процесса. Трещины часто возникают от внутренних напряжений, возникающих от усадки при охлаждении шва (технология сварки, а также когда основной металл или электроды не отвечают необхо­димым требованиям). Трещины в наплавленном металле, перпенди­кулярные оси шва, могут распространяться и на основной металл. Иногда трещины могут возникнуть вдоль боковой стороны нагревае­мой зоны.

Трещины и непровары обычно относятся к внутренним дефектам сварного шва. К наружным (внешним) относят: неполное заполне­ние шва; вогнутость на вершине шва; избыточное усиление (увели­чение толщины шва); нахлест (наплавление металла на основу); про­плав; продольные канавки; подрез (углубление в основном металле вдоль линии сплавления); смещение кромок шва; неровности в мес­тах смены электрода, прожог в виде сквозного отверстия, образовав­шегося в результате вытекания сварочной ванны и др.

Причиной возникновения перечисленных дефектов сварки явля­ется неправильный состав сварочных материалов (электродов, флю­сов), неправильная подготовка к сварке (неверная форма разделки, неверно выбрано расстояние между свариваемыми заготовками), на­рушение режима сварки. Трещины могут возникать также в резуль­тате неправильной конструкции сварного изделия, неправильного термического режима сварки, наличия включений, расслоений и дру­гих дефектов в основном металле.

В большинстве случаев внешние дефекты могут быть определены визуально. Для выявления внутренних и некоторых поверхностных несплошностей применяют радиационные и ультразвуковые мето­ды. Герметичные сварные конструкции проверяются методами тече-искания.

1.2. В сварке давлением встречаются некоторые дефекты, харак­терные для сварки плавлением, например, поры, шлаковые включе­ния, смещение кромок и др.

Специфическим дефектом сварки давлением является слипание. Это хрупкое и непрочное соединение свариваемых заготовок, окис­ленное в большей или меньшей степени. Оно возникает при недоста-

точно хорошей очистке свариваемых поверхностей, недостаточном расплавлении металла кромок. Отсутствие надежных средств обна­ружения слипаний препятствует широкому применению сварки дав­лением при изготовлении ответственных конструкций, несмотря на ее очень высокую производительность.

2. Дефекты пайки. Пайкой называется способ соединения твер- дых материалов путем заполнения зазора между ними жидким отно- сительно более легкоплавким сплавом-припоем - с образованием между паяемым материалом и припоем прочной связи. Сцепление между ними возникает в результате диффузионного взаимодействия материала заготовки и жидкого припоя с последующей кристалли- зацией.

Непропай - основной тип дефекта пайки. Он возникает из-за не­достаточно тщательной очистки спаиваемых поверхностей или на­рушения температурного режима пайки.

Паяные соединения контролируют ультразвуком, применяя эхо, теневой или импедансный методы. Герметичные паяные конструк­ции проверяются методами течеискания.

3. Клеевое соединение получают с помощью клея - вязкого веще- ства, обладающего адгезией с соединяемыми материалами и доста- точной прочностью после твердения.

Непроклей - основной тип дефекта этого соединения. Он возни­кает в результате плохой очистки склеиваемых поверхностей или нарушения температурного склейки.

Для выявления дефекта применяют те же методы, что и при конт­роле паяных соединений. Герметичные клеевые конструкции прове­ряются методами течеискания.

4. Клепаное соединение получают с помощью заклёпок, которые вставляют в отверстия, просверленные в соединяемых деталях, а за- тем расклёпывают, т. е. на концах заклепок формируют замыкаю- щую головку. Несмотря на то, что клепка быстро вытесняется свар- кой, она применяется в ряде производств, например, в авиастрое- нии.

Дефекты клепаных соединений связаны с возникновением тре­щин в заклепках и соединяемых деталях. Выявляются ультразвуковыми методами.

5. Отслоение - характерный дефект в изделиях, изготавливае- мых из двухслойных металлов. Возникает как в процессе получения двухслойных листов или труб, так и при их обработке давлением, сваркой. Прочность сцепления плакирующего слоя с основным ме- таллом зависит от ряда факторов, влияние которых еще полностью не выяснено.

2.3.3. Дефекты, возникающие при хранении и эксплуатации, и их обнаружение

При хранении изделие может получить механические повреждения. Возможно растрескивание в результате действия внутренних напря­жений. Нередкое явление - атмосферная коррозия, которая может быть поверхностной, а может распространяться в глубь металла пре­имущественно по границам зерен (межкристаллитная коррозия).

При эксплуатации дефекты деталей, узлов, блоков и изделий в целом возникают в результате изнашивания, коррозии, явления ус­талости и т. д., а также неправильного технического обслуживания и эксплуатации. Техническое состояние изделий в процессе эксплуа­тации с течением времени ухудшается (изнашиваются отдельные элементы конструкции, появляются дефекты и повреждения). При этом из-за износов и повреждений снижаются работоспособность и надежность изделий.

Обнаружение поверхностных дефектов, возникающих при хране­нии и эксплуатации, производится путем визуального осмотра и кон­тролем капиллярным, магнитным и вихретоковым методами. Внут­ренние трещины любого происхождения обнаруживают ультразву­ковым эхо-методом, для наблюдения за появлением и развитием тре­щин перспективен метод акустической эмиссии.

Дефекты, возникающие в результате изнашивания

Износ - это результат изнашивания, проявляющегося в виде от­деления или остаточной деформации материала. В результате износа изменяются рабочие параметры деталей, узлов и блоков изделий, а в итоге снижается их надежность.

В процессе эксплуатации изделий изнашивание того или иного вида неизбежно. Его характер и скорость определяются конструк­тивными особенностями машины, материалами, из которых она из­готовлена, технологией производства, испытываемыми в процессе работы нагрузками и условиями эксплуатации. Виды и характерис­тики изнашивания даны в ГОСТ 16429-70.

В реальных изделиях, как правило, большинство деталей в про­цессе эксплуатации подвержены одновременно нескольким видам изнашивания, но при этом почти всегда можно выделить ведущий вид, который и будет лимитировать работоспособность детали. Со­путствующие виды изнашивания при этом, как правило, будут мало влиять на работоспособность детали, но в отдельных случаях они могут резко ускорить процесс изнашивания детали.

Изнашиванию подвержены сопряженные пары деталей, имеющие относительное перемещение. Изнашивание происходит в результате действия сил трения и ударных нагрузок. Изнашивание при трении сопряженных подвижных деталей связано с механическими, тепло-физическими и химическими процессами. Значительно усложняет анализ процессов изнашивания 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 хими­ческих свойств материала трущейся пары, вида трения (без смазки -сухое, граничное или жидкостное), характера и величины нагрузки, вида сопряжения и шероховатости поверхности, относительной ско­рости перемещения трущихся поверхностей, их взаимодействия с внешней средой и т. д. Изнашивание при трении в значительной сте­пени зависит от прочности поверхностных слоев.

Большое влияние на работу трения оказывает смазка, устраняю­щая непосредственный контакт сопряженных металлических повер­хностей. В настоящее время в сопряженных парах изделий, как пра­вило, реализуется режим граничного трения, при котором на отдель­ных микро- и макроучастках рабочих поверхностей наблюдается тре­ние без смазки. В этом случае тончайшие слои металла трущихся поверхностей подвергаются пластической деформации и одновремен­но взаимодействуют с окружающей средой.

В результате изнашивания происходит постепенное изменение размеров и формы деталей, следовательно, увеличиваются зазоры, принятые для данной сопряженной пары. В современных изделиях зазоры между трущимися деталями исчисляются сотыми и тысяч­ными долями миллиметра, поэтому часто даже небольшой износ мо­жет привести к нарушению нормальной работы изделия. При возра­стании зазора выше допустимого в сопряжении возникают ударные нагрузки, под действием которых интенсивность изнашивания еще больше возрастает.

Различаются три периода изнашивания сопряженных пар (рис. 2.2). Начальный период, или период приработки а характери­зуется интенсивным изнашиванием трущихся поверхностей. Посте­пенно изнашивание уменьшается, и наступает период установивше­гося изнашивания б. Этот период характеризуется относительным постоянством скорости изнашивания при данных конкретных усло­виях работы сопряженной пары. После превышения некоторой пре­дельной величины допускаемого для данного сопряжения износа, последний прогрессивно возрастает (период в), резко изменяются раз-

меры и геометрическая форма деталей, следовательно, и зазоры, т.е. нарушается нормальная 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, шероховатость, независимо от первоначальной шерохо­ватости, полученной при механической обработке (рис. 2.3).

При трении сопряженных пар различаются следующие виды из­нашивания (по ГОСТ 16429-7θ):

механическое: абразивное, гидроабразивное, эрозионное, устало­стное и кавитационное;

молекулярно-механическое (или изнашивание при заедании);

коррозионно-механическое: окислительное, изнашивание при фреттинг-коррозии.

Рис. 2.3. Изменение установившейся (оптимальной) микрогеометрии по­верхности в процессе приработки в зависимости от исходной шероховатости: А - грубая обработка; В - тщательная обра­ботка; С - оптимальная обработка

@5<O @01>BK

5;8G8=0 87=>A0

В основе всех видов изнашивания лежат процессы пластических деформаций, упрочнения, возникновения металлических связей и их разрушения, адсорбции, диффузии и образования химических соеди­нений, возникновения термоэлектронного эффекта, нагрева и изме­нения свойств металла в результате тепловых явлений, микрореза­ния и усталостных явлений.

Основными, наиболее часто встречающимися видами изнашива­ния являются следующие.

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 изнашивания не меняется в том случае, если абразивные частицы попадают в трущееся сопряжение не извне, а образуются в самом процессе трения. Абразивное изнашивание ха­рактеризуется внедрением абразивных частиц в металл поверхнос­тей трения при их проскальзывании и срезании микрообъемов ме­талла с этих поверхностей трения. Абразивные частицы, имеющие тупые углы и небольшую высоту выступающих частей, не режут, а скользят с большими усилиями по поверхности трения, пластичес­ки деформируя при этом поверхностные слои металла. Поэтому при абразивном изнашивании происходит также местное упрочнение по­верхностных слоев за счет пластической деформации.

Гидроабразивное - это изнашивание в результате воздействия твер­дых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости.

Газоабразивное - изнашивание в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком газа.

Эрозионное - это изнашивание поверхности в результате воздей­ствия потока жидкости или газа. Этот вид изнашивания включает собственно эрозионное разрушение, а также элементы трения и кор­розии. Происходит по еще недостаточно полно изученным законо­мерностям физики твердого тела и учения о явлениях в поверхност­ных слоях под действием внешних 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 поверхностный слой. Эрозионный износ возрастает с повышением шероховатости поверхности и с увеличением кинетической энергии частиц потока, особенно если деталь или поток имеют высокую тем­пературу. Если носителем частичек является агрессивная среда, то возникающее химическое взаимодействие приводит к еще более зна­чительному износу. Изнашивание может происходить или в виде рав-

номерного «сдувания» мельчайших частичек поверхностного слоя детали, или в виде явно выраженного локального разрушения повер­хности. Эрозионный износ зависит от механических свойств матери­ала детали, состояния поверхности и параметров воздействующего потока частиц и среды. Эрозионное изнашивание можно подразде­лить на изнашивание в потоке газа и в потоке жидкости, а также изнашивание под действием электрических (импульсных) разрядов.

Усталостное - это изнашивание поверхности трения или отдель­ных ее участков в результате повторного деформирования микрообъ­емов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц. Возникает при трении качения без смазки, а со смазкой - при удельных давлениях, превышающих предел текучести материала поверхностных слоев. Усталостное изнашивание характеризуется разрушением металла с возникновением в поверхностных слоях мик­ротрещин, единичных и групповых впадин, вызванных процессами микропластических деформаций сжатия, упрочнения и разупрочне­ния металла поверхностных слоев, возникновением остаточных на­пряжений и особыми явлениями усталости.

Кавитационное - это изнашивание поверхности при относитель­ном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации. Оно является результатом процесса кавитации, представляющего собой возникновение парогазовых пузырьков в ограниченном объеме пото­ка жидкости, где давление ниже соответствующего давления паров жидкости при данной температуре, и последующего сокращения (уничтожения) этих пузырьков в зоне повышенного давления. Край­не вредным следствием явления кавитации, нарушающим нормаль­ную работу агрегатов, является разъедание поверхности материала деталей. Кавитационное изнашивание металла является следстви­ем чисто механических ударов, которые возникают при быстром «зах­лопывании» парогазовых кавитационных пузырьков, попадающих в область более высоких давлений. Кавитация может возникнуть, например, в местах сужения потока, где скорость увеличивается. Помимо этого, разнообразные местные сопротивления в трубопрово­дах и гидроагрегатах, способствующие образованию криволинейных течений, приводят к возникновению зон различного давления, а сле­довательно, и кавитационных пузырьков. Кавитационное разруше­ние подразделяется на местное и общее. Под местным понимается локальное разрушение (точечный износ), вызываемое местным паде­нием давления в потоке вследствие обтекания различных препят­ствий и криволинейности течений. Общее разрушение является след­ствием процесса образования парогазовых полостей при понижении давления в большой области или во всем потоке до давления насы-

щения, т. е. парообразования, соответствующего данной темпера­туре.

Изнашивание при заедании - это изнашивание в результате схва­тывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровнос­тей на сопряженную поверхность.

Подразделяется оно на изнашивание схватыванием первого рода (контактное сваривание) и второго рода (тепловое изнашивание). Контактное сваривание характеризуется возникновением металли­ческих связей между контактирующими участками поверхностей вследствие больших пластических деформаций, упрочнением схва­тывающихся объемов металла и разрушением впереди лежащих сло­ев. Возникает при трении скольжения с малыми скоростями относи­тельного перемещения трущихся поверхностей и при удельных дав­лениях, превышающих предел текучести на участках фактического контакта, при отсутствии в них смазки и защитной пленки окислов.

Повреждения поверхности деталей, характерные для износа схва­тыванием, имеют большое распространение.

Возникновение металлических связей происходит при интенсив­ной пластической деформации поверхностных слоев при трении скольжения, сопровождающейся выходом на поверхность участков поверхностей, свободных от адсорбированных пленок, пленок окис­лов и загрязнений. При этом происходит максимальное сближение контактирующих поверхностей.

Из существующих видов изнашивания этот вид является наибо­лее нежелательным, так как происходит интенсивное разрушение сопряженных поверхностей, причем на одной трущейся поверхности происходит отделение металла, а на другой - налипание отделив­шихся частиц. Места вырывов являются концентраторами напря­жений, в них образуются микротрещины и трещины, развитие кото­рых может привести к усталостному разрушению деталей. Прива­рившиеся налипшие частицы под действием больших усилий упроч­няются и в дальнейшем действуют как абразив.

Тепловое изнашивание возникает при трении скольжения с боль­шими скоростями относительного перемещения, большими удель­ными давлениями, вызывающими интенсивный рост температуры в поверхностных слоях трущихся деталей, работающих по тем или иным причинам без смазки или с недостаточной смазкой. Этот вид изнашивания характеризуется возникновением металлических свя­зей между контактирующими поверхностями вследствие термичес­кой пластической деформации, вызванной действием теплоты внеш­него трения на металл трущихся поверхностей. При трении происхо-

дит мгновенный нагрев тонких поверхностных слоев металла. Тем­пература поверхностей фактического контакта при тепловом износе может для стали превышать 800-900 °С, максимальная же может достигать температуры плавления трущихся металлов.

Окислительное - это изнашивание при наличии на поверхностях трения защитных пленок, образующихся в результате взаимодей­ствия материала с кислородом. Характеризуется образованием на сопряженных поверхностях подвижных окисных пленок (слоев) вследствие микропластических деформаций и диффузии кислорода, взаимодействие которых приводит к образованию твердых раство­ров и возникновению химических соединений газа с металлом. Этот вид изнашивания возникает при трении скольжения и трении каче­ния. При трении качения при нормальных нагрузках оно является ведущим.

Дефекты, вызванные коррозией

Коррозия деталей происходит в результате их химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой. Различают атмосферную, газовую, контактную, коррозию под напряжением, в неэлектролитах и электролитах. Характер коррозионных разруше­ний (поражений) приведен на рис. 2.4.

Детали, соприкасающиеся с атмосферой, подвергаются атмосфер­ной коррозии вследствие наличия в атмосфере влаги, осадков в виде дождя или снега, а также различных окислов и солей, особенно в приморских районах и около больших городов. Резкие перепады тем­пературы сопровождаются конденсацией влаги, что также вызывает коррозию.

Элементы конструкции различных изделий имеют обычно лакок­расочные, окисные или металлические защитные покрытия. Но все эти покрытия далеко не полностью защищают изделия от воздей­ствия внешних агрессивных условий и возникновения коррозии. Лакокрасочные покрытия и окисные пленки в большей или мень­шей степени влаго- и газопроницаемы, а следовательно, пропуска­ют влагу и газы к металлической поверхности элемента конструк­ции. Металлические покрытия, разрушаясь, перестают защищать основной металл. Особенно сильно проявляется ненадежность раз­личного рода покрытий на деталях из магниевых сплавов. Продук­ты коррозии магниевых сплавов обладают щелочной реакцией. Вла­га, проникая сквозь пленку лакокрасочного покрытия, увлажняет продукты коррозии вследствие их гигроскопичности. В результате слой лакокрасочного покрытия теряет сцепление с металлом и от­слаивается, скопление продуктов коррозии вызывает вспучивание лакокрасочного слоя. Помимо этого в различных изделиях часто имеется значительное количество деталей, не имеющих защитных покрытий.

В элементах конструкции машин, где имеется неблагоприятное сочетание сопрягаемых металлов, в случае нарушения защитных по­крытий может возникать коррозия из-за образования гальваничес­кой пары. Металл, имеющий более отрицательный потенциал, в этом случае будет разрушаться. Например, детали из магниевых сплавов в соединениях со стальными деталями или деталями из алюминие­вых сплавов разрушаются в случае разрушения на них защитных покрытий.

Влияние рабочей жидкости на интенсивность коррозионного раз­рушения особенно часто наблюдается на деталях гидравлических систем. В результате в элементах гидравлических систем может на­блюдаться значительная коррозия.

Коррозия под влиянием газовой среды при высоких температурах вызывается воздействием на металл продуктов сгорания топлива. Этому виду коррозии в процессе эксплуатации особенно подвержены элементы энергетических машин. Совместное действие высоких тем­ператур и продуктов сгорания топлива вызывает на поверхности эле­ментов таких изделий более или менее значительную коррозию.

Дефекты, вызванные усталостью

Усталость - процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к умень­шению долговечности, образованию трещин и разрушениям. На ус­талостную прочность деталей оказывают влияние самые различные факторы:

1. концентраторы напряжений и их распределение;

2. размеры и форма деталей;

3. вид деформации;

4. режим нагружения (в том числе частота нагружения);

5. температурные условия;

6. объемный наклеп;

7. среда;

8. термообработка;

9. величина зерна;

10. металлургические факторы;

11. величина и знак остаточных напряжений;

12. состояние поверхности, которое зависит от ряда технологи­ческих факторов (механическая обработка, упрочняющая техноло­гия, химико-термическая обработка и электролитические покрытия) и всевозможных эксплуатационных факторов.

В результате влияния всех указанных факторов, хотя детали рас­считываются так, чтобы рабочие напряжения в них были ниже пре­дела выносливости, в деталях нередко возникают процессы усталос­ти. В наиболее слабом месте детали (концентрация напряжений, не­металлическое включение, остаточные растягивающие напряжения и т. д.), чаще всего в зоне максимальных растягивающих напряже­ний, возникают микротрещины, развивающиеся в дальнейшем в ус­талостные, которые приводят к внезапному разрушению детали без видимых предварительных пластических деформаций.

Снижению усталостной прочности детали способствуют также местные повреждения поверхности (забоины, риски, коррозионные раковины и т. п.).

Усталостные разрушения наблюдаются и на различных сварных элементах конструкции. Этому в значительной степени способству­ют острые углы между сопрягаемыми деталями, резкие переходы от сварного шва к основному металлу, отверстия вблизи сварных швов и т. д.

Появлению трещин и даже иногда разрушению элемента конст­рукции способствует концентрация напряжений около заклепочных отверстий.

'8A;> F8:;>2 N ?5@5<5==>3> =03@C65=:

Рис. 2.5. Кривые истинной и коррозионной усталости: 1 - предел выносли­вости (истинный); 2 - условный предел коррозионной выносли­вости (при N = 10⁷)

Большое влияние на снижение выносливости деталей оказывают теплосмены (термическая усталость), так как при этом в поверхно­стных слоях детали периодически возникают напряжения сжатия и растяжения. Термическая усталость проявляется на таких деталях, как камера сгорания, лопатки соплового аппарата и газовой турби­ны и др.

Заметно снижает предел выносливости деталей коррозия. При одновременном воздействии коррозии и переменных нагружений на­чинает проявляться так называемая коррозионная усталость, в ус­ловиях которой разрушение деталей происходит при напряжениях, значительно меньших предела выносливости (рис. 2.5). Это требует (в процессе эксплуатации и выполнения ремонтных работ) выявить места конструкции, пораженные коррозией. При этом или должны приниматься меры к полному удалению следов коррозии или необхо­димо производить замену детали или агрегата при сильном их пора­жении.

Излом при усталостном разрушении имеет две характерные зоны: зона усталостного разрушения и зона окончательного излома (мгно­венного разрушения). Излом детали происходит в тот момент, когда трещина увеличивается до таких размеров, что оставшееся живое сечение детали недостаточно, чтобы сопротивляться действующим нагрузкам. Поверхность первой зоны гладкая, притертая.

Дефекты из-за неправильной эксплуатации

Неправильное или небрежное техническое обслуживание, нару­шение правил эксплуатации изделий может привести к появлению серьезных дефектов. Например, использование несоответствующего

129