3.4 Основные дефекты металлических изделий

Дефекты металлических изделий делятся на металлургические, литейные, и приобретенные при термической обработке. Рассмотрим основные из них:

к металлургическим относятся зональная и дендритная ликвации, неметаллические включения, флокены;

к литейным – холодные и горячие трещины поры раковины;

к приобретенным при термической обработке – перегрев, пережог, обезуглероживание.

При кристаллизации сталей и сплавов в литых изделиях наблюдается зональная и дендритная неоднородность. Очень часто этому явлению сопутствует микро- и макронеоднородность по пористости и пузырям. Сплавы с таким строением структуры при деформации склонны к образованию волокнистой структуры, полосчатости, карбидной неоднородности. Строчечность и волокнистость обуславливают анизотропию свойств вдоль и поперек направления деформации, нестабильность характеристик изделий при повышенных температурах, пониженную пластичность.

Борьбу с зональной ликвацией следует вести путем воздействия на процессы кристаллизации при литье, а также подбором соответствующих параметров горячей пластической деформации. Уменьшить дендритную ликвацию слитков и отливок можно проведением гомогенизационного отжига.

Неметаллические включения являются продуктами реакций, происходящих в процессе выплавки и раскисления сплавов. Кроме того, они попадают в слиток из футеровки и шлака. Основные виды включений: окислы (FeO, MnO, Al₂O₃ более сложные), силикаты (SiO₂) деформируемые и недеформируемые и сульфиды (FeS, MnS и др.). После прокатки эти включения часто приобретают строчечное расположение, что вызывает различие свойств вдоль и поперек изделий. Кроме того, они могут стать причиной расслоения металла и образования волосовин. Тщательное раскисление и рафинирование расплавов является основным методом уменьшения неметаллических включений. Кроме того, для сталей применение различных способов переплава (вакуумно-дуговой, электрошлаковый и др.) снижают содержание в них серы и фосфора, являющихся основными причинами образования включений.

Флокены представляют собой мелкие трещины, а при совпадении излома с плоскостью трещины имеют вид белых пятен овальной формы размерами от 0,5 до 50 мм. Ширина трещин достигает сотых долей миллиметра.

Данные дефекты подобны острым надрезам, резко снижающим механические свойства и эксплуатационную стойкость деталей, поэтому их присутствие в изделиях не допустимо. При обнаружении флокенов, как правило, бракуется вся плавка.

К образованию флокенов склонны легированные (хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.) стали после горячей пластической деформации. Эти дефекты редко встречаются в сталях с аустенитной, ледебуритной и ферритной структурой. Они встречаются в основном в центральных зонах массивных изделий, поэтому с ростом размеров деталей их число растет.

Причиной образования флокенов считается повышенное содержание водорода (выше 3-4 см³/100 г металла), а при значительной ликвации легирующих элементов и при меньших его количествах. При охлаждении массивных стальных изделий растворимость водорода в железе падает. Он, выделяясь из твердого раствора, накапливается на дефектах кристаллической решетки, межфазных границах, дислокациях и переходит из атомарной формы в молекулярную, которая не способна к диффузии. Скопления водорода резко повышает давление, которое вызывает разрывы и образование трещин.

Резкий скачок в снижении растворимости водорода происходит при превращении γ→α, при этом скорость диффузии водорода в α -фазе возрастает. Поэтому борьбу с флокенами ведут, замедляя скорость охлаждения при фазовом переходе или проводя изотермическую выдержку при γ→α превращении, выполняя противофлокеновый отжиг.

Литейные трещины могут быть горячими и холодными. Горячие трещины образуются при высоких температурах, имеют неровную сильно окисленную поверхность и проходят по границам зерен (интеркристаллитные). Причина образования концентрация напряжений в отдельных частях отливки из-за неправильно сконструированной литейной формы. Основной метод борьбы является рациональная конструкция формы, регулирование подвода жидкого металла установка холодильников. Холодные трещины возникают при охлаждении отливок из-за термических напряжений. Трещины прямолинейны, незначительной ширины проходят в основном по зерну сплава (транскристаллитные). Основная причина их образования связана с неодинаковой скоростью охлаждения тонких и массивных частей отливок.

Способом устранения холодных трещин является регулирование скорости охлаждения или применение изотермических выдержек.

Дефектами, приобретенными при термической обработке, являются перегрев, пережог, обезуглероживание. Перегрев ведет к росту зерна, что понижает пластичность и вязкие свойства деталей. Перегрев в сплавах с фазовой перекристаллизацией можно исправить отжигами второго рода, в однофазных сплавах холодной деформацией, если это возможно с последующим рекристаллизационным отжигом.

Пережог сплава происходит вследствие диффузии кислорода по границам зерен и образования окислов разъединяющих зерна при высоких температурах сплава (близких к линии солидуса), при этом резко падает прочность, а пластичность практически равна нулю. Пережог является неисправимым браком, изделия отправляются в переплавку.

Обезуглероживание поверхности стали вызывается кислородом, содержащимся в продуктах сгорания топлива или попадающим в печь вследствие подсоса воздуха. Из конструкционных сталей наиболее чувствительны к обезуглероживанию кремнистые стали. Снижение содержания углерода в поверхности стали понижает ее износостойкость, твердость, усталостную прочность. Основным способом борьбы с этим дефектом является использование при нагреве контролируемых атмосфер или соляных ванн.