Сударикова Е.В. Неразрушающий контроль в производстве. Часть 1
Подождите немного. Документ загружается.
111
ются в результате неправильной конструкции отливки, плохой по
датливости формовочной земли, высокой температуры заливаемого
металла и неравномерного охлаждения отливки. Внутренняя повер
хность горячих трещин обычно сильно окислена, в изломе имеет тем
ный цвет.
Холодные трещины возникают также под действием термичес
ких и усадочных напряжений, но они образуются при более низких
температурах после затвердевания слитка, даже, когда металл нахо
дится вне формы. Причиной их образования являются: резкое изме
нение 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 ультразвуко
выми методами НК. Трещины исправляют вырубкой и подваркой
металла с обязательным последующим контролем на отсутствие тре
щин 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), прес
сование (неударное воздействие), штамповка (ковка или прессова
ние в формуштамп), высадка (продавливание сквозь отверстие), во
лочение (протаскивание металла через отверстиеоправку для полу
чения прутка, проволоки), прокатка и др. Обработка давлением по
зволяет получить металл требуемой формы, уплотняет его, завари
вает некоторые дефекты, измельчает структуру, улучшает механи
ческие свойства.
Дефекты продукции после обработки давлением подразделяются
на две группы: связанные с дефектами исходного слитка и вызывае
мые самой обработкой. Рассмотрим вначале дефекты первой группы.
Шлаковые включения в исходных заготовках – металлургичес
кий 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
112
поверхности и в подповерхностном слое металла. Волосовины имеют
глубину 0,5–1,5 мм.
Расслоения возникают при обработке давлением слитка, имею
щего усадочные раковины или рыхлоты, а также при прокатке листа
в результате плющения неметаллических включений или газовых
пузырей. Расслоения – внутренние нарушения сплошности, распо
лагающиеся по направлению волокна. При горячей штамповке дета
лей из заготовок с расслоением этот вид брака становится иногда за
метным после обрезки заусенца (обло
′
я).
Плены – заливины и брызги жидкой стали, застывшие на поверх
ности слитка и раскатанные при прокате в виде отслаивающихся с
поверхности пленок, толщиной до 1,5 мм.
Незаварившиеся в процессе деформации поверхностные и внут
ренние трещины слитка; «скворечники» – раскрытые в процессе
горячей деформации термические трещины, образующие полости раз
личных размеров и очертаний.
К дефектам второй группы, вызванным непосредственно обра
боткой давлением, относятся следующие.
Ковочные трещины (поверхностные и внутренние), разрывы —
появляются изза значительных напряжений в металле при деформа
ции в поковке (штамповке, прокате). Растягивающие внутренние на
пряжения 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 от
метить, что при обработке давлением металл неоднократно подвергает
ся нагреву и охлаждению, что приводит к возникновению термических
напряжений, способствующих образованию внутренних разрывов и
трещин. При холодной объемной штамповке изза недостаточной де
формируемости исходных материалов на поверхности обрабатываемых
деталей возникают скалывающие трещины. Эти трещины обычно рас
полагаются в плоскости наибольших сдвигающих напряжений, накло
ненной 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 деформа
цию. Рванины возникают также при разной скорости деформирова
ния различных слоев металла.
Прессутяжины – это конусообразные нарушения сплошности в
центральной зоне прутка, изготавливаемого прессованием или воло
чением. Они возникают при опережающем течении наружных слоев
металла по отношению к внутренним.
113
Заковы и закаты – возникают при избытке металла в валках
(калибрах). Избыток металла при деформации заворачивается в
складки и вновь прижимается к поверхности; складки вдавливают
ся и раскатываются на поверхности металла в диаметрально проти
воположных направлениях.
Зажим – заштампованная складка, появляется в результате не
правильного наполнения фигуры штампа металлом (встречное дви
жение металла) или закатывания заусенцев, полученных на первых
переходах штамповки. Этот вид нарушения сплошности иногда лег
ко заметен после механической обработки детали.
Вмятины – местные углубления на поверхности заготовки, вы
зываемые попаданием посторонних частиц на поверхность бойка
′
,
штампа, валка
′
.
Риски – канавки на поверхности заготовок, полученных прессо
ванием, 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 из
ломе светлые пятна характерного серебристого цвета, округлой фор
мы диаметром до 50 мм. Они появляются наиболее часто в среднеуг
леродистых и среднелегированных сталях при повышенном содер
жании в них водорода. Водород, растворенный в жидкой стали при
охлаждении и особенно при фазовых превращениях, вследствие рез
кого понижения растворимости стремится выделиться. При этом он
заполняет все пустоты вплоть до дефектов кристаллической решет
ки, и, превращаясь из атомарного в молекулярный, развивает ог
ромные давления, приводящие к хрупкому разрушению металла.
Флокены обычно появляются в центральной зоне кованых или ката
ных заготовок крупных сечений и реже – в слитках. Поковки, от
штампованные из металла, пораженного флокенами, иногда растрес
киваются с отделением кусков металла. Это обнаруживается при за
калке, после снятия припуска механической обработкой резанием
или при поломке детали в эксплуатации.
Торцевые трещины появляются при резке главным образом круп
ных профилей проката, когда к моменту среза заготовка в результате
больших удельных давлений под ножом сминается из круглого сече
ния в эллипс. В материале возникают большие внутренние напряже
ния, он растрескивается, иногда через 2–6 ч. после резки. Брак воз
растает по торцевым трещинам в зимнее время, так как низкая тем
пература способствует растрескиванию металла даже при резке ма
114
лых профилей. Подбор оптимальных условий резки сводит до мини
мума возникновение торцевых трещин.
Отклонение от номинальных размеров, разнотолщинность,
утонение и утолщение прокатных, прессованных, тянутых полу
фабрикатов (листов, труб, прутков), разрывы появляются в резуль
тате нарушения технологии производства, чаще всего – неправиль
ной 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 сле
дует определять специальными (например, радиоизотопными и др.)
методами. Как правило, эксплуатационная надежность деталей, по
лученных посредством глубокой вытяжки, определяется не столько
отсутствием разрывов (трещин), сколько предельно допустимой сте
пенью утонения, которую может получить материал в наиболее де
формированных зонах детали. При эксплуатации изделий, собран
ных из деталей, полученных глубокой вытяжкой, в результате зна
копеременных нагрузок может наступить разрушение детали в зоне
утонения. Поэтому по мере увеличения объема листовой штамповки
актуальной становится проблема автоматического контроля степе
ни 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 мето
дами поверхностной дефектоскопии: магнитным, капиллярным, вих
ретоковым. Для выявления внутренних дефектов радиационный ме
тод применяют редко. Он эффективен только в тех случаях, когда
дефекты (прессутяжины, скворечники) имеют объемный характер.
Сжатые при деформации внутренние дефекты могут быть обнаруже
ны только ультразвуковыми методами (эхо или теневым).
Для контроля продуктов прокатки и волочения необходимо обес
печить высокую производительность контроля. В этом случае при
меняют ультразвуковые, вихретоковые, а также индуктивные, фер
розондовые и тому подобные методы магнитного контроля. Эти же
методы применяют для измерения толщины изделий при односто
роннем доступе.
Дефекты термической и химикотермической обработки
Термическая обработка состоит в нагреве, последующем охлажде
нии металлов и сплавов по определенному закону и направлена на из
менение их свойств в результате изменения их внутренней структуры.
115
Целью термической обработки является снятие внутренних напряже
ний, а также повышение прочности, пластичности и вязкости метал
ла. Специфическими видами термообработки являются поверхност
ная и химикотермическая обработка. В этом случае воздействию под
вергают локальные (обычно поверхностные) зоны металла. К этой тех
нологической операции можно отнести также электрохимическую об
работку, с помощью которой на поверхность наносят покрытие.
Дефекты при термической обработке возникают изза несоблюде
ния заданной температуры, времени выдержки, скорости нагрева и
охлаждения детали. Перегрев приводит к образованию крупнозер
нистой 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 температур
ного перепада по сечению, а также структурные напряжения, свя
занные с тем, что структурные превращения по сечению детали про
исходят неодновременно. В результате наложения термических на
пряжений на структурные в закаливаемой детали могут появиться
закалочные трещины различной величины и ориентировки.
Обезуглероживание наблюдается в металле при нагреве сталь
ных изделий в атмосфере, содержащей пары воды, углекислый газ
или водород. В этом случае происходит выгорание углерода в поверх
ностных слоях, что приводит к понижению прочности стали. В изде
лиях из инструментальной стали, прокаливающихся полностью или
на большую глубину и имеющих обезуглероженный слой, возника
ют 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 низкоугле
родистый мартенсит с меньшим объемом, чем в сердцевине. Обезуг
лероживание как процесс, способствующий образованию трещин,
наиболее опасен для сталей с повышенным содержанием углерода
(C = 0,5 %), мартенситное превращение которых в сердцевине проте
кает 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 повы
шает хрупкость и склонность к трещинообразованию.
Водородные трещины возникают в металле изза насыщения
поверхностного слоя стали водородом под действием щелочей, кис
116
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 поверх
ности детали.
Образование мягких пятен на закаленной поверхности происхо
дит в результате недостаточного нагрева отдельных участков.
Разрушающие методы контроля термообработки состоят в изуче
нии изломов и шлифов (металлографический анализ) образцов, вы
резанных из металла. Неразрушающими методами контроля термо
обработки являются магнитный, вихретоковый и ультразвуковой.
Для обнаружения трещин применяют методы поверхностной дефек
тоскопии и ультразвуковые методы с использованием поверхност
ных волн.
Дефекты механической обработки
Наиболее частым дефектом механической обработки является не!
соответствие геометрических размеров, несоблюдение требова!
ний к чистоте поверхности. Такой дефект обычно определяют ме
ханическими измерительными средствами, из неразрушающих ме
тодов для этой цели применяют оптические.
Дефекты типа несплошностей в процессе механической обработ
ки возникают редко. Например, при обработке резанием металла, в
котором имеются большие поверхностные напряжения, могут воз
никнуть трещины.
В поверхностном слое металла, наклепанном при отделочных опе
рациях, возникают отделочные трещины. Поверхностные микро
трещины в дальнейшем, при работе детали под нагрузкой, развива
ются (особенно при повышенной температуре).
Прижоги, шлифовочные трещины возникают на операции шли
фовки, при которой происходит резкий нагрев поверхностного слоя
металла и последующее его охлаждение. Это может привести к появ
лению 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 глубо
кими (3–4 мм). Причинами появления шлифовочных трещин явля
ются:
а) растягивающие напряжения, возникающие изза нагрева и рез
кого охлаждения при шлифовании, а также в результате нагрева и
117
дальнейшего отпуска мартенсита с образованием в тонком поверхно
стном слое структур, имеющих меньший объем, чем мартенсит, со
храняющийся в нижележащих слоях;
б) превращение остаточного аустенита в поверхностном слое и об
разование более хрупких продуктов его превращения. Это заметно
усиливает чувствительность к трещинам сталей, имеющих повышен
ное количество аустенита.
Как прижоги, так и шлифовочные трещины могут явиться причи
ной разрушения. Поверхностные трещины обнаруживают капилляр
ным, магнитным и вихретоковым, а прижоги – склерометрическим,
магнитным и термоэлектрическим методами.
При правке, рихтовке, монтаже оборудования также могут появ
ляться рихтовочные и монтажные трещины, ориентированные
поперек направления максимальных растягивающих напряжений.
Для их обнаружения помимо названных методов используют ульт
развуковые и радиационные, когда поверхность с возможными тре
щинами после монтажа недоступна наблюдению.
Дефекты соединения материалов
Неразъемные соединения материалов выполняют сваркой, пай
кой, склейкой, клепкой.
1. Дефекты сварки. Все способы сварки разделяют на две груп
пы: сварку плавлением и давлением. В первом случае свариваемые
заготовки располагают на некотором расстоянии друг от друга и осу
ществляют расплавление кромок заготовок и заполнение разделки
присадочным или оплавленным основным металлом. Во втором слу
чае также возможно расплавление кромок, но сварку осуществляют
при сдавливании свариваемых заготовок. Каждому виду сварки свой
ственны свои характерные дефекты.
1.1. Для сварки плавлением вследствие нарушения режима свар
ки свойственны некоторые металлургические дефекты. Посколь
ку при сварке металл подвергается расплавлению и затвердеванию,
то могут возникать все дефекты, присущие литому металлу: усадоч
ные раковины, поры (иногда поры располагаются цепочками, груп
пами), включения (шлаковые, флюсовые, окисные, сульфидные, ме
таллические). Кроме того, под воздействием высокой температуры в
зоне термического влияния могут возникать изменения размеров зер
на, перегрев, закалка и отпуск, горячие и холодные трещины.
Специфическими дефектами сварки являются непровары – пус
тоты, местные несоединения, образующиеся в результате неполного
расплавления кромок свариваемых листов, а также малого расстоя
118
ния 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.
Особенно опасный дефект – сварочные трещины, возникающие
обычно в процессе остывания сварного соединения. Они могут по
явиться 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 необхо
димым требованиям). Трещины в наплавленном металле, перпенди
кулярные оси шва, могут распространяться и на основной металл.
Иногда трещины могут возникнуть вдоль боковой стороны нагревае
мой зоны.
Трещины и непровары обычно относятся к внутренним дефектам
сварного шва. К наружным (внешним) относят: неполное заполне
ние шва; вогнутость на вершине шва; избыточное усиление (увели
чение толщины шва); нахлест (наплавление металла на основу); про
плав; продольные канавки; подрез (углубление в основном металле
вдоль линии сплавления); смещение кромок шва; неровности в мес
тах смены электрода, прожог в виде сквозного отверстия, образовав
шегося в результате вытекания сварочной ванны и др.
Причиной возникновения перечисленных дефектов сварки явля
ется неправильный состав сварочных материалов (электродов, флю
сов), неправильная подготовка к сварке (неверная форма разделки,
неверно выбрано расстояние между свариваемыми заготовками), на
рушение режима сварки. Трещины могут возникать также в резуль
тате неправильной конструкции сварного изделия, неправильного
термического режима сварки, наличия включений, расслоений и дру
гих дефектов в основном металле.
В большинстве случаев внешние дефекты могут быть определены
визуально. Для выявления внутренних и некоторых поверхностных
несплошностей применяют радиационные и ультразвуковые мето
ды. Герметичные сварные конструкции проверяются методами тече
искания.
1.2. В сварке давлением встречаются некоторые дефекты, харак
терные для сварки плавлением, например, поры, шлаковые включе
ния, смещение кромок и др.
Специфическим дефектом сварки давлением является слипание.
Это хрупкое и непрочное соединение свариваемых заготовок, окис
ленное в бо
′
льшей или меньшей степени. Оно возникает при недоста
119
точно хорошей очистке свариваемых поверхностей, недостаточном
расплавлении металла кромок. Отсутствие надежных средств обна
ружения слипаний препятствует широкому применению сварки дав
лением 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 сплавомприпоем – 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 изза не
достаточно тщательной очистки спаиваемых поверхностей или на
рушения температурного режима пайки.
Паяные соединения контролируют ультразвуком, применяя эхо,
теневой или импедансный методы. Герметичные паяные конструк
ции 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 возни
кает в результате плохой очистки склеиваемых поверхностей или
нарушения температурного склейки.
Для выявления дефекта применяют те же методы, что и при конт
роле паяных соединений. Герметичные клеевые конструкции прове
ряются 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 тре!
щин 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.
120
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 напря
жений. Нередкое явление – атмосферная коррозия, которая может
быть поверхностной, а может распространяться в глубь металла пре
имущественно по границам зерен (межкристаллитная коррозия).
При эксплуатации дефекты деталей, узлов, блоков и изделий в
целом возникают в результате изнашивания, коррозии, явления ус
талости и т. д., а также неправильного технического обслуживания
и эксплуатации. Техническое состояние изделий в процессе эксплуа
тации с течением времени ухудшается (изнашиваются отдельные
элементы конструкции, появляются дефекты и повреждения). При
этом изза износов и повреждений снижаются работоспособность и
надежность изделий.
Обнаружение поверхностных дефектов, возникающих при хране
нии и эксплуатации, производится путем визуального осмотра и кон
тролем капиллярным, магнитным и вихретоковым методами. Внут
ренние трещины любого происхождения обнаруживают ультразву
ковым эхометодом, для наблюдения за появлением и развитием тре
щин перспективен метод акустической эмиссии.
Дефекты, возникающие в результате изнашивания
Износ – это результат изнашивания, проявляющегося в виде от
деления 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 конструк
тивными особенностями машины, материалами, из которых она из
готовлена, технологией производства, испытываемыми в процессе
работы нагрузками и условиями эксплуатации. Виды и характерис
тики изнашивания даны в ГОСТ 16429–70.
В реальных изделиях, как правило, большинство деталей в про
цессе эксплуатации подвержены одновременно нескольким видам
изнашивания, но при этом почти всегда можно выделить ведущий
вид, который и будет лимитировать работоспособность детали. Со
путствующие виды изнашивания при этом, как правило, будут мало
влиять на работоспособность детали, но в отдельных случаях они
могут резко ускорить процесс изнашивания детали.