Дефекты металлов и сплавов

В процессе изготовления металлические изделия проходят сложный технологический цикл. Он включает следующие основные операции: плавка, литье, обработка давлением, термическая обработка, механическая обработка, соединение с другими деталями. Отдельные операции могут выпадать из этой цепочки или повторяться несколько раз. Готовые изделия хранятся и эксплуатируются, при этом их параметры могут претерпевать изменения. В процессе технологических операций металл изделий изменяется.

Чистые металлы в технике используют довольно редко. Как правило, применяют сплавы металлов. В наиболее простом случае это бинарные сплавы, т. е. сплавы двух компонентов.

Сталь — ковкий сплав железа с углеродом, а иногда также с улучшающими определенные свойства (легирующими) элементами. Содержание углерода - не более 2,14%. Это наиболее распространенный конструкционный материал. Рассмотрим диаграмму состояния (рис. 5.1) сплава железа с углеродом [11]. Углерод в этот сплав входит, как правило, в виде химического соединения с железом — цементита (Fe₃C). Содержание углерода 6,67% соответствует 100% цементита.

Чугун - сплав железо-углерод с большим (3...4,5%) содержанием углерода. Чугун отличается от стали лучшими литейными качествами, малой пластичностью дешевизной, он хорошо гасит вибрацию, слабо корродирует, поэтому в некоторых областях применение его предпочтительно по сравнению со сталью.

Изделия из чугуна получают путем литья. Для получения различных видов чугуна его подвергают термообработке. Чугун обычно не сваривают: для соединений изделий из него с другими объектами используют механические способы (резьбовые соединения, напрессовка).

Титан подобно железу имеет две аллотропические модификации. В сплавах его с алюминием и такими металлами, как ванадий, молибден, ниобий, хром и др., происходят превращения, подобные описанным для стали, вплоть до превращения мартенситного типа.

Алюминий имеет одну кристаллическую структуру. В его сплавах с магнием, медью, марганцем, цинком и другими элементами упрочнение достигается путем быстрого охлаждения сплава. В результате избыточная фаза не успевает выделиться из эвтектического состава. В дальнейшем в связи с низкой температурой рекристаллизации алюминия в твердом состоянии происходит старение: выделяются элементы-добавки. При этом изменяются механические свойства сплава: происходит его упрочнение, увеличивается хрупкость.

Методы дефектоскопии, обеспечивающие обнаружение поверхностных и подповерхностных дефектов - визуальные, капиллярные, магнитные, электромагнитные - объединены термином поверхностные методы. В качестве ультразвукового метода используют методы отражения и прохождения, чаще всего это эхо- и амплитудно-теневой методы.

Внутренние дефекты объемного типа (раковины, шлаки, поры, «скворечники» и др.) выявляются приблизительно одинаково независимо от направления радиационного или ультразвукового излучения. Слабораскрытые дефекты плоскостного типа (трещины, закаты, заливины и др.) лучше обнаруживаются при радиационном контроле, когда излучение направлено вдоль плоскости дефекта, а при ультразвуковом контроле - когда излучение направлено перпендикулярно плоскости дефекта.

В отношении исправления дефектов следует иметь в виду, что многие дефекты при малых размерах допускаются в изделии и не требуют исправления (поры, шлаки, расслоения и т. д.). Решающее значение при этом имеют условия эксплуатации ОК.

Металические изделия, их эксплуатация и хранение. Для контроля наиболее ответственных объектов применяют последовательно несколько методов. В технологической цепочке изготовления сложных объектов используют помимо выходного также входной и пооперационный контроль для своевременной отбраковки или ремонта отдельных элементов.

При хранении, транспортировке, монтаже изделие может получить механические повреждения. Возможно растрескивание под действием внутренних напряжений. Нередкое явление - атмосферная коррозия металлов. Она может быть поверхностной, а может распространяться в глубь металла. Очень опасна коррозия, поражающая преимущественно границы зерен - межкристаллитная коррозия. При эксплуатации также возможна поверхностная или более глубокая (в том числе межкристаллитная коррозия) под действием агрессивных сред: жидкостей, газов. Специфическим видом разрушения является коррозия под напряжением: агрессивное действие среды усиливается внутренними напряжениями в металле изделия.

Разрушение объектов при эксплуатации может произойти под действием чрезмерных внешних нагрузок. Нагрузка может быть кратковременной(в том числе ударной), длительной и многократно прилагаемой. Длительная статическая нагрузка может привести к разрушению объекта даже в тех случаях, когда такая же кратковременная нагрузка для него не опасна. Под действием длительной нагрузки происходит медленная деформация объекта, постепенно ослабляющая его прочность. Это явление называют ползучестью. Оно особенно часто проявляется при эксплуатации объектов из пластмасс, композитов, но существует также и для металлических деталей, особенно при повышенной температуре. Допустимые многократно прилагаемые (циклические) нагрузки значительно меньше допустимых статических.

Разрушение под действием внешних нагрузок (особенно циклических) начинается в местах, где расположены концентраторы напряжений. Ими являются элементы конструкции (утонение, надпил, отверстие), а также дефекты типа несплошностей. Чем резче профиль утонения (например, меньше радиус отверстия), тем больше концентрация напряжений вблизи них. По этой причине дефекты плоскостного характера типа неслитин, закатов и особенно трещин гораздо опаснее округлых дефектов типа раковин и шлаковых включений.

Для предотвращения катастрофического разрушения ответственные объекты периодически подвергают контролю, проводят плановые ремонты. Обычно в процессе эксплуатации применяют визуальный осмотр, контроль капиллярными, магнитными и вихретоковыми методами для выявления поверхностных дефектов. Внутренние трещины любого происхождения обнаруживают ультразвуковым методом (обычно эхометодом). Утонения труб, сосудов под действием коррозии (в том числе локальной) определяют с помощью УЗ толщиномеров.

Типичным примером объекта, испытывающего циклические нагрузки, являются рельсы. Характерные дефекты рельсов, возникающие в процессе изготовления, те же, что и дефекты проката. Однако в результате интенсивной эксплуатации происходит отслоение и выкрашивание металла на поверхности, по которой катятся колеса, если на этой поверхности или вблизи нее имеются закаты, газовые пузыри, волосовины, плены. Флокены, закатанные газовые пузыри, микротрещины в головке (верхней части) рельса развиваются в поперечные и наклонные трещины. Эти и другие дефекты вызывают необходимость периодического контроля рельсов во время эксплуатации магнитными и ультразвуковыми методами.

Перспективным методом контроля в процессе эксплуатации является акустическая эмиссия. Этим методом фиксируют процессы коррозионного и усталостного повреждения. Длительное прогнозирование опасности разрушения ОК этим методом осуществить не удается (при существующем уровне его развития), однако метод в состоянии предупредить о нарастании процесса разрушения и приближении катастрофической ситуации.