Можливі причини утворення тріщин і мікротріщин при термічній обробці деталей

При термообробці деталей часто утворюються тріщини і мікротріщини. Із-за нерівномірного нагріву деталей, особливо деталей, що мають складну форму, де є різкі переходи від масивних частин до частин малого перерізу. Тріщини можуть утворюватися на самому початку при нагріві деталі, або у кінці термообробки при прискореному охолодженні. Тріщини, що утворилися при нагріві, називаються гарячими, при охолодженні - холодними, у тому числі і ті, які можуть утворитися не лише при охолодженні, але і при витримці після термообробці із-за значної внутрішньої напруги.

Характерні особливості гарячих і холодних тріщин:

- гарячі тріщини, які утворилися на початку нагріву деталі: краї тріщини окислюються в процесі нагріву, і тріщина заповнюється оксидами. Якщо виготовити мікрошліф країв тріщини, то поверхня тріщини часто має зневуглецьовану структуру. Зневуглецьовуючим середовищем виступає оксид, що заповнює тріщину (Fe₂O₃). По структурі зневуглецьованого шару можна визначити температуру, при якій проходило зневуглецювання.

Наприклад (рисунок 6.2), в першому випадку сталь з вмістом вуглецю ~ 0,4 % нагрівалася нижче 210 ºС. При нагріві до температури нижче 910 °С сталь 40 придбала аустенітну структуру.

При видаленні вуглецю з поверхні, на поверхні відбувається поліморфне перетворення аустеніту на ферит. Зародки фериту, що утворилися, які у міру видалення вуглецю, проростатимуть в глиб структури, утворюючи стовпчасті зерна фериту.

При нагріві вище 910 ºС (рис. 6.2, б) видалення вуглецю з поверхні деталі не призводить до поліморфного перетворення А→Ф, і аустенітна структура зберігається при цих температурах і на поверхні, і усередині деталі.

Поверхневий аустеніт відрізнятиметься від аустеніту центральних зон тільки вмістом вуглецю. На поверхні аустеніту вуглецю буде дуже мало, а у внутрішніх шарах вміст вуглецю буде початковим. При охолодженні на поверхні низьковуглецевий аустеніт перетворюється на ферит, утворюючи рівноосні зерна. У центральній зоні відбувається поліморфне перетворення аустеніту спочатку з виділенням надмірного фериту, а потім і перліту.

Поверхня тріщини

Внутрішня зона

Поверхня тріщини

Внутрішня зона

а – при нагріві нижче 910 °С, б – при нагріві вище 910 °С Рисунок 6.2 – Схема мікроструктури металу в зоні утворення тріщини

Перехід зони з чистим феритним шаром до початкової структури має плавний характер за вмістом вуглецю, тобто кількість перлітових колоній плавно збільшується до початкового стану, і немає різкої межі, як в першому випадку.

Додаток А

Приклад оформлення Акту матеріалознавчої (металознавчої) експертизи

ПОСТАНОВЛЕНИЕ

о назначении металловедческой экспертизы

(какой)

Гор. (село) Днепродзержинск «6» октября 1990 г.

_______ Следователь СО Терновского РОВД г. Днепродзержинска к-н милиции _____________________________________________________________

(должность, звание, фамилия)

Рассмотрев материалы уголовного дела № 95428 о ДТП по ул. Сурикова _

УСТАНОВИЛ:

26 июля 1990 года Куница С.В. управляя автомашиной «ГАЗ-52» и двигаясь по ул. Сурикова, в районе здания СУ № 352 п/о «Днепроэлектромантаж» допустил наезд на электроопору, в результате чего ехавшая в кабине автомашины гр-ка Харченко Е.Л. была травмирована.

При осмотре автомашины «ГАЗ-53» была обнаружена и изъята тормозная трубка, соединяющая тормозную систему с рабочим тормозным цилиндром левого переднего колеса машины. В указанной трубке была обнаружена трещина, из которой вытекала тормозная жидкость. Свидетель водитель Никишин С.В. показал, что именно из-за этой неисправности отказала тормозная система, что стала причиной наезда на электроопору.

Принимая во внимание, что по настоящему делу необходимы специальные познания в области металловедения и руководствуясь ст. ст. 75 и 196 УПК УССР

ПОСТАНОВИЛ:

1. Назначить по настоящему делу _____ металловедческую ____

экспертизу, производство которой поручить ___ Днепропетровскому металлургическому институту по назначению _____________________________

2. На разрешение экспертизы поставить следующие вопросы:_

1) Возникла ли разгерметизация рабочей тормозной системы автомобиля «ГАЗ-53» гос. номер 45-84 ДНА одномоментно или неисправность возникла задолго до наезда на электроопору при дорожно-транспортном происшествии по ул. Сурикова, если до наступления данного события, то каким образом мог выявить эту неисправность водитель Куница С.В.?

2) Каков характер излома, следов усталостного разрушения, обнаруженного в тормозной трубке, соединяющей тормозную систему с рабочим тормозным цилиндром левого переднего колеса автомобиля «ВАЗ-21053». Каким методом и когда мог и должен был выявить неисправность тормозной трубки гидравлического привода тормоза левого переднего колеса «ГАЗ-53» водитель Куница С.В.?

3) Для исследования эксперту(ам) направить тормозную трубку, изъятую с автомобиля «ГАЗ-53» гос. номер 45-84 ДНА

4) Для ознакомления эксперту (ам) представить уголовное дело № 95428

5) Копию настоящего постановления направить Днепропетровский

металлургический институт.

Следователь СО Терновского РОВД г. Днепродзержинска

Капитан милиции Юшкович В.И.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

металлографической экспертизы по факту дорожно-транспортного происшествия, при котором была травмирована гр. Харченко Е.Л.

Составлено 17.11.1990

ВВЕДЕНИЕ

10 октября 1990 г. мне, эксперту-металловеду по назначению, Иванову Никите Андреевичу, кандидату технических наук, старшему научному сотруднику по специальности «Металловедение и термическая обработка металлов» следователем СО Терновского РОВД г. Днепродзержинска Юшкович В.И. для проведения металловедческой экспертизы были вручены материалы уголовного дела № 95428.

Об уголовной ответственности по статье 178 УК УССР за дачу заведомо ложного заключения я предупрежден.

/ Иванов Никита Андреевич /

При составлении заключения использована следующая литература:

1. Л. Энгель, Г. Клингеле «Разрушение, растровая электронная микроскопия, Справочник» – Москва, «Металлургия», 1986 г.

2. Электронная микроскопия в металловедении. Справочник под ред. А.В. Смирновой. Москва, «Металлургия», 1985 г.

Краткое содержание обстоятельств происшествия:

26 июля 1990 г. Куница С.В., управляя автомашиной «ГАЗ-53» и двигаясь по ул. Сурикова, в районе СУ № 453 п/о «Днепроэлектромонтаж» допустил наезд на электроопору, в результате чего ехавшая в кабине автомашины гражданка Харченко Е.Л. была травмирована.

При осмотре автомашины «ГАЗ-53» была обнаружена и изъята тормозная трубка, соединяющая тормозную систему с рабочим тормозным цилиндром левого переднего колеса машины. В указанной трубке была обнаружена трещина, из которой вытекала тормозная жидкость. Свидетель водитель Куница С.В. показал, что именно из-за этой неисправности отказала тормозная система, что стало причиной наезда на электроопору.

На разрешение экспертизы поставлены следующие вопросы:

1. Возникла ли разгерметизация рабочей тормозной системы автомобиля

«ГАЗ-53» гос. номер 45-84 ДН одномоментно или неисправность возникла задолго до наезда на электроопору при дорожнотранспортном проишествии по ул. Сурикова, если до этого события, то каким образом мог выявить эту неисправность водитель Куница С.В.?

2. Каков характер излома, обнаруживаются ли следы усталостного

разрушения в тормозной трубке, соединяющей тормозную систему с рабочим тормозным цилиндром левого переднего колеса автомобиля «ГАЗ-53». Каким методом и когда мог и должен был выявить неисправность тормозной трубки гидравлического привода тормоза левого переднего колеса «ГАЗ-53» водитель Куница С.В.?

1. Исследование по первому вопросу

На экспертизу представлен пакет с медной тормозной трубкой, опечатанный печатью Терновского РОВД г. Днепродзержинска с соответствующими подписями.

Внешний осмотр тормозной трубки позволил выявить пластическую деформацию металла, проявляющуюся в смещении следов первичной механической обработки (волочения) трубки относительно ее образующей (Фототабл. 1). Характер деформации указывает на скручивание трубки по часовой стрелке. Учитывая, что данное направление деформации соответствует закручиванию крепежных штуцеров и тот факт, что степень деформации металла трубки максимальна в области, прилегающей к штуцерам (Фототабл. 1) прихожу к заключению, что указанная деформация произошла при изначальной установке трубки на автомобиль и не является следствием ее демонтажа после аварии.

В пользу сделанного вывода свидетельствуют также следы механического повреждения трубки внутренней поверхностью штуцеров, значительная окисленность которых говорит о давнем времени их происхождения /Фототабл. 1/, а также следующее из материалов дела отсутствие вращательного момента, действующего на трубку при аварии автомобиля.

Дальнейшее исследование причин разрушения представленной на экспертизу детали производилось методом растровой электронной микроскопии, поскольку именно этот метод наиболее ясно дает представление о механике процессов разрушения. Анализ выполнялся на приборе JSM – 35 фирмы «Деол» (Япония) при ускоряющем напряжении 25 кв, разрешающей способности 70 Ǻ в диапазоне увеличений от х60 до х10000 крат.

Для ответа на вопрос о времени возникновения несплошности в тормозной трубке из нее был вырезан с помощью ножовки дефектный участок длиной ~ 10 мм. Полученный образец подвергался ультразвуковой очистке сначала в бензине, а затем в спирте с помощью ультразвукового диспергатора УЗДН-М по традиционной методике. Время диспергирования составляло 3 мин., частота излучателя 22 кГц.

Излучение поверхности трубки в зоне, прилегающей к трещине (Фототабл. 2а) позволило выявить наличие признаков начальной стадии усталостного разрушения.

К ним относятся экструзии и интрузии (Фототабл. 2б) и зародышевые трещины, усталостное происхождение которых подтверждается их расположением под углом 45º относительно направления растягивающих напряжений (Фототабл. 2в).

Поскольку участок разрушения трубки располагается непосредственно в

области выявленной ранее (см. Фототабл. 1) пластической деформации металла, то можно сделать следующий вывод о причине возникновения дефекта. Пластическая деформация металла трубки, связанная с ее закручиванием при значительной установке на автомобиль, т.е. возникшая задолго до наезда на электроопору привела к появлению зоны концентрации напряжений вблизи крепежных штуцеров, которая в свою очередь инициировала начало усталостного разрушения под действием циклических нагрузок, испытываемых узлами шасси автомобиля при эксплуатации. Учитывая длительный срок образования начальной усталостной трещины и то что она может быть выявлена только при микроскопических исследованиях прихожу к заключению о невозможности распознавания водителей Куница С.В. указанного дефекта при эксплуатации автомобиля.

2. Исследование по второму вопросу

Для определения характера излома и особенностей распространения усталостного разрушения было произведено искусственное раскрытие трещины с последующим фактографическим анализом поверхности ее развития (Фототаблица 3).

Изучение области излома, прилегающей к внешнему диаметру трубки показало наличие характерных полос – бороздок усталостного разрушения, перпендикулярных направлению развития трещины (Фототабл. 3б). Расстояние между полосами и их количество определяются числом циклических нагружений, однако, количественная оценка скорости распространения трещины в данном случае невозможна из-за сложности и не периодичности действующих на передний мост автомобиля нагрузок при его эксплуатации. Отмечается уширение усталостных бороздок в направлении от внешнего к внутреннему радиусу трубки, что говорит о увеличении скорости распространения трещины на последней стадии разрушения (зонадолома) (Фототаблица 3в).

Для проверки однозначности сделанных выводов о усталостном механизме разрушения тормозной трубки, характеризующимся значительным временем от момента его начала до образования несплошности, в системе гидравлического привода был изучен искусственно полученный излом той же трубки, в условиях одномоментного ее разрушения.

Как видно из представленных на фототаблице 4 материалов разрушения трубки в случае ее обычного механического растяжения приводит к формированию вязкого транскристалитного излома, не имеющего признаков усталостного разрушения.

Таким образом, образовавшийся при разрушении тормозной трубки излом может быть идентифицирован как усталостный. Обнаружить образование усталостной трещины водитель Куница С.В. не мог по указанным ранее (см. 1-й вопрос заключения) причинам.

3.1 Выводы

1. При изначальной установке тормозной трубки на автомобиль было

допущено ее перекручивание, что привело к возникновению в местах крепления к системе гидравлического привода концентраторов напряжений, инициирующих зарождение усталостной трещины.

2. Судя по характеру излома усталостное разрушение тормозной трубки происходило медленно и не могло быть обнаружено водителем Куницей С.В. при эксплуатации автомобиля.

/ Иванов Н.А./

а	б
Фототаблица I. Общий вид тормозной трубки /а/ и места ее разрушения /б/ обозначения: 1– следы пластической деформации; 2– место максимальной пластической деформации; 3 – следы механического повреждения трубки о внутреннюю поверхность крепежного шнура
а	б	в
Фототаблица 2. Фрактограмма зоны, прилегающей к трещине: а – общий вид, х60; б – экструзии и интрузии на поверхности трубки, х3600; в – зародышевые усталостные трещины, х10000
а	б	в
Фототаблица 3. Морфология излома, образовавшегося при образовании усталостной трещины: а – общий вид х 100; б – усталостные бороздки на начальной стадии разрушения (участок I на общем виде), х 1000; в – усталостные бороздки на заключительной стадии разрушения (участок 2 на общем виде), х 440
а	б
Фототаблица 4. Морфология поверхности искусственно полученного излома при одномоментном разрушении трубки: а - общий вид, х 200; б – фасетки вязкого разрушения, х 2000
а	б	в
Фотографии, не приобщенные к заключению

«УТВЕРЖДАЮ»

следователь

С.О. Терновского РОВД

«__» __________ 1990 г.

ТАБЕЛЬ

работы по выполнению металлографической

экспертизы по уголовному делу № 95428

в Терновском РОВД

1. Уяснение поставленной задачи 2 час.

2. Изучение материалов дела 4 час.

3. Выбор, оценка, анализ исходных данных 6 час.

4. Применение методики исследования 6 час.

5. Прорезка образцов, подготовка объекта для электронно-

-микроскопических исследований 8 час.

6. Выполнение исследований методом растровой

электронной микроскопии 20 час.

7. Анализ полученных результатов 16 час.

8. Формулирование выводов 4 час.

9. Изготовление фототаблиц 8 час.

10. Составление заключения и его оформление 6 час.

__________________________________________________________________

ВСЕГО: 80 часов

/ Н.А. Иванов /

Рекомендована література

1. Л. Энгель, Г. Клингеле // Разрушение, растровая электронная микроскопия. - Справочник – М. – Металлургия. – 1986 г.

2. Электронная микроскопия в металловедении: Справочник под ред. А.В. Смирновой. – М: – Металлургия, 1985 г.

3. Герасимова Л.П., Ежов А.А., Маресев М.И.. Изломы конструкционных сталей: Справочник. – М.: Металлургия, 1987. – 271 с.

4. Усталость и вязкость разушения металлов/ Под ред Т.А. Мумриенко. Сборник научн. трудов. – Ин-т металлургии им. А.А. Байкова. – М. Наука. – 1974. – 262 с.

5. Фридман Я.Б., Гордеева Т.А., Зайцев А.М.. Строение и анализ изломов металлов. – М. – Машгиз, 1960. – 128 с.

6. Фрактография и атлас фрактограмм. Перевод с англ. Е.А. Шура. Под ред. М.Л. Бернштейна: Справочник. – М.: Металлургия. – 1982. – 490 с.

Навчальне видання

Куцова Валентина Зиновіївна

Федоркова Наталія Миколаївна

експертиза матеріалів та металів

Навчальний посібник

Тем. план 2015, поз. 63

Підписано до друку 17.06.2015. Формат 60х84 1/16. Папір друк. Друк плоский. Облік.-вид. арк. 3,0. Умов. друк. арк. 2,95. Тираж 100 пр. Замовлення №112.

Національна металургійна академія України

49600, м. Дніпропетровськ-5, пр. Гагаріна, 4

_______________________________

Редакційно-видавничий відділ НМетАУ