Дефекты плавки и литья

Несоответствие заданному химичес­кому составу получается вследствие ошибок, до­пущенных при расчете шихты, в результате неправильно­го проведения плавки или выгорания отдельных компо­нентов сплава. В результате отклонения от заданного химического состава происходит изменение рабочих ха - )

рактеристик сплава. Такие отливки не могут быть ис­пользованы для изготовления изделий ответственного назначения.

Неметаллические (шлаковые и флюсо­вые) включения (рис. I) появляются из-за нару-

Рис. 1. Неметаллические включения в стали (макроструктура)

шения технологии плавки. Они могут образовываться, например, в стали вследствие засорения шлаками, про­дуктами раскисления, огнеупорами и продуктами реак­ции между ними, имеют неправильную форму и распола­гаются в различных местах отливки. В слитке шлаковые включения в основном расположены в верхней его части. При обработке давлением включения деформируются в направлении волокна, оставаясь при этом физически обо­собленными от разделяемых ими поверхностей металла.

■Л

Неслитины (рис. 2) образуются в металле вследствие пониженных скорости и температуры литья. Они представляют собой несплошности, начинающиеся у поверхности слитка. Неслитины возникают в результа­те частичной кристаллизации сплава на открытой по­верхности. При низкой скорости литья металл поступает

к стенке кристаллиза­тора неравномерно. Там, где слой распла­ва тоньше, температу­ра его быстро снижа­ется и начинается кри­сталлизация. Кристал­лы, опускаясь в рас­плав, образуют сплош­ную твердую корочку. Поступающий жидкий металл заливает короч­ку, нагревая ее ниже температуры плавле­ния. Расплав над ко­рочкой кристаллизует­ся быстрее основной массы, поэтому созда­ется новый твердый слой. Несплошность, появившаяся между двумя короч­ками, и есть неслитина. Неслитины опасны для нагру­женных деталей. Они видны на рентгеновском снимке в виде хорошо очерченных прерывистых или сплошных темных линий.

Усадочные раковины (рис. 3) возникают из - за недостаточного питания слитка или отливки металлом в процессе кристаллизации. В результате в верхней ча^ сти слитка образуются большие полости неправильной формы. В некоторых случаях они распространяются вдоль оси слитка почти по всей его высоте. При даль­нейшей обработке они превращаются в различные нару­шения сплошности. Часть слитка с усадочной раковиной (прибыльную часть) необходимо удалять. При этом на переплавку идет до 25 % массы слитка. В этом отноше­нии непрерывная разливка стали имеет преимущества, так как исключает появление усадочных раковин.

Газовая пористость и газовые пузыри возникают при кристаллизации из-за выделения газов, растворившихся в металле в процессе плавки. Эти де-

Рис. 3. Усадочные раковины:

а —в стальном слитке, закрытая «мостиком»: б — в латунном слитке из-за перерыва струи металла

фекты рассеяны по всему объему слитка или сосредото­чены в подкорковом слое. В отличие от шлаковых вклю­чений газовые пузыри имеют округлую форму. При обра­ботке давлением сердцевинные пузыри завариваются, подкорковые запрессовываются. При нагреве запрессо­ванный пузырь может вздуться и обнажиться в виде трещины.

Ликвация представляет собой неоднородность отдельных участков металла по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям. Этот дефект не нарушает сплошности металла. Однако прочность ме­талла в зоне ликвационной неоднородности понижена: в этой зоне иногда наблюдается разрушение металла. На рис. 4 показана пятнистая ликвация.

Рис. 4. Пятнистая ликвация

Горячие трещины возникают в процессе затвер­девания сложных сплавов. Под действием термических и усадочных напряжений при высоких температурах происходит разрушение закристаллизовавшегося скеле­та сплава; при этом образуются межкристаллические горячие трещины с сильно окисленными поверхностями. Часто возникают в местах резкого перехода отливки от большого поперечного сечения к малому вследствие не­одновременного охлаждения. Характерными признаками горячих трещин являются неровные (рваные) края и значительная ширина.

Холодные трещины возникают в слитке после

окончания процесса затвердевания. Под действием тер­мических и усадочных напряжений при относительно низких температурах, когда пластичность сплава мала, происходит разрушение отливки; при этом образуются транскристаллические холодные трещины со светлыми

Рис. 5. Трещины в слитках сплава B9S: а — центральная трещина; б —радиальные трещины

неокисленными поверхностями. Вероятность образова­ния таких трещин выше у высоколегированных сталей и сплавов, обладающих низкой температуропроводно­стью, меньшей пластичностью и содержащих структур­ные составляющие с различными удельными объемами и коэффициентами линейного расширения.

В круглых слитках возникают центральные и ради­альные трещины. Центральные трещины могут быть го­рячими и холодными. Радиальные, как правило, — го­рячими. На рис. 5 показаны трещины в слитках сплава В95.

Дефекты обработки давлением

Трещины поверхностные и внутренние, разрывы появляются в поковке (штамповке, прокате) из-за значительных напряжений в металле при дефор­мации. Растягивающие внутренние напряжения могут привести к появлению разрывов и трещин металла в зо­нах, ослабленных дефектами слитка, а иногда 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 малой пла­стичности исходных материалов на поверхности обраба­тываемых деталей возникают скалывающие трещины, распространяющиеся под углом 45° к направлению дей­ствующего усилия.

Риски появляются на поверхности проката в виде мелких открытых царапин глубиной 0,2—0,5 мм в резуль­тате попадания мелких частиц на валки при прокате или износа матрицы при прессовании.

Волосовины являются результатом деформации мелких неметаллических включений и газовых пузырей. Эти дефекты имеют вид тонких прямых линий длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров и рас­положенных на поверхности и в подповерхностном слое металла. Волосовины встречаются во всех конструкци­онных сталях.

Закаты возникают при избытке металла в валках (калибрах) в виде заусенцев глубиной более 1 мм, зака­танных в диаметрально противоположных направлениях.

Плены — брызги жидкой стали, застывшие на по­верхности слитка и раскатанные при прокатке в виде от - спаивающихся с поверхности пленок толщиной до

1,5 мм.

Расслоения — внутренние нарушения сплошно­сти, ориентированные по направлению волокна; возника­ют при обработке давлением слитка, имевшего усадоч­ные раковины или рыхлоты, а также при прокатке ли­ста в результате расплющивания сравнительно крупных неметаллических включений и газовых пузырей. Поверх­ность нарушения сплошности параллельна плоскости прокатки.

Шлаковые включения в исходных заготов­ках (металлургический брак) при дальнейшей горячей объемной штамповке приводят к нарушению сплошности в поковке.

Рванины — разрывы или надрывы металла с рва­ными краями. При прокатке слитков к образованию рва­нин особенно склонны высоколегированные стали и чугу - ны с крупнозернистой структурой.

Флокены появляются наиболее часто в среднеуг­леродистых 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, со­здает огромные давления, приводящие к хрупкому раз­рушению металла.

Флокены обычно появляются в центральной зоне ко­ваных или катаных заготовок крупных сечений и реже в слитках. Они имеют вид тонких извилистых трещин (рис. 6), представляющих в изломе пятна с поверхностью ха­рактерного серебристого цвета округлой формы. Поков­ки, отштампованные из металла, пораженного флокена­ми, иногда растрескиваются с отделением кусков метал­ла. Это обнаруживается при закалке после снятия припуска механической обработкой или при поломке де­тали в эксплуатации.

Торцовые трещины появляются при резке крупных профилей проката, когда к моменту среза за­готовка в результате больших удельных давлений под ножом сминается из круглого сечения в эллипс. В метал­ле возникают большие внутренние напряжения и он рас­трескивается иногда через 2—6 ч после резки. Брак воз­растает по торцовым трещинам в зимнее время, так как низкая температура способствует растрескиванию метал­ла даже при резке малых профилей. Подбор оптималь­ных условий резки сводит до минимума возникновение торцовых трещин.

Зажим — заштампованная складка, появляется в результате неправильного наполнения фигуры штампа

Рис. 6. Флокены в поперечном макротемплете стального слитка

металлом или закатывания заусенцев, полученных на первых переходах штамповки.

Утонение и разрывы появляются в результа­те нарушения технологии при штамповке — вытяжки деталей из листового материала. Разрывы определяют визуально (у средне - и крупногабаритных деталей), а недопустимую степень утонения— специальными (на­пример, радиоизотопными и др.) методами. Эксплуатаци­онная надежность деталей, полученных глубокой вытяж­кой, определяется отсутствием разрывов и трещин, и предельно допустимой степенью утонения. При эксплуа­тации наблюдалось разрушение деталей в зоне утонения из-за знакопеременных нагрузок. Применение методов листовой штамповки требует разработки методов и средств автоматического контроля степени утонения ме­талла при вытяжке.

Дефекты термической и электрохимической обработки

Перегрев или пережог возникают при тер­мической обработке из-за несоблюдения заданной тем­пературы, времени выдержки, скорости нагрева и охлаж­дения детали. Перегрев приводит к образованию круп­нозернистой структуры, оксидных и сульфидных выделе - і і

ний по границам зерен (в стали). Пережог вызывает образование крупного зерна и оплавление границ зерен, что способствует в дальнейшем разрушению металла (рис. 7). *

.Трещины термические (в том числе зака­лочные) возникают в металле при резких нагреве илиох-

Рис. 7. Разнозерннстость структуры — крупнокристалли­ческий ободок в сечении профиля из сплава Д16

лаждении (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. Они могут начинаться на поверхности детали и распространяться вглубь (рис. 8), возникать внутри детали в ее сердцевин­ной части и распространяться в поперечном направле­нии.

Обезуглероживание наблюдается при нагреве стальных изделий в среде, содержащей избыток паров

воды, углекислого газа или водорода. В этом случае! происходит выгорание углерода в поверхностных слоях, 1 что значительно снижает прочность стали. В изделиях из і инструментальной стали, прокаливающихся полностью - или на большую глубину и имеющих обезуглероженный • слой, возникают поверхностные трещины глубиной до

I

1,0—2,0 мм (и даже больше). Они — следствие растя­гивающих напряжений, вызванных тем, что в обезугле - роженном слое при закалке образуется низкоуглеродис­тый мартенсит с меньшим объемом, чем в сердцевине. Обезуглероживание как процесс, провоцирующий тре­щины, наиболее опасно для сталей с повышенным содер-| жанием углерода (>0,5 %). ]

Науглероживание наблюдается при нагреве" стальных изделий в среде с избыточным количеством окиси углерода. Это приводит к насыщению поверхност - ; ных слоев углеродом, повышающему хрупкость и склон - і ность к трещинообразованию.

Трещины водородные возникают при насыще - і нии поверхностного слоя стали водородом под действи­ем щелочей, кислот и специальных растворов при трав­
лении и электрохимической обработке. Насыщение поверхностного слоя водородом приводит к резкому паде­нию пластичности и хрупким разрушениям, очагом ко­торых обычно становятся микротрещины, имеющиеся на поверхности детали.

Дефекты механической обработки

Трещины отделочные возникают в поверхност­ном слое металла, наклепанном при отделочных опера­циях. Поверхностные микротрещины в дальнейшем, при работе детали под нагрузкой, могут значительно увели­читься.

Прижоги, трещины ш л и ф о в о ч н ы е возни­кают при резком нагреве поверхностного слоя стального изделия при нарушении режима шлифования или поли­рования. Дефекты представляют собой или закаленные участки небольшой площади, или участки с сеткой тон­ких трещин на поверхности детали. Применение непод­ходящего для данного металла или «засаленного» кру­га, повышение подачи, скорости шлифования или недос­таточное охлаждение детали вызывают местные пере-

Рис. 9. Усталостная трещина по следам шлифовочных трещин иа поверхности штока цилиндра (выявлена магиитио-порошковым методом)

гревы поверхностного слоя закаленной стали и высокие внутренние напряжения из-за неравномерных объемных изменений при чередующихся нагревах и охлаждении. Эти напряжения и являются причиной возникновения шлифовочных трещин (рис. 9). j

Дефекты соединения металлов j

Металлургические дефекты сварного шва появляются в сварных соединениях вследствие на­рушения режима сварки. При сварке металл подверга­ется расплавлению и затвердеванию, поэтому в сварных соединениях могут быть дефекты, присущие литому ме­таллу (раковины, поры, шлаковые включения и др.). Кроме того, под воздействием высокой температуры в зоне термического влияния могут возникать также изме­нения размеров зерна, перегрев, закалка и отпуск, горя­чие и холодные трещины, непровар.

Поры и раковины в металле шва — пу­зыри, в основном сферической формы различной вели­чины, заполненные водородом или окисью углерода, об­разуются из-за присутствия газов, поглощаемых жид­ким металлом.

Шлаковые включения в металле шв а— небольшие объемы, заполненные неметаллическими ве­ществами (окислами, шлаками). Размеры их колеблются от микроскопических до нескольких миллиметров в по­перечном сечении.

Трещины появляются вследствие внутренних на­пряжений, возникающих из-за усадки металла при ох­лаждении шва (рис. 10). Причиной усадки металла мо­жет быть нарушение технологии сварки или несоответст­вие основного металла и электродов требованиям ТУ. Трещины, возникающие в направленном метал­ле, могут распространяться и на основной металл. Ино­гда трещины могут возникать вдоль боковой стороны нагреваемой зоны.

Непровар — отсутствие сплавления между основ­ным и наплавленным металлом в корне шва или по кром­кам из-за плохой подготовки кромок свариваемых листов или малого расстояния 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.

Перечисленные выше дефекты обычно относят к вну-

тренним дефектам сварного шва. К наружным (внеш­ним) дефектам можно отнести неполное заполнение шва, вогнутость на вершине шва, избыточное усиление (уве­личение толщины шва), нахлест (наплавление металла на основу), проплав, продольные канавки, подрезы, сме­щение кромок шва, неровности в местах смены электро­да и др. В большинстве случаев внешние дефекты могут быть определены визуально.

Рис. 10. Кристаллизационные трещины в стыковом шве, выполненном элект - рошлаковой сваркой

Непропай возникает в паяных соединениях вслед­ствие недостаточной чистоты спаиваемых поверхностей или нарушения температурного режима пайки. Пред - ставляет собой полное или частичное незаполнение па­яльного зазора припоем.

Непроклей возникает в клеевых соединениях из - за плохой очистки склеиваемых поверхностей или на­рушения температурного режима склейки. Представля­ет собой отсутствие сцепления (склеивания) в отдельных участках клеевого соединеиня.

Отслоение — характерный дефект в изделиях, изготавливаемых из двухслойных металлов. Возникает в процессе получения двухслойных листов или труб, а также при их обработке давлением, сваркой.

Производственные дефекты существенно ухудшают прочностные характеристики металла и могут явиться

причиной поломки и преждевременного выхода деталей из строя в условиях эксплуатации. ]

На рис. 11, а показано разрушение кожуха камерц сгорания авиационного двигателя. Причина разруше­ния — продольная риска на внутренней поверхности де­тали протяженностью около 80 мм, глубиной около

0, 4 мм (рис. 11,6). Этот дефект не был обнаружен при изготовлении кожуха. Другими часто встречающимися де­фектами этой детали являются расслоения и закаты, вы­тянутые вдоль образующей. Эти дефекты являются не­допустимыми для высоконагруженных изделий, так как ослабляют сечение стенки и являются концентраторами напряжений.

Нарушение установленного режима сварки при изго­товлении или ремонте стальных деталей, использование присадочного материала не той марки, которая требует­ся по техническим условиям, могут привести к появле­нию трещин по сварным швам или разрушению деталей в зоне сварного шва (рис. 12).

На рис. 13 показано разрушение кулачкового валика двигателя внутреннего сгорания. Причиной разрушения явились закалочные трещины, возникшие из-за наруше­ния режима термической обработки.

Дефекты металла мо­гут возникать и в услови­ях эксплуатации как след­ствие физического износа и неправильного техниче­ского обслуживания ма­шин.

Разнообразие приме­няемых материалов для изготовления деталей и агрегатов машин, а так­же различные условия работы приводят к тому, что физический износ от­дельных элементов кон­струкции наступает неод­новременно. Некоторые детали, узлы и агрегаты в процессе эксплуатации сильно изнашиваются и
ври ремонте требуют замены или восстановления. Дру­гие изнашиваются меньше и могут длительное время эксплуатироваться без ремонта. Следовательно, детали машин в процессе эксплуатации теряют свои служеб­ные свойства неравномерно, что вызывает на определен­ных этапах необходимость проведения осмотров и ре­монтов, при которых определяют техническое состояние, заменяют или восстанавливают определенную номенкла­туру деталей, узлов и агрегатов.

Под техническим состоянием понимают степень при­годности деталей и узлов для надежной работы в ма­шине в соответствии с требованиями технических усло­вий. В процессе эксплуатации техническое состояние не остается постоянным и с увеличением наработки под воз­действием внешних факторов ухудшается, работоспособ­ность машины из-за износов и повреждений снижается и надежность работы элементов конструкции падает.

Физический износ является нормальным явлением, неизбежно сопровождающим эксплуатацию любой ма­шины. Величина и характер физического износа опреде­ляются конструкцией машины, использованными в ней материалами, технологией изготовления и условиями экс­плуатации.

Наиболее распространенным видом физического из­носа элементов конструкций, где имеется контакт, явля­ется механический износ. Он происходит в результате действия сил трения и ударных нагрузок в сопряженных деталях, имеющих относительное перемещение с боль­шей или меньшей скоростью.

К физическому износу относится также коррозион­ный износ деталей и агрегатов, возникающий в резуль­тате химического или электрохимического взаимодейст­вия металла с внешней средой. В процессе эксплуатации коррозия может возникать вследствие атмосферных воз­действий, из-за неблагоприятных контактов металла в конструкции, под воздействием рабочей жидкости в си­стемах, под влиянием газовой среды при высоких тем­пературах. На рис. 14 показана деталь, пораженная яз­венной коррозией.

Особенно вредно влияние коррозии при одновремен­ном воздействии на детали переменных нагружений (коррозионная усталость). Установлено, что при этих ус­ловиях разрушение их может происходить при напряже­ниях, значительно меньших предела усталости. Н'а рис. 15 показана лопатка компрессора, на которой трещина

рис. 14. Трубопровод гидросистемы:

а — язвенная коррозия на внешней поверхности; б — поперечный разрез тру-
бопровода

Рис. 15. Внешний внд лопатки осевого компрессора (а), пораженной коррози­ей, и микрошлиф. ХЮО (б) участка кромки лопатки с трещиной усталости, развивающейся от очага язвенной коррозии

Рнс. 16. Усталостное разрушение балки тележкн основной опоры самолета

усталости развилась по следам коррозии, на рис. 16—раз­рушение балки тележки шасси самолета из-за трещины усталости, возникшей на участке глубокой коррозии на внутренней поверхности, а на рис. 17 — усталостное

разрушение болта, прочность которого была понижена наличием глубокой коррозии на его поверхности.

Усталость материала представляет собой процесс по­степенного изменения деталями машины своей работоспо­собности под воздействием переменных по величине и направлению нагрузок. Усталость проявляется в виде трещин, возникающих преимущественно на деталях, ис­пытывающих при работе многократные знакопеременные циклические нагрузки. Чаще всего трещины усталости

Рис. 17. Усталостное разрушение силового болта по следам коррозии

возникают в местах концентрации напряжений—галте­лях, у отверстий для смазки, в местах резкого перехода, глубоких рисок и т. д. Возникновению усталостных тре­щин в значительной степени способствуют структурная неоднородность материала, острые углы между сопря­женными элементами деталей, местные повреждения в виде забоин, царапин и т. д.

Часто трещины усталости возникают на лопатках га­зовых турбин вследствие одновременного воздействия значительных напряжений, высоких температур и агрес­сивной среды, приводящих в некоторых случаях к раз­рушению лопаток (рис. 18).

Вибрационные нагрузки, возникающие при работе машин, приводят к появлению трещин усталости на ва­ликах приводов агрегатов (рис. 19), лопатках осевых компрессоров, трубопроводах гидро - и пневмосистем. ;

В результате неправильного технического обслужи-] вания машин на деталях могут появиться дефекты в ви­де забоин, рисок, вмятин и т. п. Такого рода дефекты, как уже указывалось, способствуют образованию трещин усталости, а в ряде случаев являются непосредственной причиной их возникновения. Нарушение правил эксплу­атации, например техники пилотирования, может приве­сти к деформации и разрушению отдельных элементов

Рис. 18. Лопатки турбин:

о —трещина усталости 'на выходной кромке; б —обрыв лопатки по перу;, е — обрыв лопатки по первому пазу замка Рис. 19. Валик привода топливного насоса: а — усталостное разрушение валика; б — место взлома

планера самолета. Особенно неблагоприятно влияют грубые посадки на органы приземления, которые могут выйти из строя вследствие сильной их деформации или даже разрушения отдельных элементов (рис. 20).

Иногда при эксплуатации проявляются дефекты, воз­никающие в результате ошибок, допущенных при кон­струировании и расчете деталей. Эти дефекты являются следствием неправильного назначения допусков на со-

а — отрыв несъемной ре­борды; б — усталостное разрушение бурта бара­бана; в — трещины уста­лости иа съемной ребор­де; светлые участки — зоны усталостного раз­рушения, темные — зоны долома

пряженные детали, нерационально выбранной формье деталей и их взаимного расположения и т. д. На рис.. 21 показано разрушение силового цилиндра от действия повторно-статических нагрузок кручения. Очаг разруше­ния начался от участка с неблагоприятным сопряжени­ем элементов конструкции верхней части цилиндра.

Рис. 21. Усталостное разрдушеине силового цилиндра из-за неблагоприятного сопряжения элементов конструкции: а — общий вид разрушения; б — характер излома в месте разрушения

Как видно, рассмотренные дефекты независимо от их происхождения вызывают ухудшение технического состояния элементов конструкции и могут привести к постепенному (износовому) или внезапному их отказу в - эксплуатации. Это существенно снижает срок службы и надежность машин.

Применение новых наиболее прогрессивных процес­сов получения черных и цветных металлов и сплавов в металлургии, позволяющих существенно повысить каче­ство металлов, тщательная отработка конструкции ма­шин и их элементов, совершенствование технологии из­готовления деталей С целью исключения появления В НИХ - дефектов, строгое соблюдение правил эксплуатации — реальные пути повышения качества и эксплуатационной надежности изделий металлургии и машиностроения. Однако это невозможно без широкого применения эффек­тивных методов контроля качества металла и металлоиз­делий, особенно в тех случаях, когда требуется получить металлы и сплавы специального назначения с высокими

эксплуатационными свойствами, обеспечивающими 100%-ную гарантию надежной работы изготовленных из них дорогостоящих и уникальных объектов, машин и конструкций ответственного назначения. Здесь отказ од­ной «лимитирующей» детали (например, лопатки газо­вой турбины энергетической машины) может привести к выходу из строя всего объекта.

Разумеется, такой контроль может быть осуществлен только неразрушающими методами.