Дефекти продукції і їх виявлення

ДЕФЕКТИ ПРОДУКЦІЇ І ЇХ ВИЯВЛЕННЯ

1. Метали і сплави

В процесі виготовлення металеві вироби проходять складний технологічний  цикл. Він включає наступні основні  операції: плавка, литво, обробка тиском, термічна обробка, механічна обробка, з'єднання з іншими деталями. Окремі операції можуть випадати з цього ланцюжка або повторюватися кілька разів. Готові вироби зберігаються і експлуатуються, при цьому їх параметри можуть зазнавати зміни. В процесі технологічних операцій метал виробів змінюється.

Сталь - ковкий сплав заліза з вуглецем, а іноді також з елементами, що покращують певні властивості(що легують). Вміст вуглецю - не більше 2,14. Це найбільш поширений конструкційний матеріал. Розглянемо діаграму стану сплаву заліза з вуглецем. Вуглець в цей сплав входить, як правило, у вигляді хімічної сполуки із залізом - цементита(Fe3C).

Структура затверділого розплаву металу складається з великої кількості кристалітів(зерен) - монокристалів, що не мають явно вираженого огранувавання. У сталі в початковій фазі тверднення утворюються зерна аустеніту, які при пониженні температури перетворюються на α-железо, - ферит. Оскільки він практично не розчиняє вуглець, останній виділяється у вигляді пластинів.

 

2. Дефекти  і способи контролю металевих  заготівель і виробів

У таблиці перераховані основні технологічні операції при виробництві металевих заготівель(тобто напівфабрикатів, що підлягають подальшій обробці) і виробів з точки зору дефектів, що виникають в них, і способи виявлення цих дефектів

Методи дефектоскопії, що забезпечують виявлення поверхневих і підповерхневих дефектів - візуальні, капілярні, магнітні, електромагнітні - об'єднані терміном поверхневі методи. В якості ультразвукового методу використовують методи відображення і проходження. Внутрішні дефекти об'ємного типу(раковини, шлаки, пори, "шпаківні" та ін.) виявляються приблизно однаково незалежно від напряму радіаційного або ультразвукового випромінювання. Приховані  дефекти площинного типу(тріщини, заходи, заливины та ін.) краще виявляються при радіаційному контролі, коли випромінювання спрямоване уздовж площини дефекту, а при ультразвуковому контролі - коли випромінювання спрямоване перпендикулярно площини дефекту.

Відносно виправлення  дефектів слід мати на увазі, що багато дефектів при малих розмірах допускаються у виробі і не вимагають виправлення(пори, шлаки, розшарування і т. д.). Вирішальне значення при цьому мають умови експлуатації .

Литво - це технологічний  процес виготовлення заготівель і виробів  шляхом заповнення рідким металом виливниці  або форми з подальшим твердінням металу. Виливниця - це форма простих геометричних контурів зазвичай з малою конусністю. Відлитий у виливницю метал (зливок) є заготівлею для подальшої обробки тиском. Форма ливарні має конфігурацію, приблизно або навіть точно (точне литво) повторюючу конфігурацію виробу. У ній отримують заготівлі, що називаються відливаннями.

Для отримання порожнистих  відливань у форму вставляють стержні, відтворюючі конфігурацію внутрішніх порожнин. Виливниці і  форми роблять роз'ємними для  зручності витягання зливка або відливання. Їх забезпечують системою ливника, через яку заливають розплавлений метал, забезпечують можливість виходу газів, що утворюються.

 

 

Таблиця 5.1 
Дефекти металів і сплавів

 
 

Продовження таблиці. 5.1

 
 

 

Продовження таблиці. 5.1

 

Продовження таблиці. 5.1

 

* Шлак(від йому. schlacke) - після застигання камені- чи стеклоподобное речовина. 
** Ліквація(від латів. Hquatio - розрідження, цлавление) - неоднорідність хімічного складу. 
***Флокен(від йому. flocken) - пластівці. 

Мал.2. Структура зливка	Мал.3. Газові раковини, виявлені у відливанні гамма, - графированием	Мал.4. Зональна ліквація в сталевому зливку, виявлена при тому, що труїть його подовжнього перерізу(´ 0,2, тобто зменшено в 5 разів)	Мал 5. Неслитини у відливанні з алюмінієвого сплаву(´ 2, тобто збільшено в 2 рази)
Мал.6. Гарячі тріщини в центральній зоні зливка(´ 2)	Мал. 7. Розшарування в шийці рейки	Рис. 8. Незаварившийся при обработке давлением газовый  пузырь (´ 4)	Рис. 9. Волосовины коленчатого вала, выявлены магнитопорошковым  методом (´ 1)

 

 

Рис10. Ликвационный квадрат в стальном прутке (´ 0,5)	Рис. 11. «Скворечники»в стальных      заготовках (´ 0,5)	Ри.12. Рванина на поверхности стальной заготовки (´ l)	Рис. 13. Пресс-утяжина  в прутке из алюминиевого сплава (´ 0,5)
Рис 14. «Шеврони» в болті з холоднотягнутой сталі (´ l)	Рис. 15. Ковані трещини в жароміцній сталі (´ 0,5)	Рис. 16. Закат  в стальній заготовці (´ 2)
Рис.17. Трещини : а — закалочні, виявлені магнитопорошковим методом (´ 1), б — воднева(´300)		Рис. 18. Флокени в зламі стальної поковки (´ 2)	Рис. 19.   Шлифувальні тріщини в стальному ролику, виявлени магнитопорошковим методом (´ 1)

 

 

На малюнку схематично показана структура сталевого зливка, відлитого у виливницю. Біля холодної поверхні виливниці метал швидко охолоджується, і утворюється дрібнозерниста кірка 1. Далі йде зона стовпчастих кристалів 2. Уповільнена кіркою тепловіддача відбувається у напрямі стінок виливниці і в цьому ж напрямі ростуть стовпчасті кристали. Від кожного кристала ростуть, так звані, "гілочки" в тих місцях, де випадково утворилися горбки. В результаті кожен кристал має деревовидну (дендритну) будову.

У центрі зливка утворюється зона рівноосних кристалітів 3. Тут немає вираженого напряму кристалізації і є багато центрів кристалізації у вигляді тугоплавких складових і домішок, що випадково потрапили в рідкий метал, . Ця частина зливка, як правило, має найменшу міцність.

Верхню частину виливниці утеплюють, уповільнюючи тепловіддачу, тому тут метал застигає останнім. При застиганні об'єм металу зменшується, з металу виділяються гази. В результаті у верхній частині зливка утворюється усадкова раковина 4, яка продовжується у вигляді рихлості - "хвоста" 5. Аналогічним чином відбувається застигання металу у формах, які відрізняються від виливниці складнішою конфігурацією. Усадкову раковину намагаються вивести в неробочу частину металу, що підлягає видаленню.

При розгляді дефектів литва, до зливка і відлитку підходять по-різному. Зливок підлягає подальшій обробці тиском, а відлиток є майже готовим виробом. Такі дефекти відлитку як нарости, вм'ятини, кірка, окалина, поверхневі включення, невідповідність розмірів і конфігурації кресленню (викликається зрушенням частин ливарної форми, зрушенням стержнів у формі, неповним заповненням форми металом), викривлення (вигин під впливом внутрішніх напружень), виявляють при візуальному огляді і замірах.

Для зливка усі  названі вище дефекти несуттєві, оскільки поверхню зливка зазвичай механічно обробляють, а точна форма зливка не має значення для подальшої обробки його тиском.

Обробку тиском металів здійснюють: вільним куванням (ударною дією), пресуванням (неударною дією), штампуванням(куванням або пресуванням у форму-штамп), висадкою (продавлюванням крізь отвір), волочінням (протягуванням металу через отвір-оправку для отримання прутка, дроту), прокатуванням (обтисканням між валками, що обертаються) та ін.

Прокатування  зливка здійснюють, як правило, в два етапи: спочатку отримують заготовку квадратного (блюмс) або прямокутного (сляб) перерізу, а потім з цієї заготовки прокатують листи, труби, рейки і інші профілі. Прогресивною технологією є прокатування заготовки безпосередньо із застигаючого металлу (безперервне розливання). Обробка тиском дозволяє отримати метал необхідної форми, ущільнює його, подрібнює структуру, покращує механічні властивості.

В процесі обробки  тиском метал зливка випробовує сильні деформації, в ньому виникають великі внутрішні напруження, як стискаючі, так і розтягуючі. Перші можуть викликати зварювання деяких дефектів зливка, а другі призвести до появи розривів в металі, тим вірогідніших, якщо метал зливка в цьому місці був ослаблений власними дефектами. Дефекти продукції після обробки тиском підрозділяють на дві групи: пов'язані з дефектами зливка і такі, що викликаються самою обробкою.

При контролі продуктів прокатування і волочіння необхідно забезпечити високу продуктивність, в цьому випадку застосовують вихреструменевий, магнітний (ферозондовий) і ультразвуковий види неруйнівного контролю.

Термічна обробка  полягає в нагріві і подальшому охолодженні металів і сплавів  за певним законом і спрямована на зміну їх властивостей в результаті зміни внутрішньої структури. Мета термообробки полягає в знятті внутрішніх напружень, в підвищенні міцності, твердості, пластичності і в'язкості металу. Специфічними видами термообробки є поверхнева електротермічна і хіміко-термічна. В цьому випадку локальній дії (загартуванню) піддають поверхневі зони металу.

Готові вироби, їх експлуатація і  зберігання. Для контролю найбільш відповідальних об'єктів застосовують послідовно декілька методів. У технологічному ланцюжку виготовлення складних об'єктів використовують окрім вихідного також вхідний і післяопераційний контроль для своєчасного відбракування або ремонту окремих елементів.

При зберіганні, транспортуванні, монтажі виріб  може отримати механічні ушкодження. Можливе розтріскування під дією внутрішньої напруги. Нерідке явище - атмосферна корозія металів. Вона може бути поверхневою, а може поширюватися в глиб металу. Дуже небезпечна корозія, що вражає переважно межі зерен, - межкристалічная корозія. При експлуатації також можлива поверхнева або глибша під дією агресивних середовищ : рідин, газів.

Специфічним видом руйнування є корозія під напругою: агресивна дія середовища посилюється внутрішньою напругою в металі виробу.

Руйнування об'єктів при  експлуатації може статися під дією надмірних зовнішніх навантажень. Навантаження може бути короткочасним (у тому числі ударною), тривалим і таким, що багаторазово додається. Тривале статичне навантаження може привести до руйнування об'єкту навіть в тих випадках, коли таке ж короткочасне навантаження для нього не небезпечне. Під дією тривалого навантаження відбувається повільна деформація об'єкту, міцність, що поступово ослабляє його. Це явище називають повзучістю.

Воно особливо часто проявляється при експлуатації об'єктів з пластмас, композитів, але існує також і  для металевих деталей, особливо при підвищеній температурі. Допустимі навантаження, що багаторазово додаються(циклічні), значно менші за допустимі статичні.

Руйнування під дією зовнішніх  навантажень(особливо циклічних) починається  в місцях, де розташовані концентратори  напруги. Ними є елементи конструкції(стоншування, надпил, отвір), а також дефекти типу несуцільностей. Чим різкіше профіль стоншування(наприклад, менше радіус отвору), тим більше концентрації напруги поблизу них. З цієї причини дефекти площинного характеру типу неслитин, заходів і особливо тріщини набагато небезпечніше округлих дефектів типу раковин і шлакових включень.

Для відвертання катастрофічного  руйнування відповідальні об'єкти періодично піддають контролю, проводять планові  ремонти. Зазвичай в процесі експлуатації застосовують візуальний огляд, контроль капілярними, магнітними і вихротоковими методами для виявлення поверхневих дефектів. Внутрішні тріщини будь-якого походження виявляють ультразвуковим методом(зазвичай эхометодом). Стоншування труб, посудин під дією корозії(у тому числі локальною) визначають за допомогою УЗ товщиномірів.

Типовим прикладом об'єкту, що випробовує циклічні навантаження, є рейки. Характерні дефекти рейок, що виникають в процесі виготовлення, ті ж, що і дефекти прокату. Проте в результаті інтенсивної експлуатації відбувається відшаровування і вифарбовування металу на поверхні, по якій котяться колеса, якщо на цій поверхні або поблизу неї є заходи, газові пухирі, плены. Флокени, газові пухирі, мікротріщини в голівці(верхній частині) рейки розвиваються в поперечні і похилі тріщини.

Ці і інші дефекти викликають необхідність періодичного контролю рейок  під час експлуатації магнітними і ультразвуковими методами.

Перспективним методом контролю в процесі експлуатації є акустична  емісія. Цим методом фіксують процеси  корозійного і втомного ушкодження. Тривале прогнозування небезпеки руйнування ОКИ цим методом здійснити не вдається (при існуючому рівні його розвитку), проте метод взмозі попередити про наростання процесу руйнування і наближення катастрофічної ситуації.

Тріщини в рейках, що розвинулися з флокенов(а) і  газових пухирів(б)

 

3. Неметалічні матеріали

Методи неруйнівного контролю застосовують для перевірки пластмас, композитів, кераміки, скла, бетону, гуми, які використовують у відповідальних конструкціях.