ДЕФЕКТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК И ИЗДЕЛИЙ

В табл. 1. перечислены основные технологические операции при производстве металлических заготовок (т.е. полуфабрикатов, подлежащих дальнейшей обработке) и изделий с точки зрения возникающих в них дефектов и способы обнаружения этих дефектов.

Методы дефектоскопии, обеспечивающие обнаружение поверхностных и подповерхностных дефектов – визуальные, капиллярные, магнитные, электромагнитные – объединены термином поверхностные методы. В качестве ультразвукового метода (если нет пояснения) 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.

Литье – это технологический процесс изготовления заготовок и изделий путем заполнения жидким металлом изложницы или формы с последующим затвердеванием металла. Изложница – это форма простых геометрических очертаний обычно с малой конусностью. Отлитый в изложницу металл (слиток) является заготовкой для дальнейшей обработки давлением. Литейная форма имеет конфигурацию, приблизительно или даже точно (точное литье) повторяющую конфигурацию изделия. В ней получают заготовки, называемые отливками. Для получения пустотелых отливкой в форму вставляют стержни, воспроизводящие конфигурацию внутренних полостей. Изложницы и формы делают разъемными для удобства извлечения слитка или отливки. Их снабжают литниковой системой, через которую заливают расплавленный металл, обеспечивают возможность выхода образующихся газов.

Таблица 1. Дефекты металлов и сплавов

Продолжение табл. 2.1.

Продолжение табл. 2.1.

На рис. 2. схематически показана структура стального слитка, отлитого в изложницу. У холодной поверхности изложницы металл быстро охлаждается, и образуется мелкозернистая корка 1. Далее идет зона столбчатых кристаллов 2. замедленный коркой теплоотвод происходит в направлении стенок изложницы и в этом же направлении растут столбчатые кристаллы. От «ствола» каждого кристалла растут»веточки» в тех же местах, где случайно образовались бугорки. В результате каждый кристалл имеет древовидное (дендритное) строение.

В центре слитка образуется зона равноосных кристаллитов 3. Здесь нет выраженного направления кристаллизации и имеется много центров кристаллизации в виде случайно попавших в жидкий металл тугоплавких составляющий и примесей. Эта часть слитка, как правило, обладает наименьшей прочностью.

Рис. 2. Структура слитка		Рис. 3. Газовые раковины, выявленные в отливке гамма-графированием
Рис. 4. Зональная ликвация в стальном слитке, обнаруженная при травлении его продольного сечения (х 0,2, т.е. уменьшено в 5 раз)	Рис. 5. Неслитины в отливке из алюминиевого сплава (х 2, т.е. увеличено в 2 раза)	Рис. 6. Горячие трещины в центральной зоне слитка (х 2)

Верхнюю часть изложницы утепляют, замедляя теплоотвод, поэтому здесь металл застывает последним. При застывании объем металла уменьшается, из металла выделяются газы. В результате в верхней части слитка образуется усадочная раковина 4, которая продолжается в виде рыхлоты – «хвоста» 5. Аналогичным образом происходит застывание металла в формах, которые отличаются от изложницы более сложной конфигурацией. Усадочную раковину стараются вывести в прибыльную (нерабочую) часть металла, подлежащую удалению.

Рис. 7. Расслоение в шейке рельса	Рис. 8. Незаварившийся при обработке давлением газовый пузырь	Рис. 9. Волосовины ко- ленчатого вала, выявлены магнитопорошковым мето- дом (х 1)
Рис. 10. Ликвационный квадрат в стальном прутке (х 0,5)	Рис. 11. «Скворечник» в катаных стальных заготовках (х 0,5)	Рис. 12. Рванина на поверхности стальной заготовки (х 1)

При рассмотрении дефектов литья к слитку и отливке подходят по-разному. Слиток подлежит дальнейшей обработке давлением, а отливка является почти готовым изделием. Такие дефекты отливки, как наросты, вмятины, корка, окалина, поверхностные включения, несоответствие размеров и конфигурации чертежу (вызывается сдвигом частей литейной формы, сдвигом стержней в форме, неполным заполнением формы металлом), коробление (изгиб под влиянием внутренних напряжений), обнаруживают при визуальном осмотре и обмерах. Для слитка все названные выше дефекты несущественны, так как поверхность слитка не имеет значения для дальнейшей обработки его давлением.

Рис. 13. Пресс-утяжина в прутке из алюминиевого сплава (х 0,5)	Рис. 14. «Шевроны» в болте из холоднотянутой стали (х 1)
Рис. 15. Ковочные трещины в жаропрочной стали (х 0,5)	Рис. 16. Закат в стальной заго- товке (х 2)

Обработку давлением металлов осуществляют: свободной ковкой (ударным воздействием), прессованием (неударным воздействием), штамповкой (ковкой или прессованием в форму-штамп), высадкой (продавливанием сквозь отверстие), волочением (протаскиванием металла через отверстие-оправку для получения прутка, проволоки), прокаткой (обжатием между вращающимися валками) и др. Прокатку слитка производят, как правило, в два этапа: сначала получают заготовку квадратного (блюмс) или прямоугольного (сляб) сечения, а потом из этой заготовки прокатывают листы, трубы, рельсы и другие профили. Прогрессивной технологией является прокатка заготовки непосредственно из застывающего металла (непрерывная разливка). Обработка давлением позволяет получить металл требуемой формы, уплотняет его, измельчает структуру, улучшает механические свойства.

В процессе обработки давлением металл слитка испытывает сильные деформации, в нем возникают большие внутренние напряжения, как сжимающие, так и растягивающие. Первые могут вызвать заваривание некоторых дефектов слитка, а вторые привести к появлению разрывов в металле, тем более вероятных, если металл слитка в этом месте был ослаблен собственными дефектами. Дефекты продукции после обработки давлением подразделяют на две группы: связанные с дефектами слитка и вызываемые самой обработкой. При контроле продуктов прокатки и волочения необходимо обеспечить высокую производительность, в этом случае применяют вихретоковый, магнитный (феррозондовый) и ультразвуковой виды.

Термическая обработка состоит в нагреве и последующем охлаждении металлов и сплавов по определенному закону и направлена на изменение их свойств в результате изменения внутренней структуры. Цель термообработки состоит в снятии внутренних напряжений, в повышении прочности, твердости, пластичности и вязкости металла. Специфическими видами термообработки являются поверхностная электродинамическая и химикотермическая. В этом случае локальному воздействию (закалке) подвергают поверхностные зоны металла.

Газовые 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 разрешения 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 появляется 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 эхо-методом). Утонение 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 (в верхней части) рельса развиваются в поперечные и наклонные трещины (рис. 20). Эти и другие дефекты вызывают необходимость периодического контроля рельсов во время эксплуатации магнитным и ультразвуковым 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.

Рис. 20. Трещины в рельсах, развившиеся из флокенов (а) и газовых пузырей (б)