2828.Экспертиза качества и разрушений

1.3. Свойства:

– твердость, (микротвердость) поверхностная, нитридной зоны и на границе эффективной толщины определяются в соответствии

сГОСТ 9450–76 и ГОСТ 2999–75;

–поверхностная хрупкость;

–сплошность нитридной зоны.

Твердость, отвечающая границе эффективной зоны толщины диффузионного слоя, находят на кривой распределения микротвердости по толщине диффузионного слоя.

Хрупкость оценивают по шкале хрупкости, характеризующей степень хрупкости по виду выкрашивания краев отпечатка алмазной пирамиды микротвердомера Виккерса на азотированной поверхности.

Контроль сплошности нитридной зоны проводится водным раствором медно-аммониевого хлорида. Покраснение капли реактива на азотированной поверхности в течение нескольких секунд свидетельствует

онесплошности и пористости нитридной зоны.

2.Состояние сердцевины изделия:

2.1.Микроструктура.

2.2.Твердость.

Микроструктура и твердость должны соответствовать сорбиту для улучшаемых сталей и мартенситу для высоколегированных сталей.

3.Геомеотрические размеры. Проверяют сохранение необходимых припусков на отделочные операции.

4.Состояние поверхности насыщения и сплошность материала (де-

тали):

4.1.Отсутствие или наличие коррозионных цветов побежалости, интенсивного окисления и механических повреждений.

4.2.Нарушение сплошности материала на поверхности насыщения: наличие пор, трещин, отслаивания диффузионного слоя и других видов нарушений.

Химико-термическая обработка в атмосфере с высоким азотным потенциалом может сопровождаться охрупчиванием поверхности и появлением пор. Низкая пластичность нитридной фазы приводит к образованию трещин и разрушению слоя (рис. 5.10).

Для деталей, работающих в коррозионной среде, на износ, при малых контактных нагрузках требуется азотированный слой с развитой нитридной зоной, от которой зависят приработка трущихся поверхностей

291

и сопротивление коррозии. В условиях износа при повышенных давлениях необходимо создание композиционного материала из поверхностной нитридной зоны, опирающейся на подслой азотистого мартенсита. Для режущего, штампового инструментов, работающих в режиме динамического износа деталей из конструкционных легированных сталей, желательно формирование развитой высокопрочной зоны внутреннего азотирования и без хрупкого поверхностного нитридного слоя.

Рис. 5.10. Микротрещины по границам зерен (сетка растрава) в азотированном слое аустенитной стали

Таким образом, качество азотированного слоя контролируют методами металлографического, химического, рентгеноструктурного, магнитного, дюрометрического и других методов. В производственных условиях качество азотирования определяют на образцахсвидетелях и непосредственно на деталях. Контролируют толщину слоя, поверхностную твердость, коробления, размеры и качество поверхности. После азотирования детали подвергают визуальному осмотру. Азотированная поверхность должна быть матово-серого цвета, хотя наличие цветов побежалости не является браковочным признаком. Все детали проверяют на отсутствие шелушения и трещин контроль твердости по Виккерсу.

Хрупкость азотированного слоя контролируют по виду отпечатка алмазной пирамиды в соответствии со шкалой хрупкости (рис. 5.11).

Баллы хрупкости I и II соответствуют работоспособным пластичным слоям. Балл III недопустим на шлифованных поверхностях. Балл хрупкости IV полностью бракует деталь. Более точная оценка пластичности может быть выполнена при записи диаграммы вдавливания алмазного индентора и испытании на изгиб и кручение. Для оценки фазового состава применяется рентгеноструктурный анализ, методы вихревых токов.

292

недопустимо

Рис. 5.11. Определение балла хрупкости по шкале ВИАМ

5.6. Контроль качества после поверхностной термической обработки

Поверхностная закалка с применением индукционного нагрева применяется главным образом для повышения предела выносливости и износостойкости. Нагрев с непрерывным повышением температуры на поверхности целесообразно проводить для получения сравнительно небольших толщин закаленных слоев.

Для получения больших толщин закаленных слоев используют нагрев с изотермической выдержкой. Выбор оптимального нагрева по одному из приведенных режимов дает возможность получить требуемую структуру на базе мелкого зерна. Для достижения высоких механических свойств производят ускоренное – спреерное – охлаждение потоком быстродвижущейся воды. Скорость нагрева составляет 30–300 °С/с, время нагрева варьируется в интервале 1,5–15 с. Для получения на данной частоте тока меньшей толщины закаленного слоя необходимо применять большое значение удельной мощности именьшую длительность нагрева.

Поверхностной закалке при поверхностном индукционном нагреве свойственны характерные недостатки:

293

–недостаточная статическая прочность тяжелонагруженных деталей, имеющих значительные по размерам рабочие сечения;

–недостаточная прочность деталей при наличии переходной зоны

снизкими механическими свойствами для предварительно улучшенных или закаленных деталей;

–недостаточная контактная прочность из-за использования стали

ссодержанием углерода 0,4–0,5 %;

–трудность или невозможность осуществления равномерного нагрева и закалки деталей, имеющих сложную форму (шестерни).

Поэтому используется объемная закалка при глубоком индукционном нагреве. Для стали ограниченной прокаливаемости применяют объ- емно-поверхностную закалку. Толщина закаленного слоя обусловливается соотношением между распределением скоростей охлаждения по сечению закаливаемой детали и критической скоростью закалки стали, т.е. закономерностями распада аустенита. Скорость охлаждения должна быть значительно выше, что необходимо для получения упрочненного слоя под поверхностно-закаленным слоем, для подавления процесса теплопередачи от внутренних слоев к наружному (подавление отпуска мартенсита в процессе охлаждения). Должны быть обеспечены свойства на поверхности – 60–65 HRC, σВ = 2300…2500 МПа. В более глубоких слоях – 30–40 HRC, σВ = 1000…1200 МПа. При контроле качества термической обработки после объемно-поверхностной закалки особое внимание уделяют наличию трооститных пятен на поверхности деталей.

При термической обработке способом индукционного нагрева контролируют:

–расположение зон закалки закаленного участка на поверхности изделия;

–наличие трооститных пятен на поверхности изделия;

–твердость на поверхности изделия;

–расположение закаленного слоя по сечению;

–толщину обезуглероженного и закаленного слоя;

–микроструктуру закаленного и переходных слоев упрочненного подслоя и исходную микроструктуру;

–величину исходного зерна аустенита;

–твердость по сечению закаленного и переходного, упрочненного подслоя и исходную твердость;

–наличие поверхностных дефектов.

294

Толщина слоя, упрочненного при поверхностной закалке, измеряется на протравленном микрошлифе, вырезанном без нагрева из детали.

Определение толщины слоя поверхностной закалки после местного поверхностного нагрева производят на макрошлифе. При традиционных способах термической и химико-термической обработки используют об- разцы-свидетели. При индукционном нагреве используют саму деталь. Это место указывается на чертеже вместе с техническими условиями на закалку. Плоскость макро- и микрошлифа не должны иметь завалов и закатов от шлифования. Плоскость замера твердости должна проходить строго перпендикулярно упрочненной поверхности. При измерении по заданной твердости выбирают твердость более и менее 52 HRC.

Эффективную толщину закалки следует определять по градиенту твердости в поперечном сечении, перпендикулярном поверхности. Отпечатки при определении твердости должны располагаться вдоль одной или нескольких параллельных между собой и перпендикулярных к поверхности образца линий. В тех случаях, когда определить толщину слоя по заданной твердости невозможно по производственным причинам, применяют метод травления микроструктуры 25–30 % водным раствором азотной кислоты.

Наличие отдельных участков феррита в закаленном слое свидетельствует о недогреве деталей, а наличие крупноигольчатого мартенсита – о перегреве. Скорость охлаждения должна обеспечивать отсутствие трооститных структур. При закалке деталей сложной формы могут образовываться закалочные трещины. Возможны деформации, возникающие как при нагреве и особенно при охлаждении. Трещины появляются в результате неравномерности охлаждения нагретой под закалку детали. Закалочные трещины обнаруживают либо визуально, либо с помощью магнитных методов.

Гарантия качества термической обработки деталей, подвергаемых поверхностной или объемной закалке, может быть обеспечена 100%-ным контролем всех деталей. Однако в условиях массового производства это невозможно. В связи с этим за основу гарантии качества термической обработки при индукционном нагреве принимают максимальную надежность работы оборудования и повторяемость режимов термической обработки. Необходим 100%-ный контроль технологических параметров индукционной закалки. Система контроля позволяет выявить отклонение от заданных режимов термической обработки, т.е. отклонение как в рабо-

295

те высокочастотного оборудования, так и в оптимальных режимах предварительной термической и механической обработки. Периодичность контроля зависит от стадии освоения процесса термической обработки.

5.7. Контроль качества сварных соединений

Контроль сварных соединений включает следующие виды контроля, определяемые требованиями ГОСТ 3242–69: контроль наружных и внутренних дефектов в сварных швах; контроль плотности швов; выборочный контроль засверливанием.

Контроль наружных дефектов в сварных швах и околошовной зоне осуществляют путем внешнего осмотра (визуального или с применением лупы с шестикратным увеличением) и измерения их геометрических размеров. Визуальному осмотру с проведением необходимых измерений подлежат 100 % сварных швов.

По внешнему виду сварные швы должны быть мелкочешуйчатыми и плотными по всей длине, не иметь скоплений или цепочек пор и шлаковых включений, незаваренных кратеров, наплывов, прожогов, сужений, перерывов и подрезов глубиной более 10 % от толщины металлоизоляции, но не более 1 мм. Участки швов с обнаруженными дефектами всех видов должны быть устранены и вновь заварены, после чего их повторно осматривают. Сварные швы на внутренние дефекты контролируют магнито-, гамма-, рентгенографическим и ультразвуковыми методами.

Плотность швов металлоизоляции проверяют после внешнего осмотра вакуумным методом, а также при помощи керосина и аммиака. Проверке на сплошность подлежат 100 % сварных швов.

Выборочный контроль засверливанием проводят с целью определения качества провара и отсутствия внутренних дефектов. Засверливание выполняют сверлом, диаметр которого на 6 мм больше ширины шва, с таким расчетом, чтобы был захвачен основной металл, а затем отверстия протравливают 10%-ным раствором двойной соли хлорной меди и аммония в воде в течение 1–3 мин. Прочность сварных швов определяют механическими испытаниями на растяжение.

296

6.ДИАГНОСТИКА РАЗРУШЕНИЯ

6.1.Порядок работы с изучаемыми изломами

Анализ изломов, как правило, позволяет выявить:

–характер разрушения – пластичное или хрупкое, усталостное, от длительного действия нагрузки (в некоторых случаях только анализа излома недостаточно для однозначного ответа на вопрос о характере разрушения, например не всегда удается отличить изломы замедленного разрушения от хрупких однократных или изломов коррозионного растрескивания);

–вид и направление действия нагрузок;

–расположение очага разрушения и связь его с наличием дефектов материала, концентраторов напряжений и т.д.;

–примерный уровень переменных напряжений;

–состояние материала.

Большое значение при анализе разрушения может иметь наличие пластической деформации материала вблизи поверхности излома. Первичное разрушение, как правило, характеризуется минимальной степенью пластической деформации.

Больше всего информации о макростроении излома дает его изучение под микроскопом небольшим увеличением (×20–70). Некоторые особенности строения изломов могут быть заметны уже невооруженным глазом. Для наблюдения различий в строении отдельных частей (зон) излома уже необходимы большие увеличения (оптическая и электронная микроскопия).

Первоначальный осмотр надо проводить на неочищенном изломе при небольшом увеличении. Очищать детали, особенно изломы, от грязи, масла, копоти следует только после тщательного осмотра в том виде, в котором они получены непосредственно после разрушения. Очищают детали обычно ацетоном с помощью мягкой кисточки.

При длительном развитии разрушения появление дополнительных трещин весьма вероятно, их обнаружение позволяет установить характер разрушения, тем более что при длительном развитии трещины поверхность разрушения сильно повреждается. Анализ побочных трещин

297

позволяет судить о характере нагружения и поведении металла. Так, признаком, характеризующим уровень переменных нагрузок и чувствительность материала к трещинам, может служить площадь долома.

Перед анализом изломов надо выяснить, из какого материала изготовлена деталь, каковы структура и свойства материала.

Хотя лишь в исключительных случаях разрушение происходит изза несоответствия марки материала, указанной в чертеже, проведение химического анализа необходимо. При этом следует обратить внимание на содержание вредных примесей, а в ряде случаев и газов.

Структура, свойства, и физическое состояние материала в процессе эксплуатации могут существенно изменяться и в связи с этим сильно отличаться от соответствующих характеристик материала в исходном состоянии.

Для раздельной оценки материала сердцевины и поверхностного слоя применяют послойный фазовый и химический анализ.

Преждевременному разрушению малопластичных материалов при переменном и длительном статическом разрушении в сильной степени способствуют остаточные напряжения, возникающие, например, при сварке, шлифовке, поверхностном наклепе и т.д.

При анализе излома и состоянии поврежденной детали необходимо обратить внимание на вид окислов. Последовательно расположенные резко окисленные зоны на изломе дают основание предполагать наличие исходного дефекта или постепенное развитие разрушения. Для того чтобы примерно определить время возникновения разрушения, следует сопоставить степень окисленности детали и поверхности разрушения для того. При этом надо иметь в виду, что окисление определяется не только температурой, временем и окислительной средой, но и в очень сильной степени шероховатостью поверхности. Шероховатая поверхность окисляется быстрее, чем гладкая. Кроме того, только что образовавшаяся поверхность окисляется быстрее, чем старая поверхность детали.

6.1.1. Методика подготовки изломов к исследованию. Хранение изломов

Многообразие проблем, связанных с изучением изломов разрушенных объектов, затрудняет разработку единого подхода и единых правил в этой области. Поэтому исследователь, использующий растровую элек-

298

тронную микроскопию и другие методы, должен определить вид и объем информации, полученной в результате эксперимента. Выбор подхода и методов в зависимости от поставленных задач также различен.

Когда происходит разрушение и предполагается, что излом будет подвергнут лабораторному исследованию, необходимо провести несколько операций, направленных на сохранение излома и подготовку его к дальнейшему исследованию в целях получения максимума информации. Иными словами, требуется обеспечить его сохранность.

Все операции, проводимые над образцом, должны быть основаны на признании того факта, что поверхность образца содержит много ценной информации, и любое уничтожение этой информации затруднит интерпретацию излома. Но при проведении некоторых исследований поверхность может быть повреждена, как это имеет место при подготовке реплик для электронно-микроскопического исследования.

Поверхность изломов может быть повреждена, если накладывать половинки образца друг на друга или сдвигать их друготносительно друга.

Необходимо избегать царапания поверхности излома острым инструментом. Плохо сохраненные поверхности излома или наличие на них продуктов коррозии затрудняют исследование. Указания по хранению образцов перед любыми исследованиями обязательны при работе как с лабораторными, так и эксплуатационными образцами.

Выделяют два типа повреждений, которым подвержены изломы: механические и химические.

Механические повреждения могут происходить по разным причинам, включая соударение с другими деталями. Это возможно во время разрушения или при извлечении сломанных частей детали, или при перевозке их с места на место. Определение и тщательный анализ последствий повреждения – лучшие способы предотвращения повреждения этого типа. Например, при перевозке излом защищают тканью или ватой. Однако при этом можно удалить с него некоторое количество неплотно сцепленного материала, который часто содержит очень важную информацию. Не следует касаться излома пальцами или инструментом, протирать его, соединять части разрушенной детали. Это почти всегда приводит к повреждению излома.

Химическое (коррозионное) повреждение можно предотвратить различными способами. В лабораториях существует разные методы защиты изломов. Поскольку присутствие постороннего материала на по-

299

верхности излома может затруднить установление причины разрушения, многие лаборатории предпочитают не использовать для консервации изломов антикоррозионные покрытия.

Если это возможно, то лучше всего высушить излом, предпочтительно используя для этого струю сжатого воздуха, а затем поместить его в эксикатор или упаковать вместе с осушителем.

Если не требуется анализ постороннего материала, присутствующего на поверхности излома (например, при исследовании изломов, разрушенных в лабораторных условиях), хорошим способом является применение покрытия. Изломы с большой поверхностью можно покрыть слоем свежего тавота. Другой способ заключается в помещении сломанной детали в пластиковый контейнер с селикогелем. В некоторых случаях покрытия могут быть напылены на излом или его можно окунуть в жидкий материал покрытия. Широко используют чисто пластиковые покрытия, которые затем удаляются трихлорэтиленом.

Для предотвращения коррозии рекомендуется пользоваться специальным растворителем на основе нефтепродуктов, который может быть легко удален. Должно быть исключено химическое взаимодействие покрытия с образцом и предусмотрена возможность полного последующего удаления.

Другой метод защиты изломов – нанесение на их поверхность пластиковых реплик. Наиболее часто используется ацетат целлюлозы. Он может быть удален с помощью ацетона. Но к сожалению, удаление не всегда бывает полным. Не следует применять для защиты излома липкую ленту.

6.1.2. Очистка изломов

Перед исследованием поверхность излома должна быть очищена, так как присутствие посторонних продуктов искажает результаты анализа. Очистку ведут для удаления защитных покрытий, продуктов коррозии и посторонних осадков (например, пыли), которые могут закрывать часть излома и затруднять его интерпретацию. К очистке излома надо подходить очень осторожно.

Как правило, используют следующие основные методы очистки изломов:

1. Обдувка сухим воздухом, при которой удаляются все посторонние, неплотно сцепленные с изломом материалы.

300