книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

талле, удовлетворяющем требованиям технических условий, зна­ чительно более опасно, чем небольшое превышение допустимого общего содержания серы.

Серная проба, которая взята на тех участках изделия, где можно ожидать неравномерного распределения серы и неблаго­ приятного ее скопления, позволяет получить наглядную картину распределения таких включений. При серной пробе на обрабо­ танную поверхность металла, тщательно очищенную и обезжирен­ ную, накладывают бромосеребряную фотографическую бумагу

(засвеченную), предварительно смочив ее в 5%-ном водном рас­ творе серной кислоты.

Сернистые включения в металле вступают в химическое взаимо­ действие с серной кислотой, в результате чего выделяется серо­ водород, который, в свою очередь, вступает в реакцию с бро­ мистым серебром. На фотобумаге в тех местах, где на исследуемой поверхности металла располагаются сернистые включения, появ­ ляются темно-коричневые точки сернистого серебра. Фотобумагу выдерживают на металле в течение нескольких минут, осторожно снимают, погружают в ванночку с фиксажем и затем промывают в чистой воде.

Уменьшенный (приблизительно в 4 раза) серный отпечаток торца турбинного вала, выявивший значительные скопления серы в центральной зоне вала, показан на рис. 15. Серный отпечаток с торцовой поверхности цельнокованого ротора турбины, выявив­ ший скопления сернистых включений, называемых сегрегацион­ ными «усами», изображен на рис. 16. Подобные скопления серни­

40

стых включений образуются в процессе кристаллизации при осты­ вании металлического слитка в граненой изложнице (угловая сегрегация) и могут создавать ослабленные, хрупкие зоны в ме­ талле. Наличие таких зон следует считать весьма опасным. Иссле­ дования показали, что прочность и пластичность металла, пора­ женного угловой сегрегацией серы, заметно снижаются.

Образцы, изготовленные так, что плоскость, пораженная скоплениями сернистых включений, оказалась расположенной в пределах расчетной части образца перпендикулярно растяги­ вающей силе, разрушались при испытании на растяжение без заметной пластической деформации. Образцы для испытаний на изгиб, изготовленные так, чтобы плоскость сегрегационного «уса» располагалась в поперечном направлении, разрушались, как только пуансон начинал давить на образец. Разрушение образцов, пораженных угловой сегрегацией серы, имеет такой вид, как будто в металле образовалась хрупкая перегородка, легко разру­ шающаяся при действии даже небольших усилий. Поковки, пора­ женные угловой сегрегацией, бракуют.

В практике механической обработки поковок роторов турбин имели место случаи, когда угловая сегрегация обнаруживалась по надламыванию стружки при точении в месте расположения сегрегационных «усов». В процессе механической обработки можно обнаружить и другие дефекты, например, трещины, кото­ рые иногда приводят к раздвоению стружки по длине.

Работникам лабораторий и отделов технического контроля турбостроительных заводов следует внимательно относиться к от­ мечаемым рабочими в процессе механической обработки изделий недостаткам и организовать в таких случаях необходимые допол­ нительные испытания. Это позволит предотвратить возможность попадания дефектной заготовки в турбину.

Макроисследования — травление, серную пробу и др. — необ­ ходимо выполнять весьма тщательно. Поверхности, подвергаю­ щиеся исследованию, должны быть надлежащим образом обрабо­ таны, очищены от грязи и жира. После травления кислотами необ­ ходимо провести нейтрализацию щелочами и промыть водой трав­ леные поверхности с последующей просушкой во избежание корро­ зии.

Если на одном и том же участке заготовки необходимо выпол­ нить и серную пробу, и макротравление, то следует начинать с серной пробы, так как после нее макротравление можно прово­ дить без повторной механической обработки поверхности. Если же начать с макротравления, то для последующего проведения сер­ ной пробы необходимо будет вновь обработать исследуемую по­ верхность, поскольку разъедание ее кислотой исключает воз­ можность получения качественных серных отпечатков.

Макроисследованию подвергают сварные соединения, выпол­ няемые при производстве различных деталей турбин: цилиндров низкого давления, конденсаторов, сварных диафрагм и пр. Макро­

41

травление сварных образцов позволяет выявить степень плот­ ности и однородности материала сварного шва, наличие пористости, непровара и других дефектов. Если дефекты заготовок (например, стальных отливок) исправляли сваркой, то макротравление вы­ полняют как при подготовке к исправлению, так и после него. При обнаружении дефекта макротравлению подвергают зону его расположения, чтобы можно было выявить границы дефекта (например, трещины) и расположенные вблизи от него более мел­ кие дефекты. Окончив травление, всю пораженную дефектом часть заготовки полностью вырубают пневматическим зубилом

Рис. 17. Крупные включения сернистого марганца в поковке вала турбины (X 150)

или удаляют на радиально-сверлильном станке или другими спо­ собами. После подготовки под сварку выполняют макротравление всей поверхности вырубки, чтобы убедиться, что дефектный металл полностью удален. Эта операция является необходимой, так как при удалении металла зубилом или другим инструментом дефекты «затягиваются» тонкой пленкой наволакиваемого металла и ста­ новятся невидимыми. После заварки дефектного участка наплав­ ленный металл и зону вокруг него тщательно осматривают невоору­ женным глазом и при помощи лупы, чтобы выявить возможные остатки дефектов или образовавшиеся при сварке трещины. При необходимости проводят также травление сомнительных участков.

Макроанализ можно выполнять как непосредственно на иссле­ дуемых деталях, так и на пробах — темплетах, отрезаемых от заготовки. В практике турбостроения макроанализ деталей по большей части осуществляют в цеховых условиях.

Микроскопическое исследование металлов выполняют при больших увеличениях. На современных оптических микроскопах металл можно исследовать при увеличении до 2000 раз. Для про­ ведения микроанализа изготовляют микрошлиф. Поверхность микрошлифа, предназначенная для исследования, должна быть

42

плоской и зеркально гладкой, что достигается шлифовкой с после­ дующей полировкой металла.

Микрошлиф подвергают микроскопическому исследованию сначала в нетравленом, а затем в травленом состоянии.

в нержавеющей стали лопаток турбин (X 130)

Изучение под микроскопом при различных увеличениях не­ травленой поверхности шлифа дает возможность установить

вины, микротрещины, непровар и пр. При просмотре нетравле­ ных шлифов под микроскопом с 90—110-кратным увеличением оценивают по стандартной шкале степень загрязненности ме­ талла оксидами, силикатами, сульфидами и пр.

43

После изучения непротравленного шлифа выполняют травле­ ние для выявления строения металла — его микроструктуры. Наиболее широко применяют способ химического травления шлифа в различных растворах кислот, солей и щелочей, основанный на том, что разные структурные составляющие сплава и различным образом срезанные при изготовлении шлифа зерна с неодинако­ вой интенсивностью подвергаются травлению одним и тем же реактивом.

На участках стыков зерен имеет место значительное рас­ сеяние света, поэтому при наблюдении структуры в микроскоп границы зерен обычно кажутся темнее самих зерен. Кроме рас­ сеяния света здесь сказывается также повышенная чувствитель­ ность границ зерен к травлению. Травление выполняют следую­ щим образом: чистый и обезжиренный шлиф погружают в ванночку с реактивом на короткое время, различное в зависимости от при­ меняемого реактива. Затем шлиф промывают струей воды, высу­ шивают и исследуют под микроскопом при различных увеличениях. Составы реактивов для микротравления меняют в зависимости от химического состава, структуры исследуемого металлического сплава, цели микроисследования и предполагаемых увеличений.

Другим распространенным способом выявления микрострук­ туры сплавов является электролитическое травление, основан­ ное на том, что различные составляющие структуры растворяются в электролитах с разной скоростью. Через ванну с электролитом пропускают постоянный ток определенной плотности. Шлиф, подлежащий травлению, является анодом. Под действием тока происходит электролитическое растворение структурных состав­ ляющих.

Реже применяют другие способы выявления структуры сплава — травящую полировку, цветное и окисное травление. При травящей полировке реактив вводят на полировальный круг для действия на шлиф в процессе самой полировки. При цветном травлении используют различное окрашивание структурных со­ ставляющих сплава определенными реактивами. При окисном травлении используют свойство различных структурных состав­ ляющих окисляться с разной скоростью при нагреве.

Изучение микрошлифов при различных увеличениях позволяет решить ряд существенно важных для оценки работоспособности металла вопросов. Микроанализ дает возможность определить структуру сплава, характерструктурных составляющих, их форму, величину и расположение, наличие микроскопических повреждений металла, состояние границ зерен и пр.

СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Чтобы правильно оценить результаты металлографических и других исследований металлов и сплавов, надо иметь представ­ ление о их внутреннем строении.

44

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, для которого характерно определенное, закономерное расположение атомов. Если через центры атомов провести воображаемые линии, то они образуют решетку, называемую кристаллографической плоскостью. Многократно повторенные, параллельно располо­ женные кристаллические плоскости образуют пространственную кристаллическую решетку, в узлах которой располагаются атомы. Расположение атомов в кристалле изображают в виде так назы­ ваемых элементарных кристаллических ячеек. Типичными для металлов ячейками являются: кубическая объемноцентрирован­ ная (ОЦК) — с расположением атомов в вершинах и центре куба; гранецентрированная (ГЦК) — с атомами в вершинах куба и

ная плотноупакованная (ГЦ)

центрах его граней; гексагональная плотноупакованная (ГП) — в форме шестигранника, внутрь которого наполовину введен та­ кой же шестигранник (рис. 20).

Каждый металл обладает определенной, присущей ему кристал­ лической решеткой. Например, кубическую объемноцентрирован­ ную решетку имеют хром, молибден, ниобий; кубическую гране­ центрированную — никель, медь, серебро; гексагональную плот­ ноупакованную— иридий, магний, бериллий и др. У некоторых металлов кристаллическая решетка при определенных изменениях внешних условий может перестраиваться, переходить в другую форму. Это явление называют полиморфизмом. Оно присуще железу, кобальту, титану и другим металлам.

Кристаллы металлрв имеют очень малые размеры, и металли­ ческие изделия состоят из огромного числа кристаллов. В на­ чальной стадии кристаллизации металла из расплавленного со­ стояния кристаллы могут иметь правильную форму; в дальней­ шем формирование кристалла происходит в стесненных условиях,

зерна — обычно имеют неправильную форму и характеризуются различной пространственной ориентацией кристаллической ре­ шетки.

Внутреннее строение зерна также не является идеально пра­ вильным и однородным. Обычно в пределах зерна образуются

45

участки — блоки; каждый из блоков имеет структуру, прибли­ жающуюся к идеальной, но блоки относительно друг друга по­ вернуты на небольшой угол. Такую структуру называют блочной или мозаичной. Значительные несовершенства строения имеют место на границах зерен. Здесь скапливаются включения и при­ меси, нарушается упорядоченное расположение атомов. В строе­

К точечным дефектам относят вакансии (отдельные узлы кри­ сталлической решетки, где отсутствуют атомы) и чужеродные атомы или атомы основного металла, находящиеся между узлами решетки.

Наиболее важными среди дефектов кристаллического строения являются линейные несовершенства — так называемые дисло­ кации. При деформации металла сдвиг на его кристаллографи­ ческих плоскостях происходит постепенно, без одновременного разрыва связей всех находящихся в этих плоскостях атомов. Сдвиг охватывает последовательно отдельные ограниченные участки с небольшим количеством атомов в плоскости, где происхо­ дит скольжение. Если на каком-либо ограниченном участке сдвиг уже произошел, а вокруг в плоскости скольжения атомы сохра­ нили еще первоначальное положение, то граница между сдвину­ тым участком и сохранившейся областью и будет здесь дислока­ цией. Связанные с образованием дислокаций искажения кристал­ лической решетки (а также и энергия этих искажений) характери­ зуются направлением и расстоянием, на которое переместились атомы сдвинувшегося участка по отношению к атомам, сохранив­ шим первоначальное положение.

Дислокации могут создаваться в многообразных формах; различают так называемые винтовые, краевые, смешанные и кри­ волинейные дислокации. Они могут перемещаться, соединяться между собой, образовывать дислокационные узлы и простран­ ственные сетки, взаимодействовать с точечными несовершен­ ствами — вакансиями, междуузлиями.

Металлургические дефекты, химическая неоднородность, неравномерно распределенные в объеме металла несовершенства кристаллического строения (дислокации, вакансии, чужеродные и сместившиеся атомы и пр.) приводят к тому, что между теоре­ тически возможной и реально достигнутой прочностями металлов существует огромный разрыв.

Для характеристики масштабов этого разрыва в табл. 7 при­ ведены, по данным В. Л. Финлея и И. Р. Лейна, сведения о том, какой процент от теоретически возможной величины предела те­ кучести (сгт теор) составляют для ряда металлов достигнутые в 1963 г. и ожидаемые в 1980 г. (с различной степенью вероят­ ности— 100 и 10%) значения предела текучести. Возможности дальнейшего значительного повышения прочности металлов и спла­ вов подтверждаются не только теоретическими соображениями,

46

но и многими экспериментальными материалами. Так, если проч­ ность технического железа на разрыв составляет обычно 25— 30 кгс/мм2, то уже несколько лет тому назад удалось получить монокристаллы прочностью до 1400 кгс/мм2. Разработаны способы получения нитевидных монокристаллов («усов»), структура ко­ торых близка к совершенной. Пока, однако, можно получать кристаллы лишь очень небольших размеров. При этом наряду с прочностью, приближающейся к теоретической, «усы» характе­ ризуются большой склонностью к хрупкому разрушению.

В настоящее время проводят перспективные разработки про­ блем создания волокнистых металлических материалов, пред­ ставляющих собой композицию из мягкой матрицы и ультрапрочных, армирующих ее волокон. В таком материале основную часть нагрузки воспринимали бы волокна, а матрица служила бы глав­ ным образом для передачи нагрузки от одного волокна к другому. При разрушении волокна мягкая матрица приостанавливала бы развитие в композитном материале трещин, образовавшихся

вхрупком волокне. Есть основания ожидать от таких материалов

ивысокой жаропрочности, и жаростойкости.

Все это проблемы более или менее близкого будущего. В настоя­ щее же время задачи придания металлам необходимых свойств — прочности, пластичности, жаростойкости, жаропрочности, кор­ розионной стойкости — решают легированием специальными примесями, горячей механической, термической и химико-терми­ ческой обработкой и другими методами, нашедшими широкое рас­ пространение в производстве, а также различными сочетаниями этих методов.

47

Одним из важных достоинств микроанализа как метода изу­ чения металла является возможность определить термическую обработку, которой подвергся металл, и качество ее выполнения.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Свойства металлов можно в широких пределах изменять терми­ ческой обработкой, которая позволяет упрочнять и разупрочнять металл, повышать или понижать его пластичность, устранять внутренние напряжения в металле, сообщать ему специальные физические свойства, например магнитные, повышать корро­ зионную стойкость. Таких разнообразных изменений свойств достигают однократными или многократными операциями нагрева, выдержки при определенных температурах и охлаждения метал­ лического изделия с разной скоростью.

Термическая обработка вызывает изменения структуры и на­ пряженного состояния металлов и сплавов. Основой для разра­ ботки ее процессов является изучение кинетики превращений, происходящих в металле при различных температурах, и факто­ ров, влияющих на эту кинетику, а также диаграмм состояния, представляющих собой наглядное изображение процессов кри­ сталлизации сплавов. По диаграммам состояния определяют фазы, существующие у сплавов данных компонентов при различ­ ных температурах, превращения, происходящие в сплавах с изме­ нением температуры и концентрации, и критические точки — тем­ пературы, при которых происходят фазовые превращения. Диа­ грамма состояния железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов, показанная на рис. 21, охватывает интервал концентраций от чистого железа до химического соединения его с 6,67% угле­ рода.

Теория термической обработки, анализ превращений, проис­ ходящих в металлах и сплавах, методы построения диаграмм со­ стояния и их анализа изложены в курсах металловедения и терми­ ческой обработки. В соответствующих главах данной книги осве­ щены применяемые в практике турбостроения виды и режимы тер­ мической обработки металлических заготовок; здесь дана краткая характеристика основных видов термической и химико-терми­ ческой обработки, применяемых в производстве заготовок и дета­ лей паровых турбин.

Отжиг. Этот вид термической обработки осуществляют в тех случаях, когда необходимо получить равновесную, устойчивую структуру металла, снять остаточные напряжения, улучшить обрабатываемость металла на металлорежущих станках, устра­ нить несовершенства строения и состояния, созданные предше­ ствующей обработкой металлической заготовки или изделия: искажения кристаллической решетки, неравномерное распреде­ ление упругих деформаций, неоднородность химического состава,

48

1 «■»

£

SS

«5s

о.

'S Oo

£

1 6 0 0

j 0 ßdfiujndauu9_i