книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

п р о б а на в ы д а в л и в а н и е (вдавливание), которой подвергаются листы и ленты. На образце с помощью пуансона и матрицы выдавливается лунка. По глубине вытяжки, полученной перед разрушением металла, оце­ нивают его пластичность;

п р о б а на с к р у ч и в а н и е (ГОСТ 1545—63) применяется для про­ волоки диаметром не более 10 мм. Оценкой способности к пластической де­ формации служит число скручивании образца определенной длины на 360°; п р о б а на г и б с п е р е г и б о м определяет способность проволо­ ки, полос и листов претерпевать в холодном состоянии пластическую де­

формацию изгиба. Образец, вертикально закрепленный в приборе, поперемен­ но загибают вправо и влево на 90° до разрушения или до числа перегибов, установленных технической документацией. Для проволоки диаметром от 0,8 до 7,0 мм проба на гиб с перегибом стандартизована ГОСТ 1579—63.

§ 39. Металлографические методы контроля качества

Металлографические методы исследования металлов, сплавов, загото­ вок и деталей заключаются в непосредственном наблюдении за их структу­ рой невооруженным глазом или при помощи лупы, металлографического или электронного микроскопа.

Металлографические методы разделяют на макро- и микроскопический

анализы; макроскопический осуществляется невооруженным глазом или при по­

мощи лупы и бинокулярного микроскопа с увеличением до 30—50 раз; микроскопический осуществляется с помощью микроскопов с увеличе­

шлифы, вырезанные из полуфабрикатов, заготовок или деталей.

Подготовка шлифов для макроанализа во многих случаях ограничивает­ ся вырезкой образцов, их грубым шлифованием и последующим травлением. Подготовка шлифов для микроанализа — операция более сложная, вклю­ чающая тонкое шлифование, полирование и травление. Образцы для микро­ анализа вырезают из тех мест изделия, которые являются наиболее важны­

ми в эксплуатационных условиях.

При вырезке и изготовлении образцов для металлографического анали­ за нельзя допускать их нагрева выше 100—150° С, в противном случае мо­ гут произойти структурные изменения, искажающие действительное строе­ ние сплава.

Методики изготовления макро- и микрошлифов для металлографическо­ го анализа приведены во многих руководствах, инструкциях и стандартах.

М а к р о с к о п и ч е с к и й а н а л и з используется в заводской практи­ ке для контроля качества сырья, полуфабрикатов и изделий. С помощью макроанализа определяются:

металлургические пороки: раковины, волосовины, флокены и др.; качество ковки, например, направление волокна материала деталей, из­

готовленных из деформируемых сталей и сплавов; величина зерна и наличие разнозернистости;

наличие, расположение и глубина слоя металла, упрочненного поверх­ ностной закалкой или химико-термической обработкой (цементация, азоти­ рование и др.);

представление о их свойствах.

Микроанализ позволяет выявлять: загрязненность металла неметалличе­ скими включениями; фазовый и структурный состав сплава; глубину слоя обезуглероживания; структуру и глубину поверхностного слоя деталей, под­ вергшихся химико-термической обработке; толщину поверхностных металли­ ческих покрытий; характер п глубину проникновения коррозионных пора­ жений.

Кроме того, с помощью мнкрранализа выявляются микротрещнны, устанавливается величина зерна, контролируется качество сварных и паяных соединений. Микрошлифы рассматриваются как в нетравленом, так и в трав­ леном (обработанном специальными реактивами) состоянии.

На нетравленой поверхности мнкрошлнфа под микроскопом могут быть выявлены неметаллические включения — сульфиды, окислы, а также шлако­ вые включения. Для выявления структуры материала шлиф подвергается травлению. Для оценки металла по количеству и характеру расположения неметаллических включений служит ГОСТ 1778—70, который предусмат­ ривает оценку металла высокой чистоты методом сравнения с эталонными шкалами при увеличении в 200 раз. Следует отметить, что ГОСТ 1778—70 предусматривает новые методы подсчета количества и измерение размеров включений в сплавах, в частности, с применением автоматический счетчиков, включающих фотоэлектронные устройства и ЭЦВМ.

В ряде случаев микроанализ позволяет определить причину понижен­ ных механических свойств материала. Так, перегрев стали всегда ведет к снижению механических свойств и изменению ее микроструктуры.

Многие стандарты на стали и сплавы содержат эталоны характерных микроструктур, по которым н проводится оценка их качества (например,

ГОСТ 5952—63, ГОСТ 5950—63. ГОСТ 10801—64 и др.).

Г л а в а XI

КАПИЛЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

§40. Область применения капиллярных методов контроля

иих характеристика

Основное назначение капиллярных методов контроля — это выявление открытых нарушении сплошности поверхностных слоев деталей, изготовленных из металлов и неметаллов. Про­ ведение контроля возможно как в процессе изготовления де­ талей, так и в процессе их эксплуатации и восстановления.

В настоящее время эти методы контроля нашли широкое применение во многих отраслях промышленности. Основна'я область применения капиллярных методов — контроль изде­

242

лий из немагнитных материалов (неферромагиитных сталей, жаропрочных, титановых, алюминиевых, магниевых и других сплавов), а также изделий из керамики, стекла, металлокера­ мики, некоторых пластических и синтетических материалов.

Капиллярные методы позволяют выявлять шлифовочные, усталостные и термические трещины, волосовины, закаты, заковы, пористость материала и другие поверхностные дефекты на изделиях любой формы, а также применяются для выяв­ ления межкристаллитной коррозии, растрескивания поверх­ ности изделия или хромового покрытия на нем.

При контроле качества сварных швов рентгеновский конт­ роль или гамма-просвечивание могут сочетаться с капилляр­ ными методами.

Капиллярные методы существенно облегчают контроль в тех случаях, когда размеры поверхностных дефектов таковы, что их невозможно выявить невооруженным глазом. Исполь­ зование в этом случае оптических приборов незначительно по­ вышает надежность контроля, так как незначительная конт­ растность изображения и малое поле зрения при больших уве­ личениях заметно затрудняют контроль. Применение же ультразвукового и электромагнитного методов контроля иногда бывает невозможно из-за сложности формы изделий и состояния их поверхности.

Контроль с помощью капиллярных методов контроля можно применять и для выявления сквозных несплошностей, например, для контроля сварных швов при изготовлении ем­ костей. В этом случае нанесение проявляющего вещества и осмотр производятся со стороны, противоположной той, на которую наносилась проникающая жидкость.

Капиллярные методы обладают достаточно высокой чув­

* По А. С. Боровикову.

Высокая чувствительность капиллярных методов и просто­ та контроля позволяют использовать их не только в качестве самостоятельного метода контроля, но и для подтверждения и уточнения размеров и местоположения дефектов, обнару­ женных другими методами (например, ультразвуковым и элек­ тромагнитным).

Рассматриваемые методы позволяют лишь приблизительносудить о глубине и размере дефектов. Надежно оценивать глубину и размер дефекта могут лишь контролеры, имеющие большой опыт работы.

Капиллярные методы контроля могут применяться в лабо­ раторных, цеховых и полевых условиях. Они обладают высо­ кой чувствительностью к поверхностным дефектам с неболь­ шим раскрытием у поверхности (типа трещин), достаточно­ производительны, технологически являются одними из наибо­ лее простых, надежны и относительно недороги.

К капиллярным методам дефектоскопии относятся методы неразрушающего контроля материалов, деталей и изделий, ос­ нованные на использовании капиллярного проникновения хо­ рошо смачивающей материал изделия жидкости в полости де­ фектов. Это возможно в том случае, если размеры полостей поверхностных дефектов таковы, что они обладают свойствами капилляров.

Дефект будет четко виден только в том случае, если между ним и неповрежденным участком изделия будет значительный оптический (яркостный пли цветовой) контраст. При капил­ лярных методах контроля контрастность искусственно увели­ чивают для того, чтобы выявить поверхностные дефекты нево­ оруженным глазом. В качестве жидкости, проникающей в по­ лости дефектов, применяются цветоили светоконтрастные жидкости.

Процесс контроля с помощью капиллярных методов состоит из простых операций.

Нанесенная на поверхность изделия проникающая жид­ кость в течение некоторого времени выдерживается на ней для того, чтобы жидкость успела проникнуть в полости открытых дефектов (рис. 60, а ) . Затем поверхность исследуемого изделия очищают от излишков жидкости, которая остается только в по­ лостях дефектов (рис. 60, б). Последний этап — выявление сле­ дов дефектов с помощью специальных проявляющих ма­ териалов, способствующих выходу проникающей жидкости из полости дефектов на поверхность изделия (рис. 60, в). Выход проникающей жидкости из полости дефекта осуществляется за счет ее адсорбции проникающим веществом или диффузии в него. Образующиеся при этом индикаторные следы дефектов

244

значительно шире самих дефектов. Проявляющие вещества, как правило, обеспечивают видимый контраст дефектов на фоне исследуемой поверхности. Благодаря проявляющим ве­ ществам места выхода проникающей жидкости из полости дефектов становятся темными на светлом фоне, окрашенными на контрастирующем фоне или люминесцирующмми на тем­ ном фоне остальной поверхности. После этого изделие осмат­ ривают либо при дневном (искусственном), либо при ультра­ фиолетовом освещении, в зависимости от примененного пене­ транта (проникающей жидкости).

Рис. 60. Схема капиллярных методов контроля

Следует отметить, что для капиллярных методов контроля существуют предельные размеры выявляемых дефектов. Ниж­ ний предел определяется шириной раскрытия дефекта. Если она очень мала, то в полость дефекта не может попасть про­ никающая жидкость. Верхний предел определяется тем, что при больших размерах дефектов при удалении излишков про­ никающей жидкости с поверхности изделия возможно ее уда­ ление и из полости дефектов.

Кратко рассмотрим физические явления, которые исполь­ зуются в капиллярных методах контроля.

1. Поверхностное натяжение. Жидкости не обладают упру­ гостью формы, но обладают большой объемной упругостью. Потенциальная энергия молекулы, находящейся на поверхно­ сти, больше, чем находящейся внутри объема жидкости. Это объясняется тем, что молекула, находящаяся на поверхности, только со стороны жидкости окружена ее молекулами. Поэтому молекулы на поверхности, чтобы занять положение с мини­ мальной потенциальной энергией, стремятся втянуться внутрь объема жидкости. Иначе говоря, жидкость при том же объеме стремится уменьшить свою свободную поверхность.

На границу свободной поверхности действует сила поверх­ ностного натяжения, лежащая в плоскости, касательной к по­ верхности, и перпендикулярная к контуру, ограничивающему поверхность жидкости:

245

Д F п о п т . п ат а. ■ Д/,

где а — коэффициент поверхностного натяжения, н/м;

равен силе поверхностного натяжения, действующей на еди­ ницу длины контура, ограничивающего поверхность жидко­ сти. Он же равен работе увеличения поверхности жидкости на единицу поверхности (а — свободная энергия единицы площа­ ди поверхности жидкости).

Коэффициент поверхностного натяжения для большинства жидкостей линейно убывает с температурой:

где tK— критическая температура данной жидкости.

2. Смачивание и капиллярные явления. Жидкость смачи­ вает твердое тело, если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой. В этом случае жидкость будет растекаться по твердому телу и стре­ миться увеличить поверхность соприкосновения с ним.

Если же силы взаимодействия молекул жидкости между собой больше, чем с молекулами твердого тела, то жидкость несмачивающая. При этом жидкость стремится сократить поверхность соприкосновения с твердым телом.

Процесс растекания смачивающей жидкости на поверхно­ сти твердого тела или стягивания песмачивающей жидкости прекращается, когда угол между свободной поверхностью жидкости и твердым телом достигнет предельного значения (называемого краевым углом), характерного для пары жид­ кость — твердое тело. Краевой угол острый для случая сма­ чивания, тупой — для несмачивания.

В узких сосудах и тонких пленках проявляются капилляр­ ные явления, которые вызываются тем, что давление внутри жидкости на некоторую величину ДрДОп отличается от внешне­ го давления газа. Это дополнительное давление в случае про­ извольной поверхности жидкости двойной кривизны опреде­ ляется формулой Лапласа

где а — коэффициент поверхностного натяжения;

246

R] и /?2 — главные радиусы кривизны поверхности (R > 0 г случае выпуклой поверхности, R < 0 в случае вогну­

Для плоской поверхности дополнительного давления не возникает, так как силы поверхностного натяжения направ­ лены вдоль поверхности.

Если жидкость расположена между двумя близкими парал­ лельными поверхностями, то поверхность жидкости будет иметь форму части боковой поверхности цилиндра радиу­ са R. Дополнительное давление в этом случае будет равно

Рис. 61. Схема капиллярных явлений

В капиллярах кривизна поверхности жидкости (мениск) становится значительной. За счет возникающего дополнитель­ ного давления жидкость в капилляре или поднимается, или опускается (рис. 61). Высота, на которую поднимается жид­ кость в капилляре, определяется из выражения

где а — коэффициент поверхностного натяжения; q — плотность жидкости;

g— ускорение силы тяжести;

г— радиус капилляра.

Капиллярные явления используются при выявлении дефек­ тов. Для проникновения жидкости в полость дефекта необхо­ димо, чтобы размеры полости обеспечивали образование ме­

247

ниска жидкости без плоских участков, а жидкость хорошо сма­ чивала материал контролируемого изделия.

3. Люминесценция. Люминесценция — свечение веществ возбуждаемое внешним источником возбуждения. Это может быть фотолюминесценция, возбуждаемая светом, рентгенолюмннесценция, возбуждаемая рентгеновскими лучами, и т. п.

В люминесцентном методе контроля используется фотолю­ минесценция. Многие вещества (как органические, так и не­ органические) способны превращать поглощенную ими свето­ вую энергию как видимую, так и ультрафиолетовую в свето­ вую энергию другого спектрального состава. При этом спект­ ральный состав излучения, как правило, не зависит от спект­ рального состава возбуждающей энергии, а свойствен дан­ ному веществу.

Люминесценция подразделяется на флуоресценцию — крат­ ковременное свечение, прекращающееся почти сразу же после прекращения облучения, и фосфоросценцию — свечение, про­ должающееся в течение сравнительно длительного промежут­ ка времени после прекращения облучения.

При люминесцентном контроле используется в основном явление флуоресценции, для возбуждения которой использует­ ся обычно ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,2—0,4 мкм. Излучение с длиной волны менее 0,2 мкм значи­ тельно поглощается воздухом, а с длиной волны 0,2—0,35 мкм поглощается обычным силикатным стеклом, поэтому для полу­ чения ультрафиолетового излучения применяют кварцевое или увиолевое стекло.

При люминесцентном методе контроля помимо естествен­ ных веществ применяются искусственно приготовленные веще­ ства с яркой люминесценцией — люминофоры.

§ 41. Классификация методов

Классификация капиллярных методов контроля основана на свето-колористических особенностях индикаторных следов. По этому признаку они подразделяются на три основных ме­ тода: цветной, люминесцентный и люминесцентно-цветной.

При ц в е т н о м м е т о д е дефекты выявляются по цвет­ ному индикаторному следу над дефектом, так как красительГ входящий в состав проникающей жидкости, обладает избира­ тельным отражением части видимого света. При л ю м и н е ­ с ц е н т н о м методе дефекты выявляются по свечению люминесцирующей проникающей жидкости, вышедшей из полости

цветного и люминесцентного методов. Чувствительность этого

248

метода большая при осмотре деталей в ультрафиолетовом све­ те, меньшая — в видимом свете.

Капиллярные методы контроля можно подразделить и по способу образования индикаторных следов дефектов. Приме­ няются четыре способа проявления: сорбционный «мокрый» и «сухой», диффузионный (растворяющий) и самопроявляющий без применения проявляющих веществ.

При с о р б ц и о н н о м с п о с о б е проявления на очищен­ ную от излишков проникающей жидкости поверхность нано­ сят либо сухой порошок («сухой» способ), либо порошок в виде суспензии («мокрый» способ). При этом за счет сорбцион­ ных сил из полости дефекта извлекается находящаяся .там проникающая жидкость.

Д и ф ф у з и о н н ы й с п о с о б заключается в нанесении на очищенную от излишков проникающей жидкости поверх­ ность детали специального покрытия, в которое диффундирует проникающая жидкость из полости дефекта. Диффузионный способ является более чувствительным чем сорбционный.

Способ контроля без применения проявляющих веществ может быть двух видов: беспорошковый и самопроявляющий.

При б е с п о р о ш к о в о м с п о с о б е проникающая жид­ кость является раствором органических кристаллов люмино­ фора в летучем растворителе. Деталь погружают в раствор, вы­ держивают некоторое время, а затем вынимают. После этого летучий растворитель испаряется, а на кромках детали оста­ ются кристаллы люминофора. Для предотвращения свечения при облучении ультрафиолетовым светом всей поверхности де­ тали ее обрабатывают в растворе, гасящем люминесценцию,

что после пропитки и удаления с поверхности излишков прони­ кающей жидкости деталь нагревают. При этом проникающая жидкость расширяется, выходит из полости дефекта и образует индикаторный рисунок, люминесцирующий при ультрафиоле­ товом освещении.

При цветном методе контроля применяются два способа проявления: сорбционный (в основном «мокрый») и диффу­ зионный (белые проявляющие лаки).

При люминесцентном методе применяются три способа про­ явления: сорбционный, диффузионный и без применения прояв­ ляющих веществ.

При люминесцентно-цветном методе используется только диффузионный способ проявления.

Наибольшее распространение в промышленности получили цветной (диффузионный) и люминесцентный («сухой» сорб­

249

ционный) методы. Внедряются люминесцентный (диффузион­ ный) и люминесцентно-цветной (диффузионный) методы.

Метод контроля с помощью фильтрующихся частиц у нас в стране широкого распространения не получил. Он применяется для контроля деталей, изготовленных из пористых веществ (щапрпмер, из материалов, полученных методами порошковой металлургии, графита, бетона, частично спеченных карбидов вольфрама и титана и др.). При контроле этим методом используется жидкость со взвешенными в ней частицами. Ча­ стицы должны быть несколько больше среднего размера пор, чтобы они не смогли проникнуть в поры контролируемой по­ верхности. Жидкость наносят па контролируемую поверхность. В зоне дефекта она впитывается в большей степени, чем остальной поверхностью. Взвешенные частицы фильтруются и откладываются на поверхности. Для большей контрастности возможно использование люмнпесцирующих частиц.

§ 42. Технология капиллярных методов контроля

Технология проведения контроля по существу почти одина­ кова для всех капиллярных методов, за исключением метода фильтрующихся частиц. Основные этапы проведения контроля следующие:

подготовка поверхности изделия к контролю; нанесение на изделие индикаторного пенетранта (прони­

кающей жидкости); удаление с поверхности изделия излишка индикаторного

пенетранта (проникающей жидкости); нанесение на поверхность изделия проявляющего вещества; расшифровка результатов контроля;

последующей эмульсифпкацни, перед удалением излишка проникающей жидкости с поверхности изделия необходим еще один этап — нанесение на поверхность изделия эмульгатора.

Успех контроля в значительной степени зависит от тща­ тельности выполнения технологических операций контроля, температуры, при которой проводится контроль, и качества применяемых материалов. Например, при цветном методе контроля большое значение имеет температура, при которой производится контроль. Пониженная температура приводит к снижению вязкости проникающей жидкости, что затрудняет ее проникновение в полости дефектов.

Кроме этого, при нанесении на холодную поверхность контролируемого изделия проявляющая краска медленнее вы­ сыхает, растекается, и поэтому индикаторные следы могут ока­

250