книги / Экспертиза качества и разрушений
..pdf2.Очистка мягкой волосяной щеткой способствует их удалению, но при этом следует соблюдать осторожность, чтобы не повредить поверхность излома. Не допускается применение металлических и других жестких щеток.
3.Обработка неорганическими растворителями погружением или струей, подаваемой насосом для удаления масла, пыли или пластиковых покрытий. Эта промывка может сопровождаться использованием ультразвука, нагревом растворителя или вакуумной очисткой.
4.Обработка слабыми кислотными или щелочными растворами (в зависимости от металла), которые действуют на осадки и почти не влияют на металл. Такую обработку используют как крайнее средство, так как она может уничтожить тонкие детали на поверхности излома. Для сплавов на основе железа используют уксусную или ортофосфорную кислоту. Весьма толстые слои ржавчины или окалины можно удалить растворами аммониевых солей лимонной или щавелевой кислоты. Другой рекомендуемой операцией для сплавов на основе железа является погружение на 1–5 мин в слабый раствор соляной кислоты, содержащей 2 г/л гексаметилентетрамина. Используют также сульфаминовую кислоту. Для очистки титановых сплавов лучше всего применять азотную кислоту. Поверхность изломов алюминиевых сплавов лучше всего очищать органическими растворителями. При загрязнении поверхности излома маслом или смазкой можно использовать органические растворители, например ацетон, трихлорэтилен.
В последнее время для очистки поверхности изломов широко используются пластиковые реплики, процесс нанесения и отделения которых повторяют несколько раз.
Операциями чистки механически или химически поврежденный излом не может быть восстановлен до своего первоначального состояния.
6.1.3. Визуальное изучение изломов и фотографирование
Прежде чем приступить к фотографированию поверхности излома, необходимо тщательно изучить полученный образец и выявить наиболее важные детали излома и некоторые дополнительные внешние факторы (такие как загрязнение или механическое повреждение поверхности после разрушения). Одновременно определяют необходимость специальной обработки поверхности. Исследование разрушенной детали начинают с визуального осмотра (без применения оптических средств). При этом устанавливают следующее:
301
–есть ли механические повреждения;
–есть ли признаки чрезмерной коррозии;
–деформирована ли деталь;
–наблюдаются ли признаки вторичного разрушения;
–можно ли сразу определить очаг разрушения;
–легко ли определить направление распространения трещины. Данные этого обследования позволяют сделать вывод относительно
условий эксплуатации до и в процессе разрушения. Затем проводят более детальное изучение излома с помощью лупы или стереомикроскопа с небольшим увеличением. Результаты этих наблюдений должны регистрироваться. При этом составляют перечень деталей поверхности, представляющих интерес для фотографирования с необходимым увеличением.
Следующий этап исследования – фотографирование. Оно может быть осуществлено широко распространенными цифровыми камерами. Должны быть сфотографированы общий вид разрушенной детали и отдельных ее частей, фиксация их размеров и состояния, а также описаны траектории разрушения по отношению к отдельным ее частям. За этим следует тщательное исследование излома при рассмотрении его изображения через видоискатель. Изучение необходимо начинать с применения прямого освещения, предусмотрев использование косого освеще-
ния (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Световые фрактограммы, показывающие влияние падения луча на вид поверхности излома
Необходимо также предусмотреть получение темнопольного изображения, чтобы как можно лучше выделить и усилить детали рельефа поверхности разрушения. После завершения этой предварительной ста-
302
дии осуществляется соответствующее фотографирование излома с регистрацией связи отдельных кадров по отношению к друг другу и ко всему излому. В дальнейшем на фотографию излома могут быть нанесены метки и линии, поясняющие особенности строения излома.
6.1.4. Разрезка изломов
Часто бывает необходимо отделить часть детали, содержащую излом, от всей детали, для того чтобы уменьшить величину исследуемого образца. Для большинства деталей это делается плазменной резкой. Разрезку следует проводить таким образом, чтобы излом и смежные с ним поверхности не были повреждены и не претерпели каких-либо изменений. Кроме того, необходимо сохранение излома сухим, когда это возможно. Для разрезки деталей самого различного размера можно использовать пилу или отрезной абразивный круг. Если рез идет по излому, используют электроискровую резку.
6.2. Развитие разрушения. Очаг разрушения
Разрушение часто начинается от различных внутренних нарушений сплошности структуры металлов. К таким нарушениям относятся закаты и волосовины в горячедеформированном металле, усадочные раковины, газовые пузыри в литых металлах, горячие трещины, включения, сегрегации примесей и непровары в сварных швах. Особенно часто поверхностные дефекты приводят к разрушению, если присутствуют в металлах с высокой твердостью. Несплошность чаще всего можно обнаружить, если она является очагом разрушения. Плоский участок, который при визуальном рассмотрении выглядит черным или тусклым и не имеет характерных рельефов разрушения, указывает на наличие закатов, волосовин или неслитин.
Интерес к точному определению месторасположения очага разрушения связан с тем, что очень важно установить, что же инициировало разрушение. Первоначальное исследование излома направлено на выявление всех особенностей рельефа, которые могут указать на месторасположение очага разрушения.
Некоторые данные о направлении распространения трещины можно получить при общем осмотре сломанной детали. Для этого части детали должны быть сложены вместе до почти полного соприкосновения, но таким образом, чтобы не произошло повреждение поверхности излома. За-
303
тем следует выявить характерные признаки, свидетельствующие о последовательности разрушения, учитывая следующее: быстро продвигающаяся в плоской части детали трещина часто разветвляется в процессе распространения, но почти никогда не соединяется с другой трещиной для продолжения в виде единой трещины; если движущаяся трещина присоединяется к ранее существовавшей, то они обычно встречаются под углом, близким к 90°, а не меньшем; почти невозможно для пересекающей трещины пересечь ранее существовавшую трещину.
Поэтому направление, в котором расположено начало трещины (очаг разрушения), всегда противоположно направлению ее ветвления
(рис. 6.2).
Рис. 6.2. Схема, иллюстрирующая взаимное расположение очага разрушения и разветвления трещины
Если трещина встречается с другой трещиной под углом примерно 90°, то это свидетельствует о том, что она возникла позже и очаг разрушения следует искать не на ней, а на образовавшейся ранее трещине
(рис. 6.3).
Прохождение трещины через данное сечение изделия (содержащее очаг разрушения) часто приводит к перегрузке в примыкающих сечениях. Если в этих сечениях дефекты отсутствуют, то последующее разрушение будет сопровождаться большой пластической деформацией. Поэтому в случае разрушения изделия на несколько частей наиболее вероятно нахождения очага в том из них, в котором отсутствуют признаки пластической деформации.
304
Рис. 6.3. Схема Т-образного соединения трещин
Связанные с этим явления относятся к быстрому распространению трещины вязкого типа. Если трещина образовалась по локальному, макроскопически хрупкому механизму (усталостное, коррозионное растрескивание и т.д.), а в последующем распространилось по вязкому механизму, то на тщательно составленных кусках разрушенного изделия будет обнаружено несоответствие деформаций.
Точное определение местонахождения очага разрушения обычно производится путем изучения поверхности излома. При всех типах быстрых или катастрофических разрушений на поверхности изломов образуются рубцы, которые указывают направление роста трещины. Радиальные рубцы, например, перпендикулярны фронту трещины и таким образом исходят из очага разрушения. Эти рубцы обнаруживаются с помощью светового микроскопа при небольшом увеличении. Шевронные узоры являются теми радиальными рубцами, которые особенно помогают при определении месторасположения очага разрушения. Эти узоры образуются во многих материалах при высокой скорости разрушения. Наиболее четко это видно в изломах листов из малоуглеродистой стали (рис. 6.4). Шевронные изломы очень помогают при определении месторасположения очага разрушения в изломах корпусов судов, трубопроводов, котлов высокого давления.
Изломы, начавшиеся с поверхности, имеют мелкофасеточное строение, и разрушение может быть преимущественно межзеренным. По мере удаления от очага разрушения фасетки в изломе постепенно сменяются ямками. Переход к темной зоне ямок может быть резким.
305
Рис. 6.4. Схема строения излома, образующегося при испытании на растяжение надрезанного образца (стрелки указывают направление распространения трещины): 1 − толщина сечения; 2 − поверхность надреза; 3 − волокнистая зона; 4 − зона среза; 5 − радиальная зона; 6 − очаг разрушения
Волокнистые кольцевые бороздки, гребни отрыва и линии остановки фронта трещины также могут быть использованы как указатели, месторасположения очага разрушения, подобно концентрическим кольцам на поверхности воды возле места падения камня.
Обычно очаги разрушения находятся на свободных поверхностях изделий, чему способствуют наличие концентраторов, изгибающие и крутящие нагрузки, а также коррозионная среда. Исключением является расположение очага разрушения в подповерхностном слое. Это обычно происходит при поверхностном упрочнении, в присутствии крупных внутренних дефектов.
Усталостные изломы, на которых образуются линии усталости, имеют различный рельеф, зависящий от того, возникают ли они в результате малоцикловой или многоцикловой усталости. В последнем случае вблизи очага разрушения образуется значительная ровная поверхность (рис. 6.5).
Рельеф излома в области очага разрушения в среднеуглеродистых сталях с высокой твердостью и в высокоуглеродистых сталях обычно мелкофасеточный и может быть преимущественно межзеренным. Шевронные узоры чаще наблюдаются при быстром разрушении деталей или образцов, имеющих толщину много меньшую, чем их длина и ширина. Детали, подвергнутые поверхностному упрочнению, обычно имеют на поверхности разрушения шевронные изломы (рис. 6.6).
306
Рис. 6.5. Усталостный излом
Рис. 6.6. Поверхность излома цементованного слоя, сломавшегося при однократном ударном изгибе. Очаг разрушения в области мелких фасеток. Шевронный узорв изломеупрочненного слоя указывает положение очага разрушения
В высокопрочных сталях усталостные трещины обычно занимают очень небольшую часть поперечного сечения, если номинальные напряжения достаточно велики.
Если разрушение происходит менее чем за 4000 циклов, то зона усталостной трещины может быть настолько мала, что трудно отличить усталостный излом от излома при однократном нагружении. В случае упрочненных слоев иногда необходимо увеличение, чтобы отличить зону усталостного разрушения от окружающей ее зоны долома. Шев-
307
ронные изломы можно наблюдать в изломах, пересекающих упрочненные слои. При многоочаговом зарождении усталостной трещины в зоне усталостной трещины может быть много зазубренных ступенек, вызванных слиянием смежных усталостных трещин, имеющих незначительно различающую ориентировки. Зоны усталостной трещины могут иметь радиальные рубцы, которые сходятся в очаге разрушения. Направление роста трещины можно определить, проводя перпендикуляр к линиям остановки трещины. Очаг разрушения может быть найден вдоль этого направления с вогнутой стороны линий усталости.
Многие типы изломов, в том числе и эксплуатационных, образуются в результате разрушения, протекающего в следующей последовательности: зарождение трещины, субкритическое подрастание и окончательный излом, когда несущая способность оставшегося поперечного сечения перестает соответствовать приложенной нагрузке.
В результате развития процессов разрушения на поверхности изломов остаются характерные следы, которые дают возможность обнаружить очаг, направление развития трещины, а также различить зону долома (рис. 6.7). На рис 6.8. приведены схемы, первоначально предложенные для усталостных трещин, но впоследствии распространенные для случаев стабильного роста субкритической трещины.
Рис. 6.7. Определение очага разрушения в изломе надрезанного прутка из стали с 12 % Cr. Разрушение произошло в результате двух ударов молотком. Разрушение может быть определено продолжением радиальных рубцов до их пересечения в нижней части излома. Трещина остановилась на линиях А и В при первом ударе молотка и возобновила свое движение при втором ударе
308
Рис. 6.8. Классификация усталостных изломов, образующихся в гладких и надрезанных деталях круглого сечения
при различных условиях нагружения
Приведенные схемы можно использовать как ориентировочные. Они основаны на следующих принципах:
1. Когда увеличиваются локальные напряжения в областях потенциального зарождения трещин, увеличивается число активных зародышей трещин, очагов разрушения. Поэтому при высокой перегрузке или при наличии концентраторов напряжений будет наблюдаться многоочаговое зарождение. До момента объединения трещины будут разделяться маленькими выступами, которые образуют храповый узор. В то же вре-
309
мя при минимальных перегрузках выше предела выносливости трещина возникает от одного очага и общее разрушение наступает в результате роста этой трещины.
2.При отсутствии концентраторов напряжений трещины распространяются быстрее вблизи центра сечения. Это происходит благодаря большему стеснению пластической деформации в условиях трехосного растяжения в средней части образца.
3.Для данного материала площадь зоны долома по отношению
кплощади зоны субкритического роста трещины будет увеличиваться при повышении номинального напряжения.
В изломе при изгибе с вращением зона долома часто смещается или поворачивается по отношению к очагу разрушения в направлении, противоположном вращению. Зона долома будет смещаться к центру сечения, когда номинальные напряжения увеличиваются.
Очаг разрушения находится на свободной поверхности или вблизи ее. При изгибе или наличии концентраторов напряжений наибольшие напряжения действуют на свободной поверхности. Реже наблюдаются подповерхностные очаги разрушения, они обычно возникают при циклическом нагружении, когда имеется либо большое включение, либо другой дефект внутри образца или детали. Зарождение трещин на ребрах или на концах просверленных отверстий может происходить при наличии заусениц, оставшихся после механической обработки.
В поверхностно упрочненных изделиях, подвергаемых изгибу или кручению, усталостные трещины могут начинаться вблизи границы раздела «упрочненный слой − сердцевина» в местах концентрации напряжений, в местах больших перепадов прочности.
Использование этих принципов и схем включает несколько этапов. Вначале на изломе определяют число очагов разрушения. Многоочаговое разрушение, выявленное по храповому узору, свидетельствует о высоком уровне напряжений или наличии нескольких концентраторов напряжений. Развитие трещины от одного очага разрушения свидетельствует о более
низком уровне приложенных напряжений. Далее оцениваются форма ирасположение фронта растущей трещины и определяется тип нагружения и концентрации напряжений на поверхности. Наконец, по расположению и величине зоны долома судят об уровне номинальных напряжений.
Детали из высокопрочных сталей могут разрушаться при очень низких внешних или остаточных напряжениях, если они охрупчиваются при поглощении водорода или подвергаются действию окружающей среды,
310