Основные виды дефектов в металлах

Охрупчивание материала

При оперативном обследовании потенциально опасных объектов и выяснении причин аварий необходимо обнаружить дефекты в конструкционных материалах и выяснить причины их появления. Обнаружить дефекты различной физико-химической природы непосредственно в эксплуатационных условиях позволяют многочисленные методы неразрушающего контроля, основанные на различных физических принципах.

По происхождению дефекты в металлах подразделяют на производственно-технологические, возникающие при отливке, прокате, ковке, термической и других видах обработки, сварке, пайке, клепке, неправильной сборке, и эксплуатационные, возникающие вследствие появления дополнительных нагрузок, ударов, вибрации, перепада температур, а также коррозии, изнашивания, старения. Анализ дефектов сталей дан в ГОСТ 10243-82 и ГОСТ 8233-56. Рассмотрим основные из них.

При определении технического состояния сосудов, выполненных из материалов, у которых под действием эксплуатационных факторов может происходить изменение исходных свойств, приводящее к их охрупчиванию, проводится оценка вида и величины (степени) охрупчивания материала под воздействием технологических и эксплуатационных факторов.

К технологическим факторам охрупчивания относятся все виды воздействий на стадиях изготовления (вальцовка, подгиб кромок, сварка, термообработка и т.д.), транспортировки и монтажа сосуда.

К эксплуатационным факторам охрупчивания относятся все виды тепловых, механических, коррозионно-механических и коррозионных воздействий: в период эксплуатации сосуда, включая технологические и внеплановые остановы.

К числу основных видов охрупчивания, возникающих при эксплуатации конструкций относятся:

а) тепловая хрупкость, обусловленная сегрегацией вредных примесей типа фосфора и его химических аналогов и выделением карбидов по границам зерен при длительном воздействии повышенных температур (150-500°С);

б) водородная хрупкость, вызванная воздействием водорода и водородосодержащих газовых и жидкостных сред;

в) деформационное старение в зонах конструкции, испытывающих малоцикловую усталость и статическую или циклическую перегрузку в результате накопления при пластической деформации дефектов кристаллической решетки типа дислокаций и последующего закрепления их атомами внедрения типа углерода и азота;

г) сульфидное растрескивание, обусловленное влиянием сульфидсодержащих составляющих в жидкой и газовой средах;

д) коррозионное растрескивание под напряжением, вызванное одновременным воздействием механических нагрузок и электрохимических процессов коррозии;

е) хлоридное растрескивание, связанное с присутствием в жидкой фазе ионов хлора.

В зависимости от конструктивных особенностей сосуда, наличия зон с различными условиями эксплуатации (температура, давление, среда и т.д.), режимов сварки и материального исполнения элементов конструкции степень охрупчивания металла может существенно различаться,что следует учитывать при выборе места отбора проб.

В зависимости от потенциальной опасности, возникающей при разрушении конструкции, возможных механизмов повреждаемости металла, сроков ее эксплуатации и иных важных обстоятельств организация, проводящая обследование, совместно с владельцем сосуда согласовывает методику отбора проб металла, предусматривающую вырезку заготовок (макропроб), или спил, срез, сруб малых проб (микропроб), не нарушающих целостность конструкции.

Места вырезки заготовки для изготовления стандартных образцов, ориентация оси концентраторов (надрезов) в этих образцах определяется в зависимости от конструктивных особенностей сосуда, ожидаемых мест максимальной повреждаемости материала и условий возможного ремонта конструкции.

Технология вырезки заготовки для изготовления стандартных образцов определяется ГОСТ 7268 [43] с учетом конструктивных особенностей сосуда условия максимального облегчения последующих ремонтных работ по восстановлению работоспособности конструкции.

Каждая заготовка должнаиметь маркировку с указанием мест отбора проб и направления ориентировки характерного элемента заготовки по отношению к элементу конструкции.

При использовании методики малых проб с толщиной микропроб, не превышающих глубину коррозионных язв, питтинга или толщиной 2.5- 5% от толщины стенки сосуда, отбор проб проводят механическим (спил, срез, сруб) или физическим (электроискровым и т.д.) способами без применения огневого воздействия на металл. Технология проведения работ должна обеспечить минимальную деформацию металла при отборе проб.

Рекомендуемый размер микропроб от элементов сосуда должен быть не менее 1,2 х 1,5 х 15 мм, а минимальная площадь сечения в ее срединной части - не менее 3 мм².

Каждая микропроба должна иметь сопровождающую записку, указывающую место ее отбора и направление ориентировки длинной стороны микропробы относительно элемента конструкции.

После проведения отбора микропроб металла, места отбора подвергаются механической зачистке (с помощью шлиф-машинки или другими способами) для устранения концентраторов напряжений.

На каждую конструкцию составляется карта отбора микропроб с указанием места отбора по отношению к сварному соединению: основной металл, металл сварного шва и околошовной зоны и зонам сосуда, при этом для двухфазной среды выделяются зоны с исключительно газовой и жидкостной средой и зоной переменного смачивания.

С целью выявления межзеренной хрупкости, которая свойственна видам хрупкости указанных в п. 3.8.14. а, б, г, д, е и др., электронно-фрактографический анализ проводится на хрупких кристаллических зонах изломов стандартных образцов (ГОСТ 9454 [24]) или микропроб, а также элементах конструкции в случае их разрушения.

При фрактографическом анализе излома стандартных образцов исследованию подлежит поверхность разрушения в пределах «хрупкого квадрата» (кристаллического строения поверхности разрушения центральной части образца).

При определении доли межкристаллитного разрушения на микропробах форма их и размеры - произвольны в той степени, чтобы хрупкий излом надежно характеризовал состояние материала в исследуемых зонах (элементах) конструкции.

С целью ограничения влияния на строение изломов предварительной пластической деформации, возникающей при разрушении, рекомендуется использовать образцы и микропробы с острым V- образным надрезом (ГОСТ 1454).

Температура испытания Т_исп. стандартных образцов, предназначенных для электронно-фрактографического анализа, устанавливается по положению кривой температурной зависимости ударной вязкости КС=f(Т_исп) и доли волокна в изломе В=f(Т_нсп) для исследуемого материала, так что Т_нсп должна быть ниже Т₅₀ и Т_к (КСV=20дж/см²) на 70⁰С и 20⁰С соответственно, где Т₅₀-критическая температура, устанавливаемая по наличию в изломе 50% волокнистой составляющей, Т_к (КСV=20дж/см²) критическая температура определяемая по величине ударной вязкости на образцах с V-образным надрезом, равной 20 Дж/см².

Температура испытания микропроб от сосудов, которые изготовлены из известных сталей, определяется аналогичным образом. Для случаев, когда сериальные кривые КС=f (Т_ИСП) и В=f (Т_исп) для обследуемой конструкции неизвестны, то температуру первого испытания целесообразно выбрать в диапазоне температур от минус 60° до минус 120°С. По результатам первого испытания микропробы произвести коррекцию температуры последующих испытаний.

При наличии информации о хрупком разрушении конструкции из углеродистых и низколегированных сталей при комнатной и более высоких температурах с целью удобства и экономии хладагента первые испытания ударных образцов и микропроб рекомендуется проводить при комнатной температуре.

С целью предотвращения коррозионных повреждений поверхности разрушения отогрев изломов производить в ванне с предохраняющей от коррозии жидкостью (ацетон, толуол, гексан и т.п.), а сушку - с помощью фена или вакуумирования.

При измерении доли структурных составляющих хрупкого излома осматривают не менее 50-100 полей зрения при увеличении x1000-хЗ000 раз в растровом электронном микроскопе и 500-600 полей зрения с 3-5 реплик (с числом полей зрения в каждой реплике не менее 70) при увеличении х4000-х6000 раз в просвечивающем электронном микроскопе.

Рабочее увеличение, используемое при электронно-фрактографическом анализе, определяется из условия,чтобы размер поля (кадра) не превышал или был равен наиболее вероятному размеру наименьшего структурного элемента, например, фасетки транскристаллитного скола.

В каждом из полей зрения (кадра) отмечают превалирующий ( 85%) характер разрушения - хрупкий транскристаллитный скол (X), ямочный (Я), межкристаллитный (М) и смешанные: (М+Я), (М+Х), (Х+Я). Доля межкристаллитной составляющей f_м рассчитывается как:

f

где N - общее число полей зрения: - суммарное число полей, занятых данным видом структурной составляющей излома. Аналогичным образом устанавливается доля полей f_х, занятая фасетками хрупкого транскристаллитного скола.

Приведенная доля межкристаллитной составляющей F_м, отражающая увеличение длины свободного пробега элементарной хрупкой микротрещины за счет ослабленных границ зерен, определяется по отношению величины f_м площади хрупкой зоны излома, занятой фасетками транскристаллитного скола фасетками межкристаллитного разрушения, так что:

Смешение критической температуры, связанной с величиной межкристаллитного охрупчивания стали, устанавливается по соотношению:

где и критическая температура хрупкости металла после эксплуатации и в исходном состоянии (до эксплуатации) соответственно, приведенная доля межкристаллитного разрушения в металле после эксплуатации и в исходном состоянии соответственно, Т_к° - постоянная материала, зависящая от типа структуры, а именно Т_к° = 10°С для стали со структурой феррита и феррит + перлит, Т_к° =20°С для стали со структурой мартенсита и бейнита, в том числе мартенсита и бейнита отпуска и смешанной структурой, в которой присутствуют продукты сдвигового (бездиффузионного) превращения, К - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида межкристаллитного разрушения, а именно К=3,0°С/% для межзеренного разрушения по границам бывших зерен аустенита в сталях, структура которых образовалась по сдвиговому механизму превращения К=1,04°С/% для межсубзеренного разрушения в сталях, структура которых образовалась по сдвиговому механизму превращения, и межзеренного разрушения в сталях, испытавших диффузионное превращение.

Установление вида межкристаллитного разрушения в сталях, показывающих в структуре продукты сдвигового превращения, проводят по характеристикам структуры хрупкого излома путем измерения фасеток хрупкого межкристаллитного и транскристаллитного скола разрушения: если средний размер фасетки межкристаллитного разрушения меньше среднего размера фасетки транскристаллитного скола, то имеет место межсубзеренное разрушение, а в иных случаях - межзеренное.

Для сосуда, выполненного из разнородных материалов, степень межзеренного охрупчивания определяется для каждой стали.

Для сварных конструкций рекомендуется оценку степени охрупчивания стали производить для основного металла, металла сварного шва, для околошовной зоны.

Для сосудов с антикоррозионным защитным покрытием, эксплуатируемых при повышенных (>150°С) температурах допускается проводить отбор проб металла с наружной стороны конструкции. Степень охрупчивания металла со стороны защитного покрытия рассчитывается специализированной организацией с учетом перепала температур по толщине стенки.

При прогнозировании характеристик трещиностойкости и остаточного ресурса сосуда, выполненного из материалов склонных к хрупкому разрушению и эксплуатируемого в диапазоне температур вязко-хрупкого перехода, скорость охрупчивания стали V_oxp. определяется как , где - продолжительность эксплуатации сосуда.

Дефекты

Дефект-каждое отдельное несоответствие (недопустимое отклонение) продукции установленным требованиям согласно НТД.

Классификация дефектов:

Класс	Тип	Возникновение, влияние
1. По происхождению	1.1 Металлургические. 1.2 Технологические (изготовление) 1.2.1 Механическая обработка 1.2.2 От резки 1.2.3 Сборка 1.2.4 От сварки 1.2.5 От термообработки 1.3 Эксплуатационные	После наработки в результате воздействия среды, нагрузок и др. условий работы.
2. По степени влияния на работоспособность	2.1 Недопустимые   2.2 Допустимые	При наличии, которых не возможно использовать продукцию по назначению из-за несоответствия требованиям безопасности и надежности, оговариваются в НТД. Не оказывают существенного влияиия на работу оборудования, оговариваются в НТД.
3. По возможности выявления	3.1 Явные     3.2 Скрытые	Можно обнаружить при визуально-измерительном контроле и другими методами. Не выявляются используемыми методами.
4. Расположение по изделию	4.1 Сквозные дефекты 4.2 Несквозные 4.3 Наружные 4.4 Внутренние
5. По величине	5.1 На молекулярном уровне 5.2 Микроскопические   5.3 Макроскопические	На уровне кристаллической решетки. Выявляются при увеличении их в 50 и более раз. Видимые глазом или лупой, для визуально-измерительного контроля лупа 4-7 кратная.
6. По количеству	6.1 Единичные 6.2 Групповые	Согласно определений по НТД (от размера и количества).
7. По расположению в пространстве и по форме	7.1 Протяженные 7.2 Плоские 7.3 Объемные 7.4 Продольные 7.5 Поперечные 7.6 Разветвленные	Цепочки (в линию) по НТД   Округленные, ромбические Вдоль оси шва Перпендикулярно к оси шва Дефекты имеющие ответвления в различном направлении
8. По возможности	8.1 Исправимые 8.2неисправимые

Макродефекты

К дефектам плавки и литья относятся неметаллические (шлаковые и флюсовые)включения, образующиеся вследствие загрязнения шлаками, продуктами раскисления, огнеупорами. Эти включения имеют неправильную форму и расположены в различных местах отливки. При обработке давлением включения деформируются в направлении волокна.

При кристаллизации из-за выделения газов, растворившихся в металле в процессе плавки, возникают газовые пузыри.Эти дефекты рассеяны по всему объему слитка или сосредоточены в подкорковом слое. При обработке давлением пузыри могут завариваться или запрессовываться. При нагреве запрессованный пузырь может вздуться и обнажиться в виде трещины.

В процессе кристаллизации отливки возникают усадочные раковины.Часть слитка с усадочными раковинами, как правило, удаляется. Результатом неправильной технологии литья являются неслитины -несплошности в металле у поверхности слитка. Частым дефектом металла является ликвация - неоднородность отдельных участков металла по химическому составу, структуре, неметалли­ческим включениям. Ликвация может быть точечной, пятнистой, в виде квадрата или круга. При этом сплошность металла не нарушена, однако прочность его существенно снижается.

Под действием термических и усадочных напряжений при высоких температурах образуются межкристаллическиегорячие трещины с сильно окисленными поверхностями. Эти трещины часто бывают в виде трех и более извилистых, паукообразных полосок, направленных от оси заготовки в стороны. После окончания затвердевания металла при относительно низких температурах под действием усадочных и термических напряжений могут возникнуть холодные трещины со светлыми неокисленными поверхностями. Вероятность образования таких трещин выше у высоколегированных сталей и сплавов, обладающих низкой температуропроводностью и меньшей пластичностью.

При обработке давлением в поковке появляются поверхностные трещины и внутренние разрывы врезультате высоких напряжений деформации. Эти трещины появляются в областях металла, ослабленных литьевыми дефектами. В процессе прокатки металла на поверхности появляются риски, царапины,а врезультате деформирования газовых пузырьков-дефекты в виде тонких прямых линий длиной от долей миллиметра до нескольких сантиметров (волосовины).Если в слитке имелись крупные газовые пузырьки, то в прокате появляются расслоения-внутренние нарушения сплошности металла.

При прокате по краям слитка могут возникнуть закаты металла, рванины.Одним из часто встречающихся дефектов являются флокены-тонкие извилистые трещины длиной от 1 до 30 мм, ориентированные беспорядочно. Их образование связано с выделением растворенного в металле водорода.

При термической обработке из-за несоблюдения температурного режима возникает перегрев или пережог,в результате которого образуются крупнозернистые структуры, оксидные и сульфидные выделения по границам зерен. Закалочные и другие термические трещинывозникают при резком нагреве и охлаждении.

При нагреве изделий в зависимости от среды может происходить как обезуглероживание, так и науглероживаниеповерхностного слоя. В обезуглероженном слое возникают поверхностные трещины глубиной до 1-2 мм. Науглероживание ведет к повышению хрупкости и склонности к трещинообразованию.

Насыщение водородом поверхностных слоев под воздействием щелочей, кислот и электрохимической обработки приводит к резкому падению пластичности и хрупкому разрушению, очагом которого являются поверхностные микротрещины.

В процессе механической обработки изделия поверхностные слои могут наклепываться, становиться хрупкими, что способствует появлению поверхностных трещин. При нарушении режима шлифования появляются прижоги, усталостные трещины.

Большую опасность разрушения имеют дефекты мест соединения деталей методами сварки и пайки. Металлургическиедефекты (раковины, поры, шлаковые включения и др.), например, изменение размеров зерен, горячие и холодные трещины являются типичными дефектами сварного шва, а также дефекты неправильной технологии сварки и термообработки: непровар, изменение размеров зерен, горячие и холодные трещины, ликвации.

В процессе эксплуатации причинами дефектов в металле является как естественный физический износ и коррозия металлов, так и усталостные трещины и трещины в местах концентрации напряжений.

В соответствии с ГОСТ 15467-93 дефекты разделяют на явные и скрытые, а также критические, значительные и малозначительные.

Дефекты сварки

Дефект	Определение
1. Наружные дефекты
1.1 Трещина	Дефект сварного соединения в виде разрыва металла в сварном шве и прилегающем к нему зонах
1.2 Наплыв	Дефект в виде натекания металла шва на поверхности основного металла или ранее выполненного валика, наплыв определяется щупом методом «тени».
1.3 Подрез	Дефект в виде углубления по линии сплавоения сварного шва с основным металлом
1.4 Кратер	Углубление образовавшееся в конце валика под действием давления дуги и объемной усадки металла (недопустимый дефект).
1.5 Прожог	Дефект в виде сквозного отверстия в сварном шве, образовавшийся в результате вытекания части металла в сварочную ванну.
1.6 Брызги	Дефект в виде затвердевших капель на поверхности сварного соединения.
1.7 Поджог	Местное повреждение основного металла в месте отрыва дуги.
1.8 Свищ	Дефект в виде воронкообразного углубления в сварном шве (выход поры на поверхность).
2. Внутренние дефекты
2.1 Пора	Дефект сварного шва в виде полостей округлой формы заполненным газом. Может быть: сквозной, проходить через несколько слоев, поверхностная, подповерхностная.
2.2 Непровар	Дефект в виде несплавления в сварном соединения вследствие не полного расплавления кромок или поверхностей ранее выполненного валика сварного шва.

Требования к сварке и последующей термической обработке разнообразны, зависят от свойств свариваемых материалов, назначения, конструкции и условий эксплуатации объектов и регламентируются стандартами, правилами устройства и эксплуатации изделий, техническими условиями на изготовление, производственными инструкциями и технологической документацией.

Старение материалов

Старение металлов проявляется в изменении их механических, физических и химических свойств, обусловленном термодинамической неравновесностью исходного состояния материала и постепенном приближении его структуры к равновесному состоянию в условиях достаточно диффузной подвижности атомов.

При термической обработке металлы и сплавы полностью или частично сохраняют атомную структуру, характерную для высокотемпературного состояния. В чистых металлах неравномерность этой структуры состоит в избыточной (для низких температур) концентрации различных дефектов кристаллической структуры. В сплавах неравновесность структуры связана с сохранением фаз, неустойчивых при низких температурах. Наиболее опасно старение сплавов, обусловленное процессами распада пересыщенного твердого раствора из-за повышенной растворимости примесей при высоких температурах. При достаточно большой степени пересыщения твердый раствор оказывается нестабильным при низких температурах и его расслоение идет во всей массе материала.

С течением времени изменяется структура и свойства конструкционного металла по сравнению с исходным. Изменение структуры связано в основном с субструктурой матрицей стали и может быть установлена с помощью металлофизических, микроскопических и других видов исследования. Изменение механических свойств обусловлено развитием процессов охрупчивания и выражается, с одной стороны, в изменении показателей прочности ( , НВ), а с другой, в снижении вязко-пластических показателей (и показателей сопротивления хрупкому разрушению (Кс).

Анализ эксплуатационных факторов, действующих на металл, позволяет выделить следующие процессы, приводящие к его старению:

I. Деформационное старение (особенно для сварных соединений в связи с термодеформационным воздействием на металл и повышенным напряженным состоянием), связанное с перераспределением атомов углерода и кислорода в ферритной матрице, а также частичным распадом цементитной фазы.

2. Водородное старение (охрупчивание), обусловленное изменением напряженного состояния структуры матрицы и снижением ее трещиностойкости из-за ослабления границ зерен.

3. Циклическое воздействие нагрузок, вызывающее микропластические деформации и локализацию концентрации напряжений, ускоряющих развитие повреждаемости металла.

Чувствительность к технологическим и эксплуатационным воздействиям, виды отказов, значимость факторов старения и коррозии различны для различных сталей: низкоуглеродистых (СтЗ, Ст4, Сталь 20), низкоуглеродистых низколегированных (стали 10Г2С, 09Г2С, 14ХГС, 19Г, 17ГС и др.), низколегированных с карбидообразующими элементами (14Г2СФБ, 14Г2САФ,16Г2СФБ, 07Г2ФБидр.).

Старение наиболее характерно для полимерных материалов. Оно приводит к необратимому изменению свойств под воздействием тепла, кислорода, солнечного света, озона, ионизирующих излучений и других факторов. В соответствии с факторами воздействия различают следующие основные виды старения полимеров: термическое, термоокислительное, световое, озоновое, радиационное. Важный фактор, ускоряющий старение-наличие механических напряжений.

Причина старения полимеров-химические превращения макромолекул, приводящие к их деструкции. Следствия старения-ухудшение механических характеристик, появление трещин на поверхности и их разрастание.