Дефекты металлический изделий: причина возникновения и методика поиска

Производство предметов из металла представляет собой сложный технологический цикл. Некоторые операции могут как исключаться из этой цепочки, так и проводиться повторно. В процессе обработки металл претерпевает изменения, на нем могут появляться изъяны. Далее вы узнаете, какие бывают дефекты металлических изделий, а также как их можно выявить.

Типы дефектов металлических изделий

Из-за дефектов ухудшаются физико-механические свойства металлов, такие как электропроводность, магнитная проницаемость, прочность, плотность, пластичность. Принято выделять изъяны тонкой структуры или атомарного масштаба, а именно дислокации, вакансии, пр., и более грубые. К последним относятся субмикроскопические трещины, появляющиеся на границах блоков кристалла и на его поверхности.

Еще более грубыми считаются микро- и макроскопические дефекты металлических изделий, предполагающие нарушение сплошности или однородности. Они появляются по двум причинам: из-за несовершенства используемой технологии и низкой технологичности многокомпонентных сплавов. Дело в том, что при работе с подобными сплавами необходимо особенно точно соблюдать режимы, установленные для всех этапов изготовления и обработки.

С точки зрения прикладного, технического понимания, дефектами называют отклонения от установленной нормы, при которых ухудшаются рабочие характеристики металла или металлического изделия, происходит снижение сортности или отбраковка продукции. Но нужно понимать, что не любой изъян металла распространяется на изделие. Если отклонения не влияют на работу металлической детали, они не воспринимаются в качестве недостатков.

Отклонения, признанные дефектами для изделий, эксплуатируемых в определенных условиях (допустим, при усталостном нагружении), могут не приниматься во внимание при других условиях работы (например, при статическом нагружении).

Литьевые дефекты металлических изделий

Сегодня в металлургии принято использовать несколько классификаций брака, получаемого при литье.

Дефекты делятся на типы по месту нахождения. Так, если брак выявлен внутри участка, его считают внутренним. Если же проблема проявилась при дальнейшей обработке, ее относят к внешнему браку.

С точки зрения внешнего проявления, выделяют такие основные виды дефектов отливок, как пригар, при котором слой формовочных материалов, спекшихся с металлом, крепко присоединился к поверхности заготовки, и приливы, которые представляют собой отклонение размеров отливок от проекта в большую сторону.

Нередко дефекты при литье проявляются в виде пороков поверхности. Сюда относятся:

• Засоры. Массы зерен земли или шлаков. Эта проблема появляется из-за ошибок, допущенных при проектировании форм, непродуманного расположения литников, несоблюдения технологии складирования и перевозки.
• Ужимины – образуются при сырой формовке, когда слой земли разрывается в месте конденсации жидкости и расплав заполняет образовавшуюся пустоту.
• Спаи, или неслитины, возникают, когда происходит контакт между слоями охладившегося расплава. Поскольку не достигнута необходимая температура, потоки не могут правильно сплавиться.
• Плены – появляются, когда окисляются легирующие добавки.
• Морщинистость, или складчатость. Данный дефект выглядят как разнонаправленные складки на поверхности металлического изделия. Такой изъян связан со скоплением большого объема углерода в металле.
• Выпот – провоцирует взрывообразное выделение скоплений графита, поэтому он похож на множество лопнувших пузырьков.
• Корольки появляются и из-за разбрызгивания расплава при заливке. В этом случае шарик металла кристаллизуется отдельно от отливки, не соединяясь с ней.
• Коробление отливки возникает по причине внутренних напряжений, провоцируемых неравномерным остыванием.

Также среди распространенных пороков литья стоит назвать трещины. Подобные дефекты металлических изделий также делятся на виды:

• Горячие. Возникают, когда металл достигает температуры кристаллизации, обычно вызваны усадочным напряжением. Имеют неровные формы.
• Холодные. Появляются при более низких температурах, чем горячие, при этом отличаются ровным, прямым профилем.
• Межкристаллические. Образуются на металлических изделиях из легированных сталей в тех зонах, где имеются неметаллические включения.

Пластические дефекты металлических изделий

При отбраковке заготовок достаточно часто приходится сталкиваться с включениями инородных металлических или неметаллических тел, причем последние бывают различной величины, формы.

Надрыв представляет собой местные несквозные разрывы, находящиеся поперек или под углом к направлению обработки материла. Такие дефекты образуются из-за раскрытия внутренних несплошностей материала, а также несоблюдения норм, установленных для процесса обработки.

Сквозной разрыв отличается от предыдущего вида тем, что на металлическом изделии наблюдаются сквозные несплошности. Они образовываются при деформации плоской заготовки, имеющей неравномерную толщину, либо причиной появления сквозного разрыва могут стать вкатанные инородные тела.

Накол выглядит как несквозные единичные или групповые точечные углубления. Они появляются при использовании загрязненных смазочно-охлаждающих жидкостей, попадании на заготовку мелких металлических и инородных элементов. Еще одной причиной для образования накола могут стать выступы и налипшие частицы на валках.

Вмятинами называют отдельные единичные углубления различных размеров, форм, имеющие пологие края. Вмятины появляются из-за повреждения металла в процессе производства, перевозки, хранения.

Забоина представляет собой углубление неправильной формы. Обычно такой дефект имеет острые края, поскольку появляется при ударе металлического изделия.

Отпечаток – периодически повторяющиеся углубления, выступы, расположенные по всему металлическому изделию или на некоторых его участках. Отпечатки появляются под действием неровностей на прокатных и правильных валках.

Задир выглядит как широкое продольное углубление с неровным дном и краями. Причина его появления состоит в резком трении заготовки о детали оборудования, при помощи которого осуществляется обработка.

Риска – это продольное узкое углубление, дно которого может быть закругленным либо плоским. Образуется при царапании заготовки металлического изделия выступами на поверхности оборудования.

Царапина представляет собой углубление неправильной формы, имеющее произвольное направление. Появляется из-за механических повреждений, например, во время складирования, перевозки металлических изделий.

Потертостью называют нарушение блеска на отдельно взятом участке металлического изделия, а также скопление мелких разнонаправленных царапин. Такие дефекты появляются из-за трения металлических изделий между собой.

Налип появляется в результате прилипания к металлическому изделию частиц или слоя металла с инструмента.

Закат образуется за счет вдавливания в изделие частиц обрабатываемого металла, заусенцев, выступов и других дефектов, появившихся в процессе обработки.

Пережог проявляется в виде темных, оплавленных или окисленных пятен на металлическом изделии, которые образуются, если была превышена температура, время нагрева материала.

Расслоение выглядит как отделение слоя материала на торцах, кромках металлического изделия, заготовки. Причина для расслоения одна – изначально внутри металла были дефекты, такие как рыхлости, включения, внутренние разрывы, пережог.

Плена представляет собой расслоение, обычно имеет форму языка, идущего по направлению обработки и одним краем соединенного с основным металлом. Подобное расслоение появляется, если в металле изначально были надрывы, трещины, пузыри, либо при нагреве материала был допущен его пережог, оплавление.

Чешуйчатость представляет собой пластическую деформацию, вызванную пережогом или недостаточной пластичностью металла периферийной зоны. В соответствии с названием, такие разрывы на металлическом изделии больше всего похожи на чешую или сетку.

Рябизна выглядит как скопление углублений, появившихся на металлическом изделии во время проката или плавки.

Смятой поверхностью называют тип деформации, при котором на металлическом изделии появляются складки, изгибы, волны, при этом не вызывающие разрыва металла.

Излом представляет собой полосу поперек направления прокатки или под углом к нему. Изломы появляются из-за резкого перегиба в процессе сматывания, разматывания рулонов, либо при перекладке тонких листов.

Недотрав выглядит как пятна, полосы, появившиеся на металлическом изделии из-за неравномерного травления.

Перетрав – это местное или общее разъедание поверхности изделия, которое проявляется как точечные либо контурные углубления. Образуется, так же как и недотрав, при несоблюдении режима травления.

Пятна загрязнения могут иметь форму полос, натеков, разводов. Их оставляют на поверхности металлического изделия технологическая эмульсия, загрязненное масло, мазут.

Коррозионные пятна могут быть светлыми или темными, обычно имеют шероховатую текстуру, так как появляются под действием коррозии.

Цвета побежалости проявляются в виде окисленных участков, то есть пятен и полос различной окраски и формы. Такие пятна отличаются гладкой поверхностью, так как проявляются при нарушении норм термической обработки и травления.

Кольцеватость характерна только для круглых металлических заготовок – на их поверхности появляются повторяющиеся кольцеобразные выступы, углубления. Виной тому пластическая деформация, плавка.

Следы плавки несколько похожи на кольцеватость, они выглядят как повторяющиеся светлые и темные полосы. Однако в данном случае полосы идут по заготовке в любом направлении: могут быть продольными, поперечными либо спиралеобразными. Образуются при плавке.

Омеднение проявляется как покраснение некоторых участков поверхности металлического изделия. Такие пятна образуются после контактного выделения меди, что связано с нарушением режимов термической обработки и травления.

Серповидность полос и лент – это отклонение формы металлического изделия от поверочной линейки. Такой дефект измеряют в миллиметрах на метр длины полуфабриката.

Овальностью называют отклонение поперечного сечения изделия от формы круга. Если с – максимальный, d – минимальный и т – средний диаметр сечения, то по формуле c - d/m × 100 можно рассчитать отклонение от идеальной формы в процентах.

Разностенность – несовпадение толщины стенки по длине трубы с номинальной толщиной либо разница в толщине заготовки по ее площади.

Разнотолщинность – отклонение толщины плоского изделия по длине и ширине от установленных параметров либо разница толщины стенки вдоль длины металлической трубы.

Фестонистость представляет собой появление выступов по краю металлического изделия при глубокой штамповке листов и лент. Направление выступов соответствует направлению оси прокатки.

Способы обнаружения дефектов металлических изделий

Существует несколько уровней исследования, которые используются для разных глубин и размеров дефектов:

1. Субмикроскопическое исследование.
2. Микроанализ.
3. Макроанализ.

Под дефектами кристаллического строения металлов принято понимать отклонения от структуры идеального, то есть бездефектного, кристалла.

1. Субмикроскопическое исследование

Цель его состоит в выявлении дефектов на границах кристаллов или зерен. Дело в том, что из-за неравномерности кристаллизации или недостаточного питания зародышей жидким раствором появляются тонкие прослойки между блоками кристаллов. Либо причина может скрываться в выделении на поверхности кристаллов твердой фазы нерастворимых соединений и элементов. Так, фосфор и целый ряд тугоплавких металлов не способны образовывать соединения с железом в сталях, поэтому они откладываются на границах зерен.

В число субмикроскопических дефектов входят сколы в стали 38Х2МЮА. Причина их появления проста: во время легирования стали алюминием по границам зерен выделяются локальные плоскости, которые и становятся слабым местом металла во время дальнейшей обработки.

2. Микроанализ

При подобном исследовании для выявления дефектов используют микроскопы с увеличением более 100 крат. Именно микроанализ применяется чаще всего при поиске литейных дефектов. Этот метод позволяет определить балл зерна, наличие и количество включений неметаллической природы, меди, серы и фосфора, структуру металла.

От доли углерода и легирующих элементов, содержащихся в стали, зависит, какие твердые фазы выделятся при кристаллизации. Отметим, что данные стадии имеют различную прочность, твердость и пластичность. В стойких к коррозии марках стали при разных температурных режимах охлаждения формируются фазы аустенита, мартенсита или ледобурита.

Также к ключевым характеристикам, определяющим качество металла, относится балл зерна. Дело в том, что при снижении данного показателя повышается пластичность металла, но снижается его прочность. Однако легирование карбидообразователями или тугоплавкими материалами позволяет добиться упрочнения стали, сохраняя при этом ее изначальную пластичность.

Одним из главных направлений исследования микроанализа считается определение доли вредных примесей и неметаллических включений (в процентах). Чаще всего роль вредной примеси играют сера и фосфор, из-за которых сталь приобретает такие свойства, как красноломкость и хладноломкость.

Чтобы металл мог применяться для производства изделий, доля этих двух элементов должна укладываться в установленные нормы. Благодаря контролю неметаллических включений удается установить содержание в стали оксидов, сульфидов, нитридов и других соединений. Отметим, что такие примеси могут влиять на металл как положительным, так и отрицательным образом.

3. Макроанализ

Данный способ изучения представляет собой визуальное выявление дефектов металлических изделий, иными словами, с его помощью поверхность рассматривается при увеличении до 30 крат. Такое исследование позволяет обнаружить крупные дефекты поверхности или глубинных слоев металла. Нужно понимать, что макроскопические изъяны могут образовываться на любом этапе производства металлического изделия – от выплавки и до хранения. Чаще всего после выявления подобных деформаций металл забраковывают или возвращают на доработку.