загрузка...
 
1.4 Макроскопічні дефекти
Повернутись до змісту

1.4 Макроскопічні дефекти

До цієї категорії належать з певною умовністю такі дефекти, які не пов'язані безпосередньо із структурою атомних ґраток. До макроскопічних дефектів належать:

а) дефекти, що виникають при відливанні металу: пористість структури, сторонні включення;

б) дефекти в результаті прокатування: розтріскування і розшарування різного роду, текстура металу як порушення ізотропії;

в) дефекти термічної обробки (гартування).

Пористість. Пористість структури отримується у литому металі як результат процесу його охолодження і кристалізації.

Ріст кристалів відбувається у всі боки, гілкоподібно (дендритна структура); у кінці процесу охолодження залишаються ще невеликі не застиглі об'єми металу, затиснуті між гілками кристалів, що розрослися. При подальшому твердінні, кристалізації й охолодженні цих незначних мас метал скорочується в об'ємі, а надходження додаткових кількостей рідкого металу з тих зон, де він є,  дуже затруднене в капілярних ходах, що залишилися між кристалами, або зовсім відрізане. Виходять усадкові мікрораковини, що роблять дуже шкідливий вплив на механічні властивості металу, тому що вони є різкими концентраторами напружень. Існування таких дефектів, що надають кристалу пористої структури, іноді навіть впливає на об'ємну вагу металу.

Виникнення мікротріщин необов'язкове і залежить від умов. Чисті метали цим дефектом не страждають; але в техніці вони практично не застосовуються. Замість дрібних раковин у них може утворитися, як правило, велика усадкова порожнина в центральній частині зливка.

Утворення дрібних раковин найімовірніше не біля поверхні зливка, а в середній його частині. Чим більший інтервал температур затвердіння, тим більша небезпека появи мікропор.

Виникнення мікротріщин супроводжується виділенням у ці порожнини газів, розчинених у металі. Якщо це відбувається у рідкому металі, який ще має низьку в'язкість, гази утворюють кулясті порожнини – бульбашки, порівняно нешкідливі, оскільки навколо них помітної концентрації напружень не виникає. Якщо ж гази заповнюють ті мікропори, які виникають уже в останній стадії твердіння через явища усадки, то щілиноподібна форма пор зберігається зі всіма її шкідливими наслідками.

При кристалізації чавуну після утворення мікрораковин у них може виділитися графіт. Проте і при цьому шкідлива роль раковин як концентраторів напружень зберігається.

Дуже небезпечна мікропористість може бути усунена низкою заходів, з яких найважливішими є такі:

а) прискорене   охолоджування   зливка;   

б) порушення кристалізації струшуванням (вібрацією);

в) лиття під підвищеним тиском.

Із цих трьох заходів найважливіші перший і третій. Але якщо лиття під тиском не чинить впливу на  механічну міцність, то рекомендоване ливарниками прискорене охолоджування зливків є шкідливим з погляду міцності, тому що призводить до збільшення градієнта  залишкових  температурних  напружень. Бронзові,  алюмінієві і магнієві сплави мають особливо значну  схильність   до    утворення   усадкових    мікропор.

При розгляді тріщин і порожнин макроскопічного характеру виникає питання про їх вплив на міцність і деформативність при розтягуванні і стисненні. Прийнято вважати, що для пластичних матеріалів  опір  розтягуванню і  стисненню однаковий. Не можна, проте, забувати, що випробування на чисте стиснення практично нездійсненне, досліди на стиснення завжди дуже спотворюються побічними факторами, які важко прогнозувати.

Теоретичні дослідження і досліди вказують на те, що не тільки великі тріщини, але і мікропори мають після обробки металу контур, витягнутий в одному або двох напрямах, тоді як третє вимірювання – незрівнянно менше.

Розглянемо, який може бути вплив порожнини, по-різному орієнтованої щодо розтягуючих або стискних сил. За наявності стиснення в зоні біля щілини, перпендикулярної до напряму сил, виникає тенденція закриття порожнини, отже, у міру зростання деформації опір повинен зростати. Якщо тріщина паралельна стискним силам, то для шарів атомних ґраток, близьких до поверхні порожнини, виникає небезпека  своєрідної втрати стійкості – викривлення у бік порожнини поверхневих шарів ґраток через дію зовнішніх сил, що передається вздовж атомного ряду. Навпаки, при розтягуванні подовжня тріщина не повинна впливати на міцність, тому що вона не створює концентрації напружень, у той же час поперечна тріщина повинна бути надто небезпечною. При безладному розміщенні тріщин (литий метал) їх вплив усереднюється. У металі з орієнтованою текстурою (прокат) наявність тріщин повинна була б позначитися помітним чином; відмінність у показниках міцності вздовж і поперек прокатування, крім інших причин, пояснюється також і цим фактором.

Механізм ковзання, що є основою пластичної деформації, учені поки що не пов'язують з виходом на вільні поверхні внутрішніх порожнин – тріщин. Якою мірою полегшується таким шляхом процес пластичного руйнування і знижується теоретична фізична міцність кристала, ще не досліджено. Що стосується крихкого руйнування відривом, то негативний вплив тріщин безперечний. В цьому відношенні великий інтерес становить одне з досліджень Я. Б. Фрідмана, якому вдалося встановити, що мікротріщини чинять значний вплив на опір відриву, знижуючи його, і дещо відображаються на опорі зрізу.

Сторонні включення. Сторонні включення належать до випадкових дефектів, як правило, макроскопічного характеру, що виникають при розливанні рідкого металу. Найчастіше як такі включення трапляються уламки футерівки печей, яка неминуче поступово руйнується, шматочки шлаку, іноді зола, що відноситься гарячими газами з топкового простору, дрібні частинки силікатів. Якщо метал забруднений шлаком, то при заливанні його у виливницю частина шлаку встигає спливти, частина – у процесі заливання відтісняється до стінок виливниці й залишається у зовнішніх шарах зливка.

Дослідниками встановлено, що розподілені в металі неметалічні включення різко знижують деякі показники міцності, наприклад у 2 –– 3 рази знижуються циклічна міцність на вигин, контактна втомна міцність. Як уже наголошувалося, великим досягненням нашої науки є метод електрошлакової переплавки, розроблений Інститутом електрозварювання ім. Є. О. Патона і який дозволяє одержати метал позбавлений таких включень.

Дефекти у прокатному металі. У прокатаному металі з'являються дефекти як у результаті вад відливання зливка, так і виниклі в самому процесі прокатування. Дефекти останнього роду дуже різноманітні. Ми розглянемо тільки ті їх види, які можуть вплинути на міцність металу; це в основному порожнини, а також внутрішні й зовнішні тріщини і розшарування різного роду.

Дефекти металургійного походження мають  велике практичне значення, тому що саме вони найчастіше є джерелом статичного або динамічного руйнування конструкцій.

Волосовини. Так називаються дрібні тріщини волосяної товщини завдовжки, як правило, 20 – 30 мм, але іноді і 100 – 150 мм. Причина виникнення волосовин – газові бульбашки, усадкові мікрораковини, дрібні включення (зерна шлаку). В процесі прокатування метал у гарячому стані багато разів обтискається, витягується; внаслідок цього дефекти набирають зазначеної вище форми. Волосовини дуже знижують механічні властивості металу – настільки, що роблять його непридатним для застосування.

Розшарування. Розшарування відрізняються від тріщин тим, що останні виникають з поверхні, а розшарування – усередині прокату. У розшарованому місці дві поверхні металу при прокатуванні тісно стикаються, але не злипаються (не заварюються).

Частіше за все розшарування виникають від великих газових бульбашок; якщо порожнина бульбашки не забруднена, то у процесі прокатування при високих температурах і великому обтисканні вона ще може зникнути безслідно; забруднені шлаковими виділеннями, окислені поверхні порожнини не заварюються, розкочуючись іноді на велику довжину. Нерідко розшарування виходить внаслідок розкочування в тонку плівку шлакового включення. Розшарування з погляду механічної міцності рівносильне дуже гострому і небезпечному надрізу.

Інша причина внутрішніх розшарувань – неповна відрізка усадкової раковини зливка перед прокатуванням. Усадкова раковина – джерело різкого місцевого погіршення якості металу. Це добре відомо. На перший погляд питання розв'язується дуже просто: потрібно відрізувати від зливка частину, що містить раковину зі всіма її дефектами. Проте для того, щоб зробити це, необхідно було б відрізувати від прокатуваної болванки 10–15% довжини для звичайних сталей і до­­ 20 – 30% для високоякісних сталей. Практично це не вдається виконати повністю, частина усадкової раковини залишається в прокатуваному зливку. Щоправда, за хороших умов прокатування усадкова раковина може заваритися частково або повністю.

Щодо здатності усадкової раковини до зникнення існують різні думки. Деякі фахівці вважають, що, як правило, раковина зникнути не може, тому що її поверхня покрита виділеннями шлаків, оксидами, сульфідами, силікатами. За даними деяких заводських досліджень, за сприятливих умов заварювання раковин при прокатуванні все ж таки відбувається.

Внутрішні розриви. Такі розриви можливі як наслідки умов прокатування: якщо в зливку є частково лікваційна частина – зона, де особливо концентруються забруднення і включення, то при прокатуванні вона, як менш пластична, ніж чистий метал, гірше піддаватиметься деформації і, відстаючи від доброякісного металу, може відірватися від нього. Можливе також відшаровування в результаті недостатнього нагрівання і малої пластичності зливка при перших пропусках: зовнішні, більш нагріті й сильніше обтиснені шари витягуються набагато більше, ніж внутрішні, внаслідок чого між ними може бути розрив. Такі внутрішні розриви механічного характеру трапляються у великих профілях, у товстих листах. Іноді вони встигають заваритися, при подальших стадіях прокатування, але якщо вони зберігаються, то, як правило, залишаються непоміченими; абсолютно очевидно, що наявність їх у виробі дуже небезпечна.

Флокени. Флокени – внутрішні тріщини дуже малої товщини з блискучою великокристалічною поверхнею. Виділяються у вигляді круглих або овальних плям блискучого сріблясто-білого забарвлення. У подовжньому розрізі флокени мають вигляд прямої або звивистої лінії; довжина флокенів може бути від десятих часток міліметра до 5 – 10 мм, іноді й більше.

Флокени зустрічаються, як правило, в легованих сталях із хромом, нікелем, іноді у звичайних вуглецевих сталях із вмістом марганцю близько 1%. Їх не буває у високопластичних сталях.

Флокени утворюються при охолоджуванні після прокатування при температурах 100 – 250 °С. Можливе виникнення їх і значно пізніше (через 3 – 5 діб після охолоджування) при звичайних температурах.

Природа виникнення флокенів ще точно не встановлена. З'ясовано, що головними факторами є такі:

а) наявність у металі розчиненого водню, який   дуже знижує пластичність металу;

б) структурні напруження викликані різночасністю фазових перетворень, а також пов'язані з ними об'ємні зміни;  відіграють роль й інші напруження – температурні, механічні;

в) охолоджування металу в інтервалі 250 – 100 °С.

Для утворення флокенів важлива сукупність цих факторів; при малому вмісті водню навіть великі напруження не призводять до утворення флокенів, тому що метал зберігає високу пластичність.

У сталях, схильних до утворення флокенів, заходи, що запобігають появі цього серйозного дефекту, занадто складні: потрібні нагрівання в печах або колодязях до 1100 – 1150 °С, витримка 20 – 25 год і подальше охолоджування в печі до 100 °С.

Перепал сталі. Особливий вид дефекту сталі, що виникає в процесі прокатування, становить так званий перепал. Якщо під час операцій нагрівання, пов'язаних із прокатуванням, допущена дуже висока температура (наприклад, більше 1200 °С при вмісті вуглецю 1%), то на межах зерен починається окиснення і часткове оплавлення. Перегрівання металу і перепал можуть бути загальними і частковими: останній найлегше виходить біля кутів, на кромках, на кінцях смуги. Перепалений метал є безумовним браком.

Зміна ступеня наклепу. Температура в кінцевій стадії прокатування, а також швидкість охолоджування після прокатування дуже позначаються на механічних властивостях металу, тому що від температурного фактора залежить величина наклепу при пластичній деформації. Якщо при закінченні прокатування температура виявиться нижче нормальної, то необхідна для отримання заданого профілю пластична деформація може бути одержана за рахунок підвищення напружень у прокатуваній смузі: матеріал стає більш наклепаним, тобто характеризується підвищенням межі міцності й текучості й пониженням пластичності.

Температура у кінці процесу має вплив і при прокатуванні листового металу різної товщини: чим тонший лист, тим швидше він охолоджується і тим нижча його температура у кінці операції; тому тонші листи більше наклепуються, мають вищі показники міцності і нижчі показники деформованості. На величину залишкового наклепу впливає також і швидкість охолоджування. Так, для сталі з великим вмістом легуючих добавок зміна швидкості охолоджування позначилася таким чином (табл. 1.1):

Таблиця 1.1 – Вплив швидкості охолодження при прокатуванні на властивості листа з високолегованої сталі

Охолоджування

 

Межа міцності,

МПа

Межа

текучості,

МПа

Відносне подовження, %

Ударна в'язкість, Дж/см2

Швидке охолоджування

780

540

16

4

Повільне охолоджування (у штабелі)

620

380

19

10

Як бачимо з цього прикладу, зміни в одному тільки режимі охолоджування можуть настільки вплинути на найважливіші механічні характеристики металу, що результати, що належать до однієї і тієї самої плавки, можна прийняти за показники зовсім різних марок сталі.

Причина такого різкого ефекту швидкого охолоджування полягає перш за все в температурному наклепі, що виникає внаслідок різночасного охолодження зовнішніх і внутрішніх шарів. Цей вплив позначається тим різкіше, чим менш пластичний метал. Тому цей чинник (швидкість охолоджування) має особливо велике значення для високолегованих сталей; для сталей з малим вмістом легуючих домішок роль цього фактора неістотна.

Тріщини від гартування. Особливо потрібно відзначити гартівні тріщини, що виникають унаслідок нерівномірного охолодження виробів і фазових перетворень у металі. Типові види тріщин цього походження показані на рис. 1.13. Гартівні тріщини можуть бути дуже різноманітними – від одиничних великих тріщин, що руйнують виріб, до  найдрібніших, розсіяних по всій загартованій товщі й пронизуючих всю структуру металу; в останньому випадку може вийти помітний вплив на його пластичність.

 

Рисунок 1.13 – Типові види тріщин (а) і характер розподілу залишкових напружень у зразках при гартуванні

Так, В. А. Павлов і М. В. Якутович спостерігали на шліфах загартованої сталі в середньому 120 – 130 мікротріщин на 1 мм2; переважаюча довжина тріщин була 2 – 3 мкм (і до 25 мкм); при правильній  тепловій  обробці (знижена температура відпуску) така  сталь різко знижує здатність до пластичної деформації. Достатньо висока температура відпуску (650 – 700 °С), ймовірно, призводить до заліковування таких дрібних тріщин, усуваючи їх шкідливу дію.



загрузка...