Дефекты металлических изделий: виды и причины появления

О чем речь? Дефекты металлических изделий – несоответствие того или иного параметра принятым стандартам или технической документации. Они образовываются из-за нарушений технологии обработки или во время эксплуатации.

На что обратить внимание? Для выявления дефектов металлических изделий применяют три метода: макро- и микроанализ или субмикроскопическое исследование. Не все несоответствия являются критичными, часть можно оставить.

Классификация дефектов металлических изделий

Она осуществляется на основе разных критериев: причин возникновения, локализации, размеров и иных параметров.

По морфологическому признаку различают дефекты:

• Плоскостные.
• Объемные.

В зависимости от размера дефекта выделяют:

• Макроскопические.
• Микроскопические.
• Субмикроскопические.

По типу несоответствия дефекты могут быть:

• Структурные.
• Геометрические.
• Технические.
• Механические.

В зависимости от локализации дефекты подразделяются на:

• Скрытые (внутри полостей).
• Наружные (на поверхности).
• Внутренние (в массе металла).

Дефекты в металлических конструкциях напрямую связаны с технологией их производства.

При эксплуатации металлических изделий могут быть выявлены дефекты, возникшие в ходе их использования:

• Механические повреждения от чрезмерных статических, динамических нагрузок.
• Коррозия, вызванная воздействием влаги или агрессивных сред при несоблюдении правил эксплуатации.
• Тепловые деформации в результате перегрева или резких температурных перепадов.

Дефекты делятся на три категории:

• Незначительные – не оказывают влияния на срок службы и безопасность.
• Существенные – могут изменить характеристики металлопродукции.
• Критические – делают прокат или заготовку непригодной для использования по прямому назначению.

Примеры дефектов металлических изделий

Они уязвимы для разных дефектов, каждый из которых – серьезная угроза. Вид металла определяет специфику повреждения.

К наиболее распространенным относятся:

• Трещины – это опасные линейные повреждения в металле. Они возникают из-за перегрева или неравномерного охлаждения, механического воздействия или усталости материала. Они могут быть внешними и внутренними, значительно снижая прочность и надежность металлических конструкций.
• Поры представляют собой захваченные газы, которые образуются во время заливки или кристаллизации. Они приводят к снижению механических характеристик материала, в частности его прочности и сопротивления усталости.
• Включениями называют посторонние частицы разной природы. Это оксиды, сульфиды или шлаковые включения, которые попадают в металл во время его обработки или литья.

• Появление вмятин и деформаций на поверхности изделия. Эти дефекты являются прямым результатом механических повреждений. Они неизбежны при небрежном обращении, ударах или ошибках в процессе обработки металла. Коррозия также может привести к подобным повреждениям.
• Остаточные напряжения возникают при обработке металла, будь то неравномерное охлаждение, механическая или сварка. Они представляют собой серьезную угрозу, поскольку со временем приводят к деформациям, трещинам и другим дефектам.

При производстве листового проката могут возникать такие дефекты металлических изделий:

• Трещины.
• Царапины.
• Заусенцы.

• Закаты или продольные складки.
• Флокены – мелкие трещины внутри листа.
• Дефекты внутренней структуры.
• Искажения, деформации и раскаты различной формы возникают из-за неоднородного изменения структуры или формы металла.

Дефекты слитков и заготовок проявляются в виде нарушений целостности и однородности структуры как на микро-, так и на макроуровне. Они возникают в процессе изготовления проката.

При производстве изделий методом литья иногда возникают несоответствия эталонному образцу в виде приливов (избыток металла, образующийся при заливке формы). Они негативно влияют на качество готового продукта и требуют дополнительной обработки.

Их типы зависят от конкретных условий:

• Заливы появляются на стыках формы из-за плохо подобранной модели или некачественного соединения опок.
• Распоры – полости вертикального или горизонтального характера, локализующиеся внутри отливки. Их появление связано с неправильным давлением в процессе литья.
• Наросты формируются в результате несоответствия формы модели или ее деформации под воздействием расплавленного металла.
• Просечки – мелкомасштабные повреждения поверхности в виде борозд или углублений, возникающие вследствие проникновения расплава в шероховатости и неровности формы.
• Пластические дефекты металлоизделий.

Дефекты формы у металлических изделий неизбежны при прокате и обработке. Они появляются из-за механических напряжений, которые ее деформируют.

Фото: EyeEm / Freepik

Вот некоторые из самых частых:

• Растяжение – это необратимое изменение формы материала, которое происходит, когда на него действует сила, вызывающая удлинение. При этом металл испытывает значительные напряжения. Это может привести к образованию трещин, особенно если сила превышает предел прочности материала. Часто такое явление наблюдается в металлических листах и проволоках при воздействии растягивающих сил.
• Разрывы, надрывы и задиры – это дефекты, которые возникают на поверхности металла из-за неправильной механической обработки. Они появляются, когда на материале есть грязь или другие посторонние включения.
• Сдвиг – тип деформации, характеризующийся перемещением слоев кристаллической решетки металла параллельно друг другу без изменения общего объема материала. Приводит к образованию складок, особо в зонах с повышенной механической нагрузкой.
• Деформации на металлической поверхности в виде вмятин, забоин, отпечатков, рябизны, задиров и углублений появляются в результате механических воздействий. Повреждения возникают на листах металла или обшивках под действием ударов.
• Циклические нагрузки и вибрации могут спровоцировать колебательные деформации материала. Они приводят к усталостному разрушению металла. Процесс сопровождается образованием трещин и неровностей на поверхности, которые преимущественно локализуются в зонах концентрации напряжений.

Дефекты металлических изделий во время использования возникают по многим причинам, как извне, так и из-за свойств самого материала.

Рассмотрим самые важные из них:

• К механическим причинам относятся перегрузки, удары, вибрации и другие воздействия, выходящие за рамки проектных параметров. Они способствуют образованию деформаций, трещин и других повреждений в металле.
• Химические причины, такие как воздействие влаги, химических веществ, солей и агрессивных сред, приводят к ржавчине и окислению. Отсутствие своевременной антикоррозийной обработки усугубляет этот процесс. В результате на поверхности металла появляются пятна и поры, что снижает его прочность и долговечность.
• Нештатные температурные воздействия, такие как резкие перепады и другие термические напряжения. Они приводят к расширению или сжатию металла. Это может стать причиной деформации материала, образования трещин и других дефектов.
• Нарушения правил техники безопасности. Они включают в себя недостаточную подготовку персонала, игнорирование инструкций, некорректное использование или эксплуатацию металлических изделий могут спровоцировать дефекты.

Выявление дефектов металлических изделий

Субмикроскопическое исследование

Оно позволяет обнаружить дефекты на стыках кристаллов.

Также осаждение нерастворимых соединений и элементов, таких как фосфор или тугоплавкие металлы, на границах зерен также создает дефекты. Эти элементы не могут образовать соединения с железом в стали, поэтому они накапливаются на границах кристаллов.

К числу субмикроскопических дефектов в стали 38Х2МЮА относятся сколы. Их возникновение обусловлено выделением локальных плоскостей по границам зерен при легировании алюминием. Это приводит к снижению прочности металла в этих зонах и образованию сколов при последующей механической обработке.

Микроскопический анализ

Микроанализ с увеличением более 100 крат широко используется в литейном деле и позволяет точно определить размер зерна, количество и тип неметаллических включений, содержание меди, серы и фосфора в металле.

Химический состав стали (содержание углерода и легирующих элементов) определяет тип твердых фаз, образующихся при кристаллизации. Они обладают разными механическими свойствами: прочностью, твердостью и пластичностью. В сталях, устойчивых к коррозии, изменение температуры охлаждения приводит к образованию различных структур – аустенита, мартенсита или ледебурита.

Важным показателем, влияющим на качество металла, является размер зерна. Уменьшение его приводит к увеличению пластичности, но снижает прочность. Тем не менее, внесение в состав стали карбидообразующих элементов или тугоплавких материалов позволяет повысить ее прочность без потери исходной пластичности.

Микроанализ сталей в первую очередь направлен на то, чтобы точно установить процентное содержание вредных примесей и неметаллических включений. Главные «враги» – сера и фосфор. Из-за них сталь становится хрупкой как при высоких температурах (красноломкость), так и при низких (хладноломкость). Анализ на оксиды, сульфиды, нитриды и другие соединения позволяет определить их концентрацию и убедиться в соблюдении установленных норм. Влияние таких примесей на свойства металла может быть как благоприятным, так и нежелательным.

Макроанализ

Это эффективный метод обнаружения дефектов в металлических изделиях. С его помощью можно визуально изучить поверхность с увеличением до 30 раз, выявляя крупные изъяны как на ней, так и в глубине материала.

Такие дефекты могут появиться на любом этапе производства, от литья до хранения. Они являются основанием для браковки изделия или направления его на доработку.

Часто задаваемые вопросы о дефектах металлических изделий

Как осуществляются работы по их исправлению?

Незначительные дефекты проката могут быть устранены разными методами. Широко применяется огневая зачистка, эффективная для удаления поверхностных несоответствий и мелких включений. При наличии крупных дефектов используется пневматический зубило.

В ряде случаев используют специализированное металлообрабатывающее оборудование, например, токарный станок для обдирки прутков, труб. Возможно применение абразивных кругов для зачистки.

Какой дефект может появиться при пластических нагрузках?

Такая обработка может привести к дефекту, называемому омеднением. Оно проявляется в виде красноватого налета на некоторых участках металлической детали. Причина этого – неправильная технология обжига или травления, которая приводит к выделению меди из сплава.

Какой дефект может появиться при литье?

В процессе может возникнуть утяжина – углубление с плавными краями на поверхности затвердевшего сплава, образовавшееся в результате усадки металла при его охлаждении. Ее появление всегда указывает на наличие других недостатков в отливке.

Некоторые незначительные недостатки могут быть допущены, если не оказывают негативного влияния на функциональность и эксплуатационные характеристики конструкций.

Изображение в шапке статьи: EyeEm / Freepik