Методы исследования поломавшихся деталей

Анализ строения излома является важной, но не единственной необходимой операцией при установлении причин разрушения детали. Полный анализ причин разрушения является обширным вопросом, выходящим за рамки настоящей монографии, поскольку основное внимание уделено в ней анализу строения изломов. В ряде случаев бывает затруднительно дать правильную оценку излома без знания некоторых условий работы детали и не проводя дополнитель­ных исследований. Так, наряду с осмотром поверхности самого излома, необходимо тщательно просмотреть сломавшуюся деталь, проверить, не имеется ли на детали в особенности вблизи излома трещин и каково их расположение относительно места разрушения, выявить различные механические или химические повреждения поверхности детали (глубоко выбитые клейма, вмятины, потертости, коррозионные изъязвления и т. д.), установить связь имеющихся повреждений с началом (очагом) разрушения.

Следует обратить внимание также на общую деформацию детали у излома: характер «загнутости» краев излома, а также направление деформации указывают на степень пластической деформации перед разрушением и направление действующих усилий.

Во многих случаях направление трещин, расположенных около излома, может служить дополнительным признаком при установле­нии начальных зон и общего направления разрушения детали. Например, на поверхности разрушившейся детали из сплава ЭИ481 около излома были обнаружены трещины, направление которых (рис. 2, а) помогло установить зону первоначального разрушения; результаты исследования только поверхности излома (фиг. 2, б) оказались в этом случае мало убедительными. Во многих случаях повторного действия нагрузок, кроме основной трещины, приведшей к разрушению, возникает ряд побочных трещин, их обна­ружение и анализ помогает установить характер разрушения.

Рис. 2. Поверхность разрушившейся детали с трещиной в зоне первоначального разрушения (а) и вид излома однократного разрушения (б)

Так, при анализе разрушения детали, имеющей форму трубы с фланцем, основная задача заключалась в установлении характера разруше­ния: однократного (как следствие наличия исходной трещины, напри­мер, закалочной) или усталостного, что по строению излома нельзя было точно определить (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид (а) и излом (б) детали, разрушенной вследствие повторно-переменного симметричного изгиба при значительной перегрузке: 1- очаг излома; 2- трещина у противоположной стороны отверстия

Анализ расположения трещин, обнаруженных на диаметрально противоположной относи­тельно начальной зоны излома стороне детали подтверждает происхо­ждение излома вследствие действия повторно-переменного симме­тричного изгиба при значительной перегрузке относительно предела выносливости.

Для установления причин разрушения весьма важно просмотреть также всю поверхность детали. Трещины, расположенные на поверхности детали не только вблизи, но и вдали от излома, могут указы­вать на наличие хрупкого слоя на поверхности, образовавшегося в результате неправильной химико-термической, термической или механической обработок или влияния активных сред при работе детали. На внутренней поверхности разрушившейся в эксплуатации гайки (рис. 4, а) из стали хромансиль (деталь прохо­дила закалку в соляной ванне) были обнаружены продольные тре­щины.

Наибольшее количество трещин было в зонах, прилегающих к излому, однако достаточно крупные трещины имели место и вдали от излома. Возникновение этих трещин можно было объяснить твер­дым хрупким слоем на поверхности детали. Действительно, измере­ние микротвердости поверхностных слоев и сердцевины гайки, а также изучение микроструктуры подтвердило наличие на поверх­ности твердого хрупкого слоя глубиной 80—100 мк с отличным от сердцевины строением.

Рис. 4. Внешний вид разрушенной в эксплуатации гайки (а) и ее микрошлиф (б)

Твердость поверхностного слоя, примерно, в полтора раза превышала твердость основного материала. Иссле­дование трещин на поперечных шлифах показало, что распростране­ние их в материале, в основном, происходит по границам зерен (фиг. 4, б). Такое распространение трещин характерно, в частности, при насыщении стали водородом или азотом. Комплексное рассмо­трение всех результатов исследования (анализ излома, расположение и ход трещин, исследование микроструктуры и микротвердости) позволило сделать заключение, что гайка разрушилась вследствие наличия тонкого хрупкого слоя на всей поверхности, в том числе и на поверхности резьбы. Этот слой мог образоваться в результате насыщения стали углеродом и азотом в соляной ванне при нагреве под закалку с использованием в качествераскислителя желтой кро­вяной соли; разрушению гайки, по-видимому, способствовали также повышенные напряжения в результате неправильного монтажа.

Анализ излома должен быть дополнен другими исследованиями и, в частности, анализом имеющихся на детали тре­щин. Часть из обнаруженных трещин необходимо вскрыть и изучить строение поверхности разрушения. Возможны случаи, когда в резуль­тате разрушения в эксплуатации поверхность излома настолько сильно забита, что нельзя определить даже общее строение излома. Установить характер разрушения можно при этом иногда по имею­щимся трещинам. Например, при эксплуатационном разрушении поршневого пальца не представлялось возможным определить харак­тер разрушения (фиг. 5, а); однако по наличию призна­ков усталостного развития поперечной трещины (отмечена стрел­кой) был установлен усталостный характер разрушения детали фиг. 5, б). Часть трещин можно не вскрывать, чтобы использовать зоны, где они залегают, для приготовления шлифов для металлографиче­ского анализа. При установлении характера первичных изломов по строению вторичных трещин следует учитывать условия работы детали и воз­можность возникновения однократных и усталостных разрушений в разной последовательности.

Рис. 5. Усталостный излом поршневого пальца (а) подтверждается усталостным характером развития нераскрывшейся поперечной трещины (б)

Как указывалось выше, различные виды разрушений характеризуются различным характером распространения трещин в мате­риале. Усталостная трещина обычно распространяется по телу зерна, в то Еремя как при длительном статическом нагружениипри повышенной температуре разрушение, обычно, проходит по гра­ницам зерен. В основном по границам зерен проходит трещина также в случае отпускной хрупкости, хрупкости, вызванной наличием водорода, и в других случаях «охрупчивания» границ зерен. Хруп­кое разрушение хладноломких металлов обычно протекает по телу зерен.

Для выявления мелких трещин на поверхности детали можно воспользоваться методом травления с последующим осмотром под лупой или микроскопом или методами магнитной, цветной или люми­несцентной дефектоскопии. При использовании этих методов воз­можно нарушение поверхности излома травителем или загрязнение ее краской, керосином или люминофором. Поэтому лучше контроли­ровать излом, отрезав кусок от исследуемой детали после тщательного осмотра поверхности около излома.

Тщательный осмотр детали невооруженным глазом и в особен­ности с лупой или под бинокулярным микроскопом при увели­чении 20—40 часто может дать не худшие результаты, чем различные методы контроля поверхностных дефектов.

Электронный микроскоп значительно расширяет возможности микроскопического изучения строения изломов. Получаемое на элек­тронных микроскопах увеличение порядка десятков тысяч позволяет обнаружить новые детали строения поверхности изломов, не выяв­ляемые оптической микроскопией.