Методы разрушающего контроля

К разрушающим испытаниям сварных соединений принято отно­сить: механические, металлографические, коррозионные, химичес­кие. Особо следует выделить так называемые «безобразцовые» ис­пытания механических свойств металла. Например, на стыках труб действующих энергоблоков периодически в зоне сварного шва ме­талл зачищают и замеряют твёрдость, производят металлографичес­кие, рентгеноструктурные и другие испытания. При этом нарушают целостность материала, но не изделия в целом.

Механические испытания сварных соединений регламентирова­ны ГОСТ 6996-66, который устанавливает порядок и основные ме­тоды определения механических свойств сварного соединения и его отдельных зон.

В сварных конструкциях ответственного назначения, работающих при отрицательных температурах, вибрационных нагрузках, изготов­ленных из высокопрочных материалов, сварные соединения допол­нительно испытывают на стойкость против хрупкого разрушения и усталостную прочность.

Основная задача механических испытаний - определение проч­ностных и пластических характеристик сварного соединения, без которых нельзя выполнить прочностной расчёт сварной конструк­ции. Эти данные позволяют правильно выбрать материал для конст­рукции и определить вид и условия сварки.

Механические испытания могут быть статические и динамические.

К статическим относятся испытания на растяжение, на изгиб, на твёрдость (микротвёрдость), на стойкость против хрупкого разрушения. Испытания на одноосное растяжение являются наибо­лее распространёнными. По их результатам определяют сразу не­сколько простейших механических характеристик материала: пре­дел текучести (от), временное сопротивление (aj, относительное уд­линение (S) и относительное сужение (г|)).

Физическим пределом текучести (от) называется наименьшее на­пряжение, при котором образец деформируется («течёт») без замет­ного увеличения растягивающего усилия Р: σ=P_т/Fo_,

Р - усилие, соответствующее пределу текучести; F_o— исходная расчётная площадь сечения образца.

Условным пределом текучести (σ_0.2) называется напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2 % от его на­чальной длины: σ_0.2=P_0,2/F₀ где Р₀ - усилие, соответствующее пределу текучести.

Временным сопротивлением — пределом прочности (ав) называ­ется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Ртах, предше­ствующей разрушению образца

 

Рис. 4.48. Гагаринский образец для испытаний на растяжение: а - до испытания; б - после испытания

 

 

Рис. 4.49. Универсальная электромеханическая испытательная машина се­рии RSA фирмы SCHENCK:

общий вид установки (а), оснастка для испытания на разрыв (б) и угол заги­ба (в)

 

Все эти характеристики (от, о0д, 5, -ф) можно получить при растя­жении, например, цилиндрического образца (рис. 4.48) на испыта­тельной машине (рис. 4.49) с одновременной записью растягиваю­щего усилия Р, приложенного к об­разцу, и деформации образца ∆/.

Типичная диаграмма растяжения для стали в координатах Р-А1 при­ведена на рис. 4.50. Прямолинейный участок диаграммы отражает пря­мую пропорциональную зависи­мость между усилием растяжения и упругой деформацией. Далее развивается пластическая деформация стали, и максимум на кривой в точке D соответствует наибольшей нагрузке Р, предшествующей разрушению образца.

В точке Е происходит разрушение. Если провести прямую, па­раллельную АВ, из любой точки диаграммы в области пластической деформации, то на оси абсцисс получим величину остаточной де­формации образца ∆/*.

Для исследования свойств металла сварного соединения из него вырезают образцы (рис. 4.51): гагаринские (см. рис. 4.48, а); образ­цы для определения относительной прочности шва в сравнении с основным металлом без снятия усиления шва (рис. 4.52, а); образцы для определения абсолютного значения ав со снятым усилением и со специальной выточкой шва, предопределяющей место разруше­ния (рис. 4.52, б).

 

При испытании на изгиб (рис. 4.53) определяют угол загиба при образовании пер­вой трещины в растянутой

зоне образца, который даёт представление о пластических свойствах соединения в целом. Испытания на угол загиба можно проводить на универсальной испытательной машине со специальным приспособ­лением (см. рис. 4.49, в).

В основе испытания на твёрдость (микротвёрдость) лежит свой­ство металла оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твёрдо­сти вследствие быстроты и простоты осуществления, а также воз­можности без нарушения целостности изделия судить о свойствах металла получило достаточно широкое применение.

Твёрдость определяют по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

Сущность метода определения твёрдости по Бринеллю (ИВ) за­ключается во вдавливании стального шарика диаметром D в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диаметра отпечат­ка d после снятия испытательной нагрузки (рис. 4.54, а). Чем мень­ше диаметр отпечатка, тем выше твёрдость металла.

Сущность метода определения твёрдости по Роквеллу заключа­ется во вдавливании наконечника (индентора) с алмазным конусом с углом у вершины 120° либо стального закалённого шарика диамет­ром 1,588 мм (рис.4.54, б). Алмазный конус применяют для испыта­ния твёрдых металлов, а шарик-для мягких. Под нагрузкой PQ ин-дентор прибора вдавливается в образец на глубину Ао. Затем на ис­пытуемый образец подаётся нагрузка Р = Ро + Р}, и глубина погру­жения наконечника возрастает. После снятия основной нагрузки Р. прибор показывает число твёрдости по Роквеллу ЯЛ, которое опре­деляется по осевому перемещению индентора.

 

 

Рис. 4.54. Схемы определения твердости по Бри-нсллю (а), Роквеллу {б), Виккерсу (в) и общий вид прибора для измерения твердости фирмы Tarnotest (г)

 

 

Твёрдость по Виккерсу (HV) заключается во вдавливании алмазного наконечника, име­ющего форму правильной четырёхгранной пирамиды, в образец (изделие) под действи­ем нагрузки Р и измерении диагонали отпе­чатка d, оставшегося после снятия нагрузки (рис. 4,54, в).

Определение микротвёрдости (твёрдость в микроскопически ма­лых величинах) применяют для исследования отдельных структур­ных составляющих сплава. Прибор для определения микротвёрдос­ти состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамидки под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. Твёрдость определяется по диагонали отпечатка алмазной пирамидки.

Испытанием на хрупкость определяют хрупкое разрушение, при котором пластические деформации малы по сравнению с упругими. Хрупкое разрушение характерно для условий работы, при которых тормозится процесс развития пластической деформации из-за нали­чия острых концентраторов, отрицательных температур и некото­рых других факторов. Такой характер разрушения опасен тем, что при сравнительно невысоких напряжениях может происходить ла­винообразное распространение трещины через всё сечение конст­рукции. Стойкость против хрупкого раз­рушения зависит от сопротивления металла отрыву, и её оценивают по критерию вязкости разрушения К,. Этот показатель определяют путём испытания статическим изгибом об­разца с надрезом (рис. 4.55); в вер­шине образца имеется искусствен­ная усталостная трещина. Образец нагружают до момента нестабильно­го развития трещины. Затем по ве­личине нагрузки и длине трещины рассчитывают коэффициент интен­сивности напряжений К[с, являю­щийся одним из главных критериев вязкости (хрупкости) разрушения

 

Рис. 4.56. Общий вид (а) и схема (б) маятникового копра и схема испыта­ния на ударный изгиб образца с концентратором (в): I - маятник; 2 - образец; 3 - шкала; 4 - стрелка шкалы; 5 - тормоз

 

К динамическим относятся испытания на ударный изгиб и усталость. Испытания на ударный изгиб выявляют склонность ме­талла к хрупкому разрушению в заданной зоне соединения. Метод основан на разрушении образца с концентратором (рис. 4.56, в) уда­ром маятникового копра (рис. 4.56, а, б). По шкале копра определя­ют полную работу К, затраченную при ударе (работа удара): К= Ph₁(cosβ - cosα).

Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесённую к начальной площади поперечного сечения SQ образца в месте концен­тратора: КС = K/So.

Усталостные испытания по числу циклов до разрушения образца подразделяют на малоцикловые (обычно N = 100 - 5 • 104) и много­цикловые (как правило, N*l О6). Определяют способность соедине­ний сопротивляться действию переменных нагрузок (рис. 4.57, а) при изгибе, растяжении и кручении. Форма образцов зависит от этих нагрузок и вида соединений. При испытании возможно определение предела выносливости ог - наибольшего напряжения, при котором образец выстаивает без разрушения заданное число циклов - базу испытания (рис. 4.57, б).

Металлографический анализ проводят для определения струк­туры сварного соединения и выявления реальных размеров дефек­тов сварного шва. Полный металлографический анализ сварного со единения должен состоять из исследования макро- и микрострукту­ры металла шва, зоны термического влияния и основного металла. При макроанализе исследуют макроструктуру (строение) металла, видимую без увеличения или при небольшом увеличении (с помощью лупы). Для этого из сварного соединения вырезают об­разцы (темплеты) в определённом месте и определённой плоскости.

 

Поверхность образца шлифуют и подвергают травлению специаль­ными реактивами (в большинстве случаев растворами кислот высо­кой концентрации). Действие травителей заключается в том, что они по-разному растворяют составляющие структуры, что и позволяет выявить, например, сварной шов, его дендритное строение и геомет­рические размеры (рис. 4.58, о). Дефекты, нарушающие сплошность металла, выявляются потому, что реактивы растравливают трещи­ны, поры, раковины и прочие дефекты.

Микроскопический анализ применяют для:

- определения формы и размеров зёрен, из которых состоит сплав;

- обнаружения изменений внутреннего строения сплава, проис­ходящих под влиянием термического цикла сварки;

- выявления дефектов сварного соединения (микропор, микро­трещин и т. п.);

- обнаружения неметаллических включений (например, сульфи­дов, оксидов).

Для микроанализа из исследуемого сварного соединения выреза­ют образец; исследуемую поверхность подвергают шлифованию, полированию (механическому, электролитическому), травлению. Подготовленная поверхность называется микрошлифом.

Для исследования структуры металлов и сплавов на микрошли­фах применяют металлографические микроскопы (рис. 4.59). По оп­тической схеме микроскоп состоит из двух основных раздельных оптических систем: окуляра, располагающегося в непосредственной близости к глазу, и объектива, обращенного к объекту исследования

- микрошлифу. Объектив даёт действительное увеличение проме­жуточного изображения объекта, которое увеличивается окуляром. Таким образом, изображение увеличивается дважды. Общее увели­чение представляет собой произведение увеличения объектива на увеличение окуляра. Оптические микроскопы дают увеличение до 1500 раз.

Микроструктуры сварного соединения из ферритно-перлитной стали приведены на рис. 4.58,6-е. Из анализа фотографий видно, что структура металла вверху и внизу (рис. 4.58, б) состоит из лучистых кристаллов верхнего бейнита, округлённых полосами феррита и пер­лита. При переходе от основного металла ко шву (рис. 4.58, в) слева виден крупнозернистый бейнит зоны перегрева, справа - бейнит ме­талла шва.

На рис. 4.58, г приведена структура участка перегрева, располо­женного рядом со швом; она содержит до 80 % крупнозернистого бейнита, а также около 10 % феррита и 10 % перлита. Структура участка, где металл нагревался выше температуры Ас2 (рис. 4.58, д), состоит из феррита и перлита. Основной металл, не подвергавшийся термическому влиянию сварки, имеет строчечную ферритно-перлитную структуру (рис. 4.58, е).

При необходимости большего увеличения пользуются электрон­ными микроскопами (рис. 4.60), которые обеспечивают увеличение до 200000 раз. Эти микроскопы работают по схеме проходящих элек­тронных лучей. Вместо стеклянных линз в электронном микроско­пе установлены электромагнитные линзы, преломляющие электрон­ные лучи. Источником электронов служит раскалённая вольфрамо­вая нить.

Электронный микроскоп предназначен для исследования объек­тов в проходящих электронных лучах, и предмет исследования дол­жен быть очень тонким. Поэтому при исследовании используются не сами образцы, а тонкие плёнки - реплики, воспроизводящие ре­льеф поверхности микрошлифа.

Структуру можно анализировать и на изломах сварного соедине­ния с помощью сканирующих растровых электронных микроскопов, предназначенных для исследования объектов в отражённых от по­верхности электронных лучах. Данный метод называют ф р а к т о -графическим.

Рис. 4.60. Схема (а) и общий вид (б) электронного микроскопа просвечива­ющего типа;

1 - источник электронов; 2 - кондедсорная линза; 3 - объект; 4 - объектив­ная линза; 5 - промежуточное изображение; б - проекционная линза; 7 -конечное изображение

 

Изломы сварных соединений исследуют после механических ис­пытаний образцов (см. рис. 4.48), а также после разрушения свар­ных конструкций. По излому можно определить характер разруше­ния - пластическое или хрупкое, а также выявить дефекты - поры, трещины, неметаллические включения и др.

Если металл пластичен, то его разрушение под воздействием ра­стягивающих усилий будет происходить в результате зарождения, развития и слияния микропор. Поверхность разрушения в этом слу­чае характеризуется наличием типичного ямочного (чашечного) рельефа (рис. 4.61). При этом чем больше размеры ямок, чем глубже они, тем металл обладает большим запасом пластичности. При хруп­ком разрушении в изломе присутствуют фасетки скола (рис. 4.62).

Испытания на коррозию проводят для определения коррозион­ной стойкости сварного соединения или отдельных его зон при ра­боте в различных средах. Различают испытания на общую и мест­ную коррозию.

Общая коррозия является результатом растворения металла в агрессивной среде. По характеру общая коррозия может быть: рав­номерной, при которой с одинаковой скоростью разрушается основ-иой металл и металл шва; неравномерной, при которой быстрее раз­рушается металл шва или же в определенных местах основной ме­талл и металл по линии сплавления.

Эта коррозия характерна для углеродистых и низколегированных сталей. Основные методы оценки коррозионной стойкости металла следующие (ГОСТ 13819-68): гравиметрический, профилографический, электрохимический; механические испытания на растяжение и изгиб.

Гравиметрический метод заключается в том, что сваривают две пластины, а затем разрезают на полосы шириной до 15 мм каждая. Образцы очищают от окалины, заусенцев, взвешива­ют и погружают в сосуд с кислотой (азотной, серной или соляной) различной концентрации. По истечении определённого времени (6-48 ч. в зависимости от материала и концентрации кислоты) образцы вынимают и повторно взвешивают. О развитии процесса коррозии судят по потере массы образцов.

Профилографический метод заключается в том, что степень коррозии сварных соединений определяют по профилограммам, которые строят для каждого образца на основании измерения профиля поверхности стрелочным индикатором до и после воздей­ствия на металл агрессивной среды с последующим сравнением ре­зультатов измерения. Электрохимический метод определения коррозионной стойкости заключается в установлении разницы потенциалов между отдельными зонами сварного шва в той или иной коррозионной среде.

Метод механических испытаний на растяжение и изгиб заключа­ется в сравнении прочностных и пластических свойств образцов до и после коррозионных испытаний.

Местная коррозия может развиваться в зоне термического влияния основного металла на некотором удалении от шва (по ли­нии сплавления основного металла с металлом шва) и в металле шва. Местная коррозия возникает в результате нагрева металла отдель­ных зон сварного соединения до определённых температур. Этому виду коррозии подвержены аустенитные и аустенитно-ферритные стали. Существует несколько методов оценки местной коррозии, рег­ламентированных ГОСТ 6032-75.

Химический анализ служит для отбраковки материалов по соста­ву, а также для установления причин появления дефектов в сварном соединении. При исследовании сварных соединений обычно прово­дят химический анализ основного, присадочного (электродного и проволоки) и наплавленного металла шва.

При химическом анализе металла шва устанавливают, находится ли содержание углерода, кремния, марганца и других легирующих элементов в пределах, которые регламентированы технической до­кументацией (например, ГОСТами, ОСТами). Кроме того, важно ус­тановить, что содержание вредных элементов (примесей - серы, фос­фора и др.) в стали не превышает допустимых пределов. В некото­рых случаях, особенно при разработке нового состава покрытия или технологии сварки, проводят также анализ шва на содержание азота, кислорода и водорода.

Химический анализ металла может быть проведен спектральным методом, при котором на поверхности образца зажигают дугу. Пары металла, попадающие в дугу, дают свой, присущий им спектр, кото­рый разлагают на аналитические линии. Сравнивая эти линии с эта­лонными, находят количественный и качественный состав элемен­тов в сплаве.

 

 

Рис. 4.61. Топография поверхности разрушения образца из основного ме­талла: а ~ х20; б - х500; в - Х2000; г - х 10000

 

 

 

Рис. 4.62