Исследование характера и причин разрушения деталей в процессе испытания опрессовкой

УДК 620.184.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА И ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИСПЫТАНИЯ ОПРЕССОВКОЙ

С.И. Аксенова, к.т.н., нач. лаборатории, В.Б. Земляной, инженер, Л.В. Молчанова, нач. лаборатории, Е.А. Сатановский, к.т.н., зам. нач., В.Н. Цюрюпа, к.т.н., нач. лаборатории, ЦЛ ГП «Завод им. Малышева»

Аннотация. Выполнено комплексное материаловедческое исследование и установлены характер и причины разрушения деталей из легированной стали на этапе сдаточных испытаний. Предложены технологические мероприятия для предотвращения брака.

Ключевые слова: разрушение, излом, наводораживание, механические свойства.

Введение

В технике чрезвычайно актуальной является проблема предотвращения аварийных разрушений в процессе производства и эксплуатации конструкций и машин. Важным аспектом данной проблемы является достоверная диагностика характера и причин разрушения, что обусловливает выбор эффективных мер по ликвидации брака и предотвращению аварийных поломок.

Анализ публикаций

Разнообразие и сложность современных конструкций, условий их эксплуатации, способов производства и упрочнения деталей делает техническую диагностику причин разрушений и брака весьма сложной задачей, которая в ряде случаев может быть решена лишь с помощью комплекса современных физических методов исследований, в том числе макро- и электронномикроскопической фрактографии. Применение этого метода исследований для целей диагностики основывается на использовании имеющегося в литературе банка данных по макро- и микростроению изломов сталей в зависимости от их химического состава, структурного состояния, комплекса свойств, вида и характера нагружения [1-3].

Цель и постановка задачи

При внедрении в серийное производство детали «цилиндр», работающей в условиях действия статических нагрузок высокого уровня, имели

место массовые разрушения на этапе испытаний гидростатическим давлением (опрессовки). Задачей данной работы явилось установление причин аварийных разрушений детали в процессе производства и разработка мероприятий по их предотвращению.

Результаты исследования и их обсуждение

Деталь «цилиндр» изготавливают из стали 34ХН3М и упрочняют улучшением (закалкой и высоким отпуском) на КТ110 по ОСТ 3-1686-73 (о0 2 > 1100 МПа; а > 5%; 0 > 40%; КШ > 40

2

Дж/см ).

Для обеспечения коррозионной стойкости поверхностей, контактирующих с агрессивной средой, на граничные пояски детали электролитическим способом наносят молочное хромовое покрытие; температура осаждения хрома составляет 70-72 °С, плотность тока 30-40

а/дм2.

Разрушения происходили в процессе гидростатического нагружения при испытаниях готовых деталей и имели макрохрупкий характер. Пластическая деформация стенок цилиндров отсутствовала, трещины располагались вдоль оси цилиндра с началом разрушения на (или вблизи) внутренней поверхности цилиндра.

Макрофрактографический анализ изломов по трещине проводили путем визуального исследования и с помощью бинокулярного

Установлено, что в макростроении изломов различаются следующие зоны (рис. 1, а):

1) начальная зона разрушения, светлая, имеющая форму округлого пятна, диаметр которого составляет ~ 2-7 мм, мелкокристаллического строения;

2) эллипсообразная зона, имеющая несколько более темную поверхность с тонкими рубцами, указывающими направление развития трещины;

3) долом, имеющий более развитую поверхность, распространяющийся вдоль стенок цилиндра с образованием шевронных узоров.

Исследование микростроения изломов проводили на электронном микроскопе ЭМВ-100БР с использованием двухступенчатых пластико-угле родных реплик. Электроннофрактографический анализ показал, что в микростроении первой зоны излома наблюдается хрупкий межзеренный рельеф (рис. 1, б). Грани зерен, выходящие в излом, преимущественно гладкие, следы

микропластической деформации практически отсутствуют. В микростроении зоны 2 наряду с хрупким межзеренным рельефом появляются признаки микропластической деформации в виде утяжек и участков малоэнергоемких ямок (рис. 1, в). В доломе (зона 3) наблюдается смешанный рельеф, состоящий из участков межзеренного строения, ямочных и квазискольных участков.

Такое макро- и микростроение излома типично для замедленного разрушения высокопрочных сталей в условиях действия длительных статических нагрузок [3].

В табл. 1 приведены результаты механических испытаний материала кондиционных деталей и деталей, разрушенных в процессе опрессовки. Анализ приведенных данных свидетельствует о следующем:

- прочностные характеристики материала разрушенных деталей превышают таковые для кондиционных деталей;

- характеристики пластичности а и 0, получаемые при испытании растяжением (т. е. при относительно медленном нагружении), для материала разрушенных деталей имеют катастрофически низкие значения, в сравнении как с таковыми для материала неразрушенных деталей, так и с требуемыми нормативами;

- дополнительный отпуск при более высокой температуре приводит к восстановлению пластических характеристик а и 0 при сохранении

- различие в уровне ударной вязкости (характеристики, получаемой при испытании с большой скоростью приложения нагрузки) для материала разрушенных и неразрушенных деталей невелико и вполне адекватно отражает разницу в уровне прочностных характеристик; КСи для материала разрушенных деталей удовлетворяет требованиям КД.

Рис. 1. Разрушение «цилиндра»: а -

макростроение; Ф 3; б, в - микростроение в зонах 1 и 2 соответственно; Ф 10000

Выявленный характер охрупчивания материала разрушенных деталей, а именно падение

пластичности при медленном нагружении и сохранение вязкости при динамическом

нагружении, присущ сталям с повышенным

а

б

в

содержанием диффузионно-подвижного водорода [4]. Десорбция такого водорода, например, в результате последующего отпуска или длительного вылеживания, приводит к восстановлению пластичности.

Анализ технологического процесса изготовления деталей свидетельствует о том, что наводоражи-вание их происходит на этапе нанесения электролитического хромового покрытия. При этом температура последующего обезводораживающего отпуска не может превышать 120 °С, поскольку более высокий нагрев приводит к возникновению пористости хромового покрытия и потере им антикоррозионных свойств. Как показали исследования, такой отпуск не обеспечивает степень десорбции водорода, необходимую для восстановления пластичности.

Известно [5], что при водородном охрупчивании чем выше уровень прочности стали, тем меньшие количества присутствующего диффузионноподвижного водорода приводят к водородной хрупкости. В связи с этим для данных деталей было введено ограничение величины 60 2 не

только по нижнему, но и по верхнему пределу: 2

602=110-120 кгс/мм . В производство были

внедрены поплавочный запуск деталей в термообработку, поэтапный контроль твердости и механических свойств, доотпуск деталей при повышенных температурах в случае необходимости. Реализация этих мероприятий привела к полному устранению брака «цилиндров» по трещинообразованию в процессе опрессовки.

Выводы

Установлено, что массовые разрушения деталей «цилиндр» в процессе опрессовки происходили по механизму замедленного разрушения, инициированного повышенным содержанием в

исследований свидетельствуют о том, что в процессе опрессовки «цилиндров» происходит замедленное разрушение, инициированное повышенным содержанием в стали диффузионноподвижного водорода.

стали диффузионно-подвижного водорода.

Наводораживание материала деталей происходит в процессе нанесения хромового покрытия электролитическим способом.

Мероприятия по предотвращению разрушений цилиндров при опрессовке были направлены на регламентацию оптимального комплекса механических свойств при термическом улучшении, обеспечивающих требуемый уровень прочности в соответствии с КД, с одной стороны, и предотвращающий аварийные последствия от наводораживания, с другой стороны.

Литература

1. Фрактография и атлас фрактограмм: Справочник / Под ред. Д. Феллоуза. - М.: Металлургия, 1982. - 489 с.

2. Романив О. Н., Зима Ю. В., Карпенко Г. В.

Електронна фрактограф1я змщнених сталей.

- К.: Наукова думка, 1974. - 207 с.

3. Фрактография - средство диагностики разрушенных деталей / М.А. Балтер, А.П. Любченко, С.И. Аксенова и др. - М.: Машиностроение, 1987. -160 с.

4. Балтер М. А., Гольдштейн Л. Я., Аксенова С. И.

Влияние нагрева в водородосодержащей атмосфере на механические свойства и характер разрушения сталей в высокопрочном состоянии // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1984. -№ 2. - С. 10-12.

5. Потак И. М. Высокопрочные стали. - М.:

Металлургия, 1972. - 208 с.

Таким образом, результаты проведенных

Таблица 1 Механические свойства « цилиндров»

Механические свойства Материал* V МПа а, % 0, % 2 КСи, Дж/см

Неразрушенные цилиндры 1280-1390 9-10 45-48 66-72

Разрушенные цилиндры 1410-1510 2-4 8-9 47-51

Материал разрушенных цилиндров после дополнительного отпуска 1190-1200 10-15 54-56 70-82

*Обобщенные результаты по испытаниям не менее 10 деталей.

Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н.,

ХНАДУ Статья поступила в редакцию 11 мая 2006 г.