Marta Wojas - Badania Nieniszczące

Wady wyrobów metalowych
Marta Wojas
Urząd Dozoru Technicznego
1. WSTĘP
Wiadomości o wyrobach metalowych, procesach ich wytwarzania oraz wadach
mogących występować w wyrobach są niesłychanie istotnym obszarem wiedzy niezbędnej dla
osób wykonujących każdy rodzaj badań nieniszczących.
Celem badań nieniszczących jest ocena jakości wyrobów, na podstawie której wyroby
dopuszczane są do stosowania, eksploatacji. Jednak to nie kontrola tworzy jakość.
Istotny wpływ na jakość wyrobów ma projektowanie, materiały, procesy technologiczne
wytwarzania i ich przebieg oraz rodzaj i stan zastosowanych urządzeń produkcyjnych i
oprzyrządowania.
Materiał, z którego wytwarzany jest wyrób musi posiadać odpowiednie własności
użytkowe po wykonaniu, np. odpowiednią żaroodporność, odporność na ścieranie itp. Ważne
także są własności materiału, które pozwalają na wytworzenie z niego w drodze przeróbki
technologicznej wyrób bez pogorszenia w istotny sposób jego cech użytkowych.
Znajomość tych danych pozwala na świadome i rzetelne wykrywanie wad w wyrobach i ocenę
ich jakości. Wykonanie badań powinno być oparte co najmniej o informacje o rodzaju wyrobu i
jego przeznaczeniu, rodzaju i własnościach materiału, z którego został wytworzony, procesie
technologicznym wytwarzania i oczywiście o wymagania jakościowe – kryteria odbioru,
akceptacji.
Na tej podstawie możliwe jest określenie spodziewanych wad oraz miejsc ich występowania.
Daje to podstawy do zaplanowania odpowiednich badań - metod i technik, obszarów badania,
doboru odpowiedniego wyposażenia badawczego i parametrów badania.
Tak przeprowadzone badania pozwalają nie tylko na wykrycie wad, ale także określenie
przyczyn ich powstawania i wyeliminowanie tych przyczyn w procesach wytwarzania i
eksploatacji wyrobów.
Wadą, na użytek niniejszego referatu, jest niespełnienie wymagania czyli niespełnienie
potrzeby lub oczekiwania, które zostało ustalone, przyjęte zwyczajowo (przez wytwórców i
klientów) lub jest obowiązkowe (wynika z prawa), odnoszące się do zamierzonego lub
wyspecyfikowanego użytkowania wyrobu.
W niniejszym referacie pod pojęciem wyrobu rozumiane są te produkty wytwarzania,
które norma PN-EN 473:2002 podaje w załączniku A, a więc:
1) odlewy (c),
2) odkuwki (f),
3) wyroby spawane (w),
4) rury różnych średnic i wyroby płaskie do wytwarzania rur spawanych (t),
5) wyroby przerabiane plastycznie (wp).
1
2. GŁÓWNE MATERIAŁY I TECHNOLOGIE WYTWARZANIA WYROBÓW
METALOWYCH [1].
2.1. Materiały
Najczęściej stosowanymi na wyroby metalowe są stopy żelaza i metali nieżelaznych,
głównie miedzi, aluminium, ołowiu i cyny. Istotny wpływ mają postać i stan materiału oraz jego
skład chemiczny.
Postać materiału zależy od rodzaju uzyskanego kształtu przez odlanie lub ostatnią
przeróbkę plastyczną, a zatem można rozróżnić postać laną, kutą, walcowaną, ciągnioną itd.
Stan materiału zależy od rodzaju uzyskanej struktury w czasie ostatniej zastosowanej obróbki
cieplnej. Można wyróżnić stan normalizowany, zmiękczony, ulepszony cieplnie itd. Metale z
zasady nie są wykorzystywane w postaci czystej chemicznie jako surowiec do przetwarzania,
lecz jako stopy. Wprowadzone celowo pierwiastki stopowe poprawiają własności
wytrzymałościowe, poprawiają własności technologiczne lub polepszają odporność na korozję,
żaroodporność, żarowytrzymałość itp. Np. na wzrost własności wytrzymałościowych stali
(wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i twardość) największy wpływ mają przede
wszystkim krzem i mangan oraz, w mniejszym stopniu, nikiel, chrom, molibden i wanad.
Na własności technologiczne maja wpływ: mangan, który poprawia kowalność i spawalność,
chrom – poprawia odporność na ścieranie.
W stopach miedzi istotne znaczenie ma cynk, nikiel i cyna, które wpływają dodatnio na
własności mechaniczne, szczególnie wytrzymałościowe, z nieznacznym pogorszeniem własności
plastycznych.
Wśród stopów aluminium zastosowanie znajdują stopy z różnymi pierwiastkami poprawiającymi
własności użytkowe aluminium, jak np. miedź, krzem, magnez, cynk, mangan i nikiel, gdzie
wykorzystuje się optymalny wpływ poszczególnych pierwiastków na własności stopu.
Stopy niskotopliwe cyny i ołowiu znajdują zastosowanie jako stopy zawierające oprócz Sn i Pb,
kadm Cd i bizmut Bi (np. stop Wood’a: Pb – 26,7 %, Sn – 13,3 %, Cd – 10 %, Bi – 50 %).
Stopy łożyskowe cynowe i ołowiowe spełniają wiele, często wręcz sprzecznych wymagań.
Dzieje się tak za sprawą ich wielofazowej struktury, złożonej z twardych ziarn i miękkiego,
plastycznego podłoża.
Znajomość tych zależności oraz znajomość własności są istotnymi elementami wiedzy osób
wykonujących badania nieniszczące.
2.2. Technologie
Do głównych procesów produkcyjnych wyrobów metalowych w niniejszej pracy
zaliczono przeróbkę plastyczną, odlewanie, spajanie oraz obróbkę cieplną .
Przeróbka plastyczna stopu polega na nadawaniu kształtu wyrobu poprzez odkształcenie, a więc
możliwa jest, gdy stop ten posiada odpowiednie własności plastyczne, tzw. wskaźniki
plastyczności, tj, wydłużenie względne oraz przewężenie po zerwaniu w statycznej próbie
rozciągania, udarność przy złamaniu próbki z karbem w próbie udarowego zginania oraz
stosunek Re / Rm. W przeciwnym przypadku wystąpią uszkodzenia, przerwy ciągłości i tym
samym pogorszenie własności użytkowych albo wręcz ich uniemożliwienie.
Odlewanie polega na przeprowadzeniu ciekłego tworzywa ( metalu lub innego materiału)
przez układ wlewowy do wnęki formy, w której krzepnie uzyskując żądany kształt. Stąd jasno
wynika, jakie głównie własności powinien posiadać stop – surowiec do produkcji odlewów;
mianowicie odpowiednią lejność czyli zdolność do odpowiedniego wypełniania formy. Na
uzyskanie odpowiedniego kształtu i własności wyrobu odlewanego wpływ oczywiście także
inne czynniki zewnętrzne.
2
Spajanie metali rozumiane jako spawanie, zgrzewanie, lutowanie itp., odbywa się z udziałem
wysokich temperatur, które mogą mieć istotny wpływ na jakość i własności użytkowe wyrobu.
Także obróbka cieplna w podwyższonych i wysokich temperaturach, nieprawidłowo
przeprowadzona niszczy strukturę i wprowadza naprężenia pogarszające jakość i własności
użytkowe wyrobu.
W wyniku omówionych procesów technologicznych prowadzących do uzyskania żądanych
własności użytkowych wyrobów, mogą wystąpić w nich naprężenia własne, niezależne od
przyłożonych naprężeń zewnętrznych.
W zależności od rodzaju i mechanizmu procesu technologicznego różne własności materiału
mają decydujący wpływ na wielkość i rozkład tych naprężeń.
3. WADY WYROBÓW [1].
Pierwszym etapem wytwarzania wyrobów metalowych jest wytop, którego produktem
jest wlewek będący półproduktem do dalszych procesów technologicznych.
Uzyskanie wlewka o cechach niezgodnych ze stawianymi mu wymaganiami wiąże się z
powstawaniem wad w wyrobach, dla których wlewek ten stanowi półwyrób [2],[9].
Główne wady występujące we wlewku to pęcherze gazowe (rys.1a -wskutek niedostatecznego
stopnia odtlenienia stali strefa pęcherzy przybrzeżnych występuje na całej prawie wysokości
wlewka – przy powierzchni i 1b), które mogą występować jako pęcherze wewnętrzne, podskórne
lub powierzchniowe, nakłucia i ospowatość , jama usadowa (rys.1d - przy nadmiernym
odtlenieniu otrzymuje się wlewek stali uspokojonej z jamą usadową w górnej części) i rzadzizna,
wtrącenia niemetaliczne (rys.2), segregacja - niejednorodność chemiczna, transkrystalizacja
(rys.3) i pęknięcia.
Każda z nich może w istotny sposób wpłynąć na rodzaj wad wyrobów. Np. pęcherze gazowe
lub pozostałości jamy usadowej powstałe w procesie krzepnięcia wlewka, podczas przeróbki
plastycznej, szczególnie walcowania na gorąco, powinny ulec zgrzaniu. Nie całkowicie zgrzane
– na skutek zbyt małych nacisków lub nieodpowiedniej temperatury - powodują rozwarstwienia
(rys.4), które mogą być niebezpieczne przy obciążeniach poprzecznych (prostopadłych) do
grubości . W przypadku kucia otwierają się one i w skrajnym przypadku mogą eliminować
wlewek z dalszej przeróbki.
Wtrącenia niemetaliczne w postaci na ogół tlenków, siarczków, krzemianów i azotków oraz
drobin żużla, wymurówki pieca itp., w procesach przeróbki plastycznej (walcowania i kucia)
odkształcają się. Siarczki i tlenki żelaza i manganu tworząc nitki (rys.5), tlenki aluminium
rozdrabniają się tworząc łańcuszki, zaś krzemiany pozostają niezmienione. Nitki (pasmowość)
wtrąceń może być przyczyną lamelarnych pęknięć w blasze.
Transkrystalizacja polegająca na rozroście strefy występowania kryształów słupkowych bywa
przyczyną pęknięć w narożach podczas przeróbki plastycznej
W wyrobach mogą wystąpić wady na powierzchni i/lub w ich wnętrzu. Występują więc
wady kształtu , np. wypchnięcie odlewu (rys.6) i wymiarów, wady powierzchni, np. strup na
powierzchni odlewu (rys.7) oraz wady wewnętrzne, np. jama skurczowa w odlewie (rys.8).
Przyczyną powstawania wad powierzchni wyrobów, podobnie jak odchyleń kształtu i wymiarów
od wymagań norm, specyfikacji lub wymagań klienta, są zwykle błędy popełnione w procesie
technologicznym. Każdy jego etap może być przyczyną innych wad. Wady wewnętrzne to brak
ciągłości wewnętrznej wyrobów oraz niejednorodność chemiczna i strukturalna.
W czasie procesów i zabiegów cieplnych także powstają wady kształtu i wymiarów oraz
pęknięcia hartownicze, nieodpowiedni stan powierzchni, niewłaściwa struktura, a także
niezgodne z wymaganiami własności mechaniczne lub fizyczne. Większość z nich
spowodowana jest niewłaściwie dobranymi warunkami zabiegów cieplnych, niekiedy
niekorzystnym kształtem wyrobu lub niewłaściwym materiałem.
3
Wady kształtów i wymiarów są skutkiem odkształceń następujących podczas nagrzewania, kiedy
pod wpływem naprężeń wywołanych nierównomierną zmianą objętości na powierzchni i w
rdzeniu materiału.
Pęknięcia hartownicze występują głównie w przypadku szybkiego nagrzewania lub chłodzenia
wyrobu i następują w momencie, gdy naprężenia wewnętrzne osiągną wartość przekraczającą
wytrzymałość materiału w danej temperaturze.
Nieodpowiedni stan powierzchni wyrobów po obróbce cieplnej jest skutkiem prowadzenia
procesu bez zabezpieczenia powierzchni przez negatywnymi skutkami oddziaływania
środowiska, w którym wyrób jest nagrzewany lub chłodzony.
Wady strukturalne i ściśle związane z nimi niewłaściwe własności mechaniczne i
fizykochemiczne są skutkiem niewłaściwie przeprowadzonego procesu obróbki cieplnej.
Najistotniejsze znaczenie ma dobór temperatury wygrzewania, szybkość nagrzewania i
chłodzenia, czas wygrzewania oraz atmosfera pieca i ośrodek chłodzący. Wyroby obrabiane
cieplnie poddawane są często obróbce przez szlifowanie, wykańczającej lub w celu usunięcia
warstw utlenionych / odwęglonych. Bywa to źródłem tzw. pęknięć szlifierskich.
Wady powstające w złączach spajanych są wynikiem błędów i odstępstw podczas
procesu spajania oraz obróbki cieplnej. Jeśli proces spawania podzielić na etapy, to w każdym
etapie występują elementy mające istotny wpływ na jakość złącza spajanego.
Jakość wyrobów jest najczęściej sprecyzowana w postaci klas, poziomów jakości i
znormalizowana, co zdecydowanie ułatwia ich ocenę i założenie wymaganych kryteriów
akceptacji.
4. Wady eksploatacyjne [2], [3].
Wady wyrobów mają istotny wpływ na ich własności użytkowe i żywotność w
warunkach eksploatacji.
Rodzaj, stan i postać wyrobu stosowanego do budowy aparatury, konstrukcji itd., dobierane są
w oparciu o założenia technologiczne eksploatacji. Zależnie od tych wymagań określane są
kryteria akceptacji wyrobu.
Wady powstające w wyrobach podczas eksploatacji mają swoje źródło najczęściej w
niewłaściwie dobranych pod względem własności użytkowych elementach konstrukcyjnych, ale
także w ich jakości, jakości projektowania i wykonania aparatury / konstrukcji oraz nie
przestrzeganiu założonych reżimów technologicznych eksploatacji.
Wśród wielu przyczyn uszkodzeń eksploatacyjnych wyróżnić należy zmęczenie, którego
istota polega na zmianach zachodzących w metalu pod wpływem zmiennych naprężeń lub
odkształceń, co jest źródłem obniżenia wytrzymałości i trwałości, a ostatecznie pęknięć.
W bardzo wielu dziedzinach eksploatacji, np. w chemii, energetyce, lotnictwie, kosmonautyce,
problemem są procesy wysokotemperaturowego niszczenia. Procesy te zależne są od
temperatury, naprężeń i czasu eksploatacji i należy wśród nich wymienić pełzanie, zmęczenie
mechaniczne i zmęczenie cieplne, z którymi mogą niekiedy współistnieć procesy korozji.
Korozja jako proces niszczenia materiałów w wyniku ich reakcji elektrochemicznych lub
chemicznych ze środowiskiem , w którym pracują, jest kolejną bardzo istotną przyczyną
powstawania wad eksploatacyjnych i dotyczy ok. 30% wyrobów z metali i ich stopów.
Wady te mają odmienny charakter niż wady produkcyjne oraz nie są sklasyfikowane i
znormalizowane. Przyczyny ich powstawania zależą od bardzo wielu czynników, których
dopiero dogłębna analiza oraz duże doświadczenie pozwalają na dobór odpowiednich badań metod i technik, obszarów badania, doboru odpowiedniego wyposażenia badawczego i
parametrów badania. Wykrywanie wad eksploatacyjnych i ocena jakości oraz żywotności
resztkowej elementów badanych wymaga znajomości co najmniej tych samych tematów, co w
przypadku wykrywania wad produkcyjnych, a ponadto znajomości warunków eksploatacji,
4
własności mediów oddziaływujących na elementy, stanu naprężeń eksploatacyjnych i wielu
innych, trudnych do przewidzenia faktów charakterystycznych dla określonych przypadków.
Rys.1 Strefy krystalizacji wlewka w
zależności od stopnia odtlenienia
Rys.2 Wtrącenia niemetaliczne w wlewku
Rys.3 Transkrystalizacja we wlewku
Rys.4 Rozwarstwienie w blasze
Rys.5 Nitki
Rys.6 Wypchnięcie w odlewie
Rys. 7 Strup na powierzchni odlewu
Rys.8 Jama skurczowa w odlewie
5
Ta dziedzina kieruje się zupełnie inną filozofią niż w przypadku wad produkcyjnych i trudne jest
osiągnięcie doświadczenia i odpowiednich umiejętności w dziedzinie nieniszczących badań
eksploatacyjnych. Tym trudniejsze jest znormalizowanie tej dziedziny pod względem samych
wad eksploatacyjnych jak i wymagań kwalifikacyjnych osób wykonujących badania
nieniszczące.
5. PODSUMOWANIE
5.1. Materiały i ich własności oraz zastosowane technologie wytwarzania i stan urządzeń /
wyposażenia stosowanych w procesie technologicznym mają istotny wpływ na jakość
uzyskanych wyrobów.
5.2. Materiały i ich własności oraz zastosowane technologie wytwarzania i stan urządzeń /
wyposażenia stosowanych w procesie technologicznym maja istotny wpływ na
planowanie odpowiednich badań - metod i technik badań nieniszczących, obszarów
badania, doboru odpowiedniego wyposażenia badawczego i parametrów badania.
Tak przeprowadzone badania pozwalają na wykrycie wad, określenie przyczyn ich
powstawania i wyeliminowanie tych przyczyn w procesach wytwarzania i eksploatacji
wyrobów.
5.3. Wady wyrobów mają istotny wpływ na użyteczność i czas ich eksploatacji, przy czym
najważniejsze jest dostosowanie wyrobu do warunków eksploatacji i przestrzeganie
założonych reżimów technologicznych.
5.4. Wykrywanie i ocena wad eksploatacyjnych są procesami trudnymi i wymagają
doświadczenia i odpowiednich umiejętności w dziedzinie nieniszczących badań
eksploatacyjnych. Tym trudniejsze jest znormalizowanie tej dziedziny pod względem
samych wad eksploatacyjnych jak i wymagań kwalifikacyjnych osób wykonujących
badania nieniszczące.
Literatura
1. Wojas M.: Wady wyrobów wykrywane metodami nieniszczącymi. Cz. 1. Wady
produkcyjne, Biuro Gamma, Warszawa, 2004
2. Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach, WNT, Warszawa
1996,1998
3. Kocańda S.: Zmęczeniowe pękanie metali, WNT, Warszawa 1985
6