Методы разрушающего контроля

К разрушающим испытаниям сварных и паяных соединений принято относить: механические (на растяжение, изгиб, ударную вязкость и пр.), 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 осуществляют замер твёрдости, металлографические, рентгеноструктурные и другие испытания. При этом нарушают целостность материала, но не изделия в общем.

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

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

Основная задача механических испытаний - определение прочностных и пластических характеристик соединения, без которых нельзя выполнить прочностной расчёт сварной (паяной) конструкции. Эти данные позволяют правильно выбирать материал для данной конструкции и определить вид и условия сварки (пайки).

Механические испытания бывают статические и динамические.

К статическим относятся испытания на растяжение, на изгиб, на твёрдость (микротвёрдость), на стойкость против хрупкого разрушения.

Испытания на одноосное растяжение наиболее распространённые. По их результатам определяют сразу несколько простейших механических характеристик материала, таких как относительное удлинение и сужение, предел текучести и предел прочности.

Для исследования свойств металла сварного соединения из него вырезают «гагаринские» образцы,образцы для определения относительной прочности шва в сравнении с основным металлом без снятия выпуклости шва,образцы со специальной выточкой шва, предопределяющей место разрушения.

При испытании на изгиб определяют угол изгиба при образовании первой трещины в растянутой зоне образца, который даёт представление о пластических свойствах соединения в целом. Испытания на угол изгиба можно проводить на универсальной испытательной машине с использованием специального приспособления.

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.

В последние годы разработаны и применяются на практике портативные твердомеры, которые применяют в цеховых и полевых условиях. Принцип работы портативных твердомеров основан на измерении соотношения скоростей падения и отскока при соударении твердосплавного шарика с контролируемой поверхностью. Приборы оснащены всеми основными шкалами твёрдости (по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу), имеют автоматическую коррекцию показаний в зависимости от угла наклона ударного устройства, позволяют производить измерения в труднодоступных местах и на криволинейной поверхности.

Испытания на хрупкость. Хрупким называют 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 других факторов. Такой характер разрушения опасен тем, что при сравнительно невысоких напряжениях может происходить лавинообразное распространение трещины через всё сечение конструкции.

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 концентраторомударом маятникового копра, по шкале которого определяют полную работу К, затраченную при ударе. Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесённую к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.

Усталостные испытания по числу циклов до разрушения об­разца подразделяют на малоцикловые и многоцикловые (как правило, N > 106). Определяют способность соединений сопротивляться действию переменных нагрузокпри изгибе, растяжении и кручении. Форма образцов зависит от этих нагрузок и вида соединений. При испытании могут определять и предел выносливости - наибольшее напряжение, при котором образец выстаивает без разрушения заданное число циклов (базу испытания).

Металлографическим анализом определяют структуру сварного соединения и проводят выявление реальных размеров дефектов сварного шва. Полный металлографический анализ сварного соединения должен состоять из исследования макро- и микроструктуры металла шва, зоны термического влияния и основного металла.

При макроанализе производят исследование макроструктуры, строения металла, видимого 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. Дефекты, нарушающие сплошность метал­ла, выявляются потому, что реактивы растравливают трещины, поры, раковины и пр.

Микроскопический анализ применяют для:

определения формы и размеров зёрен, из которых состоит сплав;

обнаружения изменений внутреннего строения сплава;

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

обнаружения неметаллических включений - сульфидов, оксидов и др.

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. При необходимости большего увеличения используют электронные микроскопы, которые обеспечивают увеличение до 200 000 раз.

Структуру можно анализировать и на изломахсварного соединения с помощью сканирующих растровых электронных микроскопов, предназначенных для исследования объектов в отражённых от поверхности электронных лучах. Данный метод называют фрактографическим. Изломы сварных соединений исследуют после механических ис­пытаний образцов, а также после разрушения сварных конструкций. По излому можно определить характер разрушения - пластическое или хрупкое, а также выявить дефекты - поры, трещины, неметаллические включения и т. п.

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. При этом, чем больше размеры ямок, чем глубже они, тем металл обладает большим запасом пластичности. При хрупком разрушении в изломе присутствуют фасетки скола (рис.4.1).

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- результат растворения металла в агрессивной среде. По своему характеру общая коррозия может быть: равномерной, при которой с одинаковой скоростью разрушается основной металл и металл шва; неравномерной, при которой быстрее разрушается металл шва или же в определённых 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 строятся 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 любой коррозионной среде.

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

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

Химический состав металла может быть определён спектральным анализом, 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 составы элементов в сплаве.

При химическом анализе металла шва устанавливают, находится ли содержание углерода, кремния, марганца и других легирующих элементов в пределах, которые регламентированы технической документацией. Кроме того, важно установить, что содержание вредных элементов (примесей - серы, фосфора и т. п.) 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.