Основные дефекты и их краткая характеристика

Дефекты, возникающие в процессе производства или эксплуатации изделии, в зависимости от причин, вызвавших их появление, подразделяются на конструктивные, производственные и эксплуатационные (вызванные изнашиванием, коррозией, явлением усталости, а также неправильным техническим обслуживанием и эксплуатацией). Причиной появления конструктивных дефектов могут быть: неправильный выбор материала, режимов термической и химико-термической обработки; ошибочный выбор допусков и посадок; неправильно выбранная шероховатость поверхностей; необоснованно выбранная форма деталей; создание концентраторов напряжений в зонах с высоким уровнем действующих напряжений; недостаточная жесткость конструкции. Производственные дефекты появляются обычно в результате нарушения технологического процесса при производстве или восстановлении деталей и узлов. Они по своему происхождению могут быть связаны с различными стадиями технологического процесса — например дефекты, возникающие при плавлении, обработке давлением, термической и химико-термической обработке, механической обработке, соединении сваркой и пайкой. Эксплуатационные дефекты вызваны различного рода изнашиванием, коррозией, явлением усталости, неправильным техническим обслуживанием и эксплуатацией. Для обнаружения дефектов применяются методы разрушающего и неразрушающего контроля.

Методы разрушающего контроля

Методы разрушающего контроля (МРК) приводят или к полному разрушению проверяемых изделий, или к значительному ухудшению их рабочих характеристик. Эти методы включают в себя испытания на растяжение, сжатие, удар, жаропрочность; испытания при термических и электрических нагрузках; определение твердости; металлографические методы контроля. Достоинства МРК: получение количественных характеристик контролируемого параметра путем прямых измерений и установление ресурса изделия до разрушения при заданных нагрузках; непосредственное определение надежности изделия, узла, детали; возможность имитации условий, близких к эксплуатационным. Недостатки МРК: контроль является выборочным, не гарантирующим эксплуатационную надежность ответственных деталей, работающих в экстремальных условиях; методы приводят к разрушению изделия или к значительному ухудшению его показателей качества; методы практически непригодны в условиях эксплуатации детали или узла; многие МРК трудоемки и требуют больших затрат времени высококвалифицированного персонала.

Методы неразрушающего контроля

К методам неразрушающего контроля (МНК) относятся методы, применение которых не нарушает пригодности продукции к ее использованию по назначению, т. е. при контроле не происходит изменений показателей качеств материалов, полуфабрикатов и готовых изделий. Принцип работы средств неразрушающего контроля (СНК) основывается на использовании различных физических явлений: образования вихревых токов в материале изделия, способности изделий к намагничиванию, смачиванию, возникновению инфракрасного излучения и т. д. Достоинства МНК: контроль изделий в процессе производства, эксплуатации или ремонта без нарушения их режима функционирования; многократный контроль одного и того же изделия практически через любой промежуток времени; автоматизация процесса контроля с наличием средств, имеющих обратную связь с технологическим процессом; постоянный надзор за работоспособностью ответственных изделий, предупреждающий разрушение; обнаружение внутренних дефектов, определение их координат, оценка размеров, а иногда — установление физической природы образования дефектов; контроль заготовок до их механической обработки или деталей до их эксплуатации для исключения дефектных деталей в конструкции; контроль (бесконтактными МНК) движущихся изделий и изделий, нагретых до высоких температур; улучшение технологии изготовления изделий за счет своевременного обнаружения неполадок в технологическом оборудовании или ошибок при разработке технологии изготовления; большая точность, достоверность полученных результатов, чувствительность и разрешающая способность.
Недостатки МНК: методы, как правило, косвенные. Наличие дефекта в материале можно обнаружить, например, по изменению плотности вихревых токов, или по нарушению однородности магнитного поля, или по изменению скорости распространения упругих волн и т. д.; методы не устанавливают воздействия различных дефектов на надежность и долговечность изделий, т. е. методы не дают ответа на вопрос о критичности, значительности или малозначительности дефекта; некоторые методы являются контактными, а это создает трудности при автоматизированном контроле; результаты контроля, осуществляемого некоторыми методами, сложны в расшифровке, например голограммы, а устройства очень дороги, например приборы акустико-эмиссионного метода. Сравнительный анализ МРК и МНК позволяет сделать вывод: универсальных методов нет, и каждое конкретное изделие контролируют тем методом, который в данном случае обеспечивает обнаружение в изделии недопустимых дефектов. В зависимости от физических явлений, положенных в основу МНК, они подразделяются на девять видов (ГОСТ 183533—79): оптический, капиллярный (проникающими веществами), магнитный, вихретоковый, акустический (ультразвуковой), тепловой, радиационный, радиоволновой, электрический. Ниже рассмотрены принцип действия и технологические возможности различных видов контроля. Оптический вид контроля применяют во всех отраслях народного хозяйства. Он имеет три направления: визуально-оптическая дефектоскопия; контроль с применением лазеров; голо-графические МНК. Под визуально-оптической дефектоскопией понимают визуальный контроль с применением оптических приборов различного назначения, например эндоскопов. Современные эндоскопы позволяют контролировать внутренние полости с диаметром 0,4 мм и более с разрешающей способностью некоторых до 1 мкм. Эндоскопы можно применять: для определения износа кулачков и шестерен, муфт и клапанов, для контроля состояния деталей двигателей (лопатки, диски, камеры сгорания, валы и др.); для наблюдения за скрытыми процессами при производстве или эксплуатации изделий; для контроля качества пайки и сварки внутренних полостей.
Отечественная промышленность выпускает эндоскопы типов РВП, ТС и ОД. Максимальная глубина наблюдения достигает 16,5 м, а разрешающая способность — 200 линий на 1 мм. При использовании лазеров в контрольно-измерительной аппаратуре в качестве источника излучения можно проводить не-разрушающий контроль геометрических размеров изделий (основанный на дифракции света), неоднородностей, внутренних напряжений прозрачных объектов, деформаций, вибраций, поверхностных механических напряжений, концентрации частиц, толщины пленок и качества обработки поверхностей изделий. Достоинствами дифракционных лазерных измерителей являются: высокая точность, достигающая десятых долей процента; бесконтактность; быстродействие; широкий диапазон измеряемых размеров; возможность автоматизации контрольных операций и активного воздействия на технологический процесс.
В устройствах контроля толщины пленок с применением лазера в качестве источника излучения используют интерференционный метод. Лазерные интерферометры широко используют для точного контроля и проверки средств измерений. Голографические МНК появились и развиваются в связи с созданием газовых лазеров, генерирующих непрерывное излучение. Голография — это способ записи полной информации об объекте (распределение интенсивности и соотношений фаз), причем запись осуществляется без применения каких-либо оптических средств, формирующих изображение предмета. Голографические МНК позволяют регистрировать линейные изменения изделий под действием механических, тепловых, электрических и других нагрузок с точностью порядка 0,3 мкм. Перспективным является голографический метод обнаружения усталости металла. Голограммы получают на специальных установках. Отечественная промышленность выпускает голографические установки типов СИН, УИГ-1М, УИГ-2М и др. Капиллярные методы контроля (ГОСТ 18353—79 (яркостный метод; цветовой метод; люминесцентный метод; метод фильтрующихся частиц) основаны на использовании проникновения смачивающей жидкости в полости поверхностного дефекта (обладающего свойством капиллярности) и предназначены для обнаружения открытых нарушений сплошности поверхностных слоев деталей, изготовленных из металлов и неметаллов. Чувствительность методов очень высокая. Они обнаруживают на поверхности изделий дефекты с раскрытием 1 мкм, глубиной 0,01 мм и протяженностью около 0,1 мм. Процесс контроля включает следующие операции: нанесение на поверхность проникающей жидкости; выдержка для проникновения жидкости в полости дефектов; удаление жидкости с поверхности изделия; нанесение на поверхность специальных проявляющих веществ, под воздействием которых проникающая жидкость выходит из полости дефекта (адсорбция или диффузия) и обнаруживается по темной окраске на светлом фоне, или по цветному рисунку, или по люминесценции на темном фоне остальной поверхности. Линии индикаторного рисунка имеют ширину от 0,05 до 0,3 мкм, а истинное раскрытие трещин в 15—20 раз меньше. Классификация капиллярных методов базируется на способах обнаружения взаимодействия проявляющей жидкости с проникающими веществами (ГОСТ 18442—80). Яркостный метод основан на изменении яркости проявляющего вещества, например осмотр изделий с помощью кероси-ново-меловой пробы. Применяют для контроля герметичности топливных систем, блоков цилиндров, резьбовых соединений и т. д. Цветовой метод базируется на формировании красных индикаторных следов на белом фоне проявляющегося вещества. Люминесцентный метод использует способность проникающей жидкости (например, керосина) светиться под действием ультрафиолетовых лучей. Суть метода фильтрующихся частиц состоит в том, что при нанесении проникающей жидкости на пористую поверхность изделия происходит быстрое поглощение ее контролируемым материалом и осаждение на краях дефектов частиц, которые находились в проникающей жидкости во взвешенном состоянии. Частицы могут быть окрашены или иметь способность светиться под действием ультрафиолетового излучения. Магнитный вид контроля (магнитопорошковый — ГОСТ 21105—87; магнитоферрозондовый — ГОСТ 21104—75; магнитографический) основан на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами деталей, изготовленных из ферромагнитных материалов. Магнитопорошковый метод контроля основан на обнаружении полей рассеяния над дефектами с помощью ферромагнитных частиц, применяемых в виде сухого порошка ("сухой" метод) или суспензии. Он предназначен, в основном, для обнаружения поверхностных нарушений сплошности материала изделия или относительно больших подповерхностных (на глубине до 2 мм) дефектов. Магнитоферрозондовый метод контроля основан на обнаружении и измерении магнитных полей рассеяния, возникающих а зоне дефекта, с помощью феррозондов — магнитодинамичес-ких магнитомеров. Существенными преимуществами этого метода перед магнитопорошковым являются бесконтактность контроля и значительно большая глубина обнаружения дефектов (до 10—15 мм). Магнитографический метод контроля основан на записи магнитных полей рассеяния на магнитную ленту с последующим воспроизведением этой записи с помощью магнитографического дефектоскопа. Назначение — контроль качества стыковых сварных швов трубопроводов, резервуаров, листовых конструкций из ферромагнитных материалов толщиной от 1 до 20 мм. По величине, длительности, форме импульсов на экране дефектоскопа судят о наличии дефекта, его местоположении и характере. Для осуществления контроля применяют дефектоскопы типов МД-9, СГК-1, МГК-1 и др. Вихретоковый вид контроля заключается в измерении степени взаимодействия электромагнитного поля специального преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этим преобразователем в контролируемом изделии. При использовании упругих колебаний ультразвукового диапазона частот (свыше 20 кГц) допустихмо применение термина "ультразвуковой" вместо "акустический". Этот вид контроля базируется на способности упругих колебаний распространяться в среде прямолинейно и отражаться от дефектов типа нарушения сплошности и от границ изделий. По изменению параметров упругих колебаний при отражении, преломлении, поглощении и рассеянии получают информацию о показателях качества изделий. На промышленных предприятиях применяют:
— ультразвуковые методы: прошедшего излучения (теневой и зеркально-теневой); отраженного излучения (эхо-импульсный); резонансный метод; акустико-эмиссионный;
— акустические методы контроля, работающие в звуковом диапазоне частот;
— импедансный и метод свободных колебаний.
Теневой метод контроля основан на возбуждении упругих колебаний в материале изделия и регистрации изменения амплитуды прошедших через материал колебаний.
Зеркально-теневой метод (разновидность теневого метода) основан на анализе изменения амплитуды сигнала, отраженного от дна изделия. Теневой и зеркально-теневой методы применяют при контроле: прямых, металлических однослойных бесшовных труб для выявления дефектов типа нарушения сплошности, расположенных на наружной и внутренней поверхностях (ГОСТ 17410—78); стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых сварных швов для обнаружения трещин, ненроваров, нор, неметаллических включений; стыковых и тавровых соединений железобетонных конструкций для выявления дефектов сварного шва без расшифровки их характера (ГОСТ 23858—79). Эхо-импульсный метод контроля предназначен для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности, определения их координат, ориентации, размеров путем прозвучивания изделий и приема отраженных от дефектов эхо-сигналов при одностороннем доступе к объекту. Отечественная промышленность выпускает различные типы ультразвуковых эхо-импульсных дефектоскопов, как переносных, например УД2-12, так и стационарных, например УД-11 У2. В соответствии с ГОСТ 23667—85 и ГОСТ 23702—85 ультразвуковые дефектоскопы и пьезоэлектрические преобразователи (ГТЭП) к ним должны проходить государственную или ведомственную проверку. Резонансный метод контроля основан на использовании совпадения частоты генератора ультразвуковых колебаний с собственной частотой изделия. Акустика-эмиссионный метод контроля относится к пассивным методам акустического контроля и применяется для осуществления постоянного надзора за работоспособностью ответственных объектов. Суть метода — обнаружение дефектов в момент их зарождения. Импедансный метод контроля основан на регистрации изменения механического импеданса бездефектного и дефектного участков изделий. Изменение механического импеданса обнаруживают по изменению амплитуды (или фазы) силы реакции конструкции на преобразователь дефектоскопа. Импедансный метод контроля обеспечен приборами типов ИАД-3 и АД-40И. Метод свободных колебаний основан на регистрации и анализе спектра свободных колебаний, возбужденных в изделии ударом. При этом обнаруживают нарушения жесткой связи в слоистых конструкциях, усталостные трещины вблизи крепежных болтов, внутренние дефекты в массивных изделиях. Для контроля применяют приборы типа АД-60С. Тепловые виды контроля (ГОСТ 25314—82) базируются на обнаружении и регистрации тепловых полей и установлении связи между тепловым полем и изменением температуры работающего изделия. Они получили наибольшее распространение в радиотехнической, электротехнической и приборостроительной отраслях промышленности. Тепловые виды контроля подразделяют на активные и пассивные.
Применение активных методов предусматривает введение в контролируемое изделие тепла извне, которое формирует стационарный или динамический нагрев изделия. Методы основаны на исследовании искажений в распределении температуры в дефектных зонах изделия и позволяют обнаруживать воздушные раковины в соединениях, выполненных точечной сваркой, глубинные трещины в металлах и диэлектриках, расслоение клеевых соединений, прижоги и т. п. Пассивные тепловые методы используют ИК-излучение, генерируемое изделиями в режиме функционирования. Эффективность контроля зависит от степени превышения температуры изделия над температурой фона. Все активные и пассивные методы подразделяются на контактные и бесконтактные. Контактные методы включают в себя: методы измерения температуры термопарами; методы, использующие термочувствительные краски и составы; люминесцентные и жидкокристаллические методы. Термопарами измеряют температуру в диапазоне от -220 до +2500вС с погрешностью порядка 10%. Тепловые методы контроля с применением термокрасок и составов (термоиндикаторы) основаны на том, что под действием температуры они изменяют свой первоначальный цвет или переходят из одного агрегатного состояния в другое (например, из твердого в жидкое). Принцип работы жидкокристаллических методов основан на резком изменении оптических свойств жидких кристаллов при изменении температуры изделия. Разрешающая способность метода по температуре порядка 0,1°С, чувствительность к обнаружению поверхностных и глубинных дефектов — около 0,02 мм, диапазоны измеряемых температур — 0—115вС.
Бесконтактные методы теплового контроля являются более распространенными, чем контактные, так как регистрация собственного ИК-излучения объекта контроля происходит без механического контакта с ним. Излучение улавливается специальными приемниками и преобразуется в показания стрелочных, записывающих или телевизионных систем. Самыми совершенными приборами теплового бесконтактного контроля являются тепловизоры (информативность которых превышает информативность ИК-радиометров и профилографов), так как они позволяют наблюдать в реальном масштабе времени распределение теплового поля по всей поверхности изделия и определить его температуру в каждой точке. Радиационный вид контроля (ГОСТ 18353—79) основан на взаимодействии проникающего излучения с контролируемым объектом. Применяют рентгеновское, гамма- и бета-излучение, а также потоки нейтронов и позитронов. Наибольшее распространение получили методы контроля, основанные на использовании рентгеновского и гамма-излучения. Применяются рентгеновские установки (портативные, переносные, передвижные и стационарные), в которых источником излучения является рентгеновская трубка. В зависимости от способа представления информации выделяют следующие методы радиационного контроля:
— радиографический, основанный на представлении информации в виде фиксированного видимого изображения;
— радиосконический — информация представляется на флюоресцирующем экране;
— радиометрический (ГОСТ 20426—82), основанный на регистрации интенсивности прошедшего через объект контроля рентгеновского или гамма-излучения. Информация представляется в цифровом или аналоговом виде, а иногда с помощью стрелочных приборов. Метод применяется ограниченно.
Предельная чувствительность радиографического метода — около 1% толщины просвечиваемого изделия. Информация записывается в виде резкого и контрастного изображения на рентгеновских пленках или специальных ксеропластинах. Область применения радиографического метода указана в ГОСТ 20426—82. Разновидностью рентгенографического метода является электрографический, предусматривающий применение специальных электропроводящих пластин, на поверхность которых нанесен полупроводниковый фоточувствительный слой. Наиболее перспективным является радиосконический метод как экономичный, высокопроизводительный и дающий возможность просвечивания и наблюдения за движущимися объектами контроля. Чувствительность метода при использовании флюоро-скопического экрана составляет от 2 до 20%. Недостаток метода — необходимость просмотра изображения в затемненном помещении.