Контроль качества отливок по структуре излома: практические методики

Оценка состояния металла по поверхности разрушения дает достоверное представление о наличии внутренних дефектов, не выявляемых обычным внешним осмотром. Для выполнения анализа используют стандартные заготовки, подвергаемые статическому разрушению.

Площадь излома должна быть не менее 100 мм². Для работы подходят сплавы на основе меди, стали, алюминия, цинка и других материалов литейного назначения.

Отливки маркируются до испытаний. Ударные и статические нагрузки прикладывают по направлению, перпендикулярному плоскости предполагаемой оценки. Наиболее часто используют тиски с твердыми губками или механические прессы с плавным увеличением усилия.

Образец не должен иметь заусенцев или острых кромок. При разрушении образца важно зафиксировать характер скола, его блеск, зернистость, расположение ступенчатых зон.

Тип разрушения делят на вязкий, хрупкий или смешанный. Вязкое разрушение сопровождается значительным пластическим деформированием, при этом поверхность излома матовая, волокнистая.

Хрупкий характер проявляется в виде кристаллической поверхности, блестящих граней, низкой шероховатости. Для стального литья допускается наличие отдельных хрупких участков, но общая картина должна соответствовать заданному классу прочности.

На практике применяют метод оценки фрактографии при помощи увеличительных стекол или микроскопов с кратностью не менее 10x. Форма и размеры зерна, наличие включений, ориентация кристаллитов служат признаками недопустимых нарушений. Для чугунного литья выявление вермикулярного графита в сером чугуне, либо шаровидного в модифицированном виде, напрямую связано с технологией обработки металла и может указывать на нарушения при вводе модификаторов.

При исследовании отливок из алюминиевых сплавов особое внимание уделяется выявлению пор, раковин, участков усадочной рыхлости. Эти дефекты проявляются в виде каверн различной формы и глубины.

Если поверхность скола рыхлая, неоднородная, с многочисленными углублениями, такая заготовка бракуется. Усадочные дефекты чаще всего располагаются в центральных частях крупных отливок.

Допустимые нормы дефектов определяются в соответствии с ГОСТ 1583-2013 и ГОСТ 19051-2005. Согласно нормативу, отливки III класса не должны иметь внутренних рыхлостей площадью более 2 % от общей площади скола.

Для изделий ответственного назначения применяется дополнительное исследование с флуоресцентным проникновением и шлифовкой контрольного участка.

Разрушение в направлении литейной усадки указывает на нарушение технологии охлаждения. Часто такое проявляется при литье в песчаные формы без применения питателей. При осмотре сколов обращают внимание на наличие зон контрастной структуры. Зерна могут располагаться радиально или касательно, что указывает на разницу в скорости затвердевания.

Для анализа соединительных элементов из бронз и латуней учитывается форма зерна и наличие межкристаллитной коррозии. Поверхность в таких случаях становится слоистой, с сероватым налетом и расслоением вдоль границ зерен. Это является признаком снижения эксплуатационной надежности. В случае с цинковыми сплавами сколы часто имеют пористую структуру, с желтоватыми вкраплениями, что свидетельствует о загрязнении шихты или нарушении температурного режима.

При разрушении излома вдоль линии сварного соединения, если используется последующая механообработка, оценивается форма кристаллической решетки по краям зоны сплава. Неоднородность этой зоны, наличие темных пятен и протяженных полос указывает на неполное сплавление.

Для литья, подвергаемого термической обработке, характерна зона рекристаллизации, которая визуально отличается повышенной гладкостью и мелкозернистой структурой.

Отдельные отклонения связаны с типом используемой формы. При кокильном литье излом часто имеет ровную, без явных переходов, структуру. В случае использования оболочковых форм возможны включения песка, следы обгорания смолы и черные пятна.

Такие элементы допускаются не более чем на 0,5 % площади поверхности и не должны иметь глубину более 0,3 мм, что фиксируется при помощи микрометров или глубиномеров.

При литье в гипсовые формы выявляются мелкие поры, расположенные по границе затвердевания. Это следствие недостаточной прокалки формы или низкой температуры заливки. При необходимости производится замер температуры скола с использованием инфракрасных пирометров сразу после разрушения, что позволяет оценить степень перегрева при кристаллизации.

Для изделий из высокоуглеродистых сталей, склонных к отпускной хрупкости, наблюдается ярко выраженная кристаллическая структура с фацетированными гранями. Допустимое содержание включений алюминия не должно превышать 0,03 %, что устанавливается при помощи спектрального анализа, но также может быть ориентировочно выявлено по форме и блеску скола.

Наличие линии разъема в отливках из термореактивных смол может проявляться в виде границы раздела, проходящей через весь объем изделия. В таких случаях скол имеет резкий переход от светлой к темной структуре, что свидетельствует о расслаивании при запекании. При отливке мелких элементов длиной до 150 мм структура скола должна быть однородной, без резких изменений плотности по всей длине.

Существует эмпирическое правило: при диаметре зерен более 1,2 мм в стали марок 20Х, 40ХН и 15Г структура считается неравномерной. Это приводит к локальным напряжениям при эксплуатации. Визуально такое зерно легко различимо при увеличении 10x и проявляется в виде отдельных блестящих полей, ограниченных темными границами.

Для оценки прочности материала иногда применяется расчет удельной энергии разрушения по формуле A = W / S, где W — работа разрушения, а S — площадь скола. Этот параметр позволяет определить равномерность затвердевания и степень насыщения газами. Если значение A меньше 12 Дж/см² для стали, это указывает на наличие дефектов.

Сравнение отливок из разных плавок должно проводиться в одинаковых условиях. Угол разрушения, плотность разрушенной зоны, распределение остаточных напряжений можно частично определить по поведению скола. Угол разлома при испытании не должен превышать 30 градусов по отношению к оси приложения усилия. Увеличение угла может говорить о наличии внутренних трещин.

Контроль качества по структуре разрушения не заменяет другие методы анализа, но позволяет с высокой точностью выявить скрытые дефекты, особенно в изделиях, эксплуатирующихся при переменных нагрузках. В случае литья деталей для монтажа электрических шин, коробов и корпусных узлов, где критична прочность, методика сколов дает точные результаты при минимальных затратах.