12.1. Трещины Виды трещин

Трещины - это узкие несплошности в металле, произвольно ориентированные по отношению к поверхности разрушения (термические трещины) или вытянутые вдоль направления деформации (деформационные трещины) (рис. 12.1-12.4).

Трещины могут быть поверхностные и внутренние, горячие и холодные. Трещины классифицируют по месту расположения (продольные, поперечные, паукообразные и др.). Дефекты встречаются как в литом, так и в катаном металле.

Термические трещины  это разрывы в металле, вызываемые структурными и термическими напряжениями. Они характеризуются светлой кристаллической поверхностью, если образуются при невысоких или комнатных температурах, или окисленной поверхностью, если образуются при высоких температурах и к их поверхности имеется доступ воздуха. В основном трещины распространяются от поверхности во внутренние части металла. На микрошлифах дефект имеет вид ломаных извилистых волосовидных линий, которые проходят по телу или границам зерен в зависимости от структурного состояния или температуры разрушения металла.

Деформационные трещины  это разрывы в металле, возникающие при неблагоприятных условиях деформации. Они распространяются вдоль направления деформации. В поперечных изломах трещины могут быть крестообразной или паукообразной формы, в продольных изломах имеют вид слоистых или ступенчатых полос.

Горячие (кристаллизационные) трещины усадочного происхождения, образующиеся в период кристаллизации слитка, в основном распространяются по границам зерен дендритов.

Холодные трещины, образующиеся вследствие внутренних напряжений, могут распространяются по телу и границам зерен.

Наружные трещины выявляются визуально или люминесцентными методами, внутренние – в основном методами акустического (ультразвукового) контроля.

Условия и причины образования

Термические трещины образуются при неодновременном протекании фазовых превращений в поверхностных и центральных слоях изделия и большого градиента температур по сечению изделия при термической обработке, вызывающих повышенный уровень структурных и термических напряжений.

Деформационные трещины образуются:

-при повышенных степенях обжатия;

-при отклонении температур деформации от оптимальных;

-при наличии внутренних концентраторов напряжений в виде шлаковых включений, рыхлот, плен, оксидов и т.д.

Образованию деформационных трещин способствует пониженная пластичность металла. По условиям образования различают горячие и холодные трещины.

Рис. 12.1. Горячие трещины в отливках (сталь): а – внутренняя, осевая; б, в – поверхностные; г – поверхностные паукообразные (звездообразные).

Рис. 12.2. Внутренние горячие трещины в деформированном металле: а – сечение поковки, алюминиевый сплав; б – сечение кованого прутка, сталь.

.

Рис. 12.3. Холодные трещины: а – в отливке (сталь), излом; б – в прокате (алюминиевый сплав) – поперек направления деформации, излом; в – в прокате (алюминиевый сплав) – вдоль направления деформации, излом  5; г – закалочная трещина в прокате (сталь), макроструктура.

Рис. 12.4. Холодные трещины; микроструктура катаной стали: а –  100; б –  400.

Горячие трещины

Горячие трещины по расположению в металле могут быть продольными и поперечными. Продольные трещины начинаются от головной или донной части слитка и распространяются на поверхности слитка параллельно его оси. Поперечные трещины распространяются поперек оси слитка.

Горячие трещины часто имеют клиновидно-извилистую форму (более широкую у поверхности и сужающуюся по глубине слитка, с окисленной поверхностью). Ширина раскрытия трещин у поверхности может достигать нескольких миллиметров, глубина – нескольких десятков миллиметров.

Поперечные трещины чаще всего располагаются в подприбыльной или донной частях слитка. Продольные трещины располагаются произвольно по высоте слитка, иногда могут быть прерывистыми. Продольные трещины обычно выявляются на поверхности слитка лишь после обдирки поверхности.

Поверхность излома горячих трещин сильно окислена и имеет, как правило, дендритное строение. На поперечных макрошлифах трещины имеют прерывистый ступенчатый вид и располагаются в междендритных участках. Они состоят обычно из нескольких прерывистых, ступенчато расположенных разрывов по высоте слитка, разделенных металлическими перемычками. При травлении на концах ступенек и по траектории трещин наблюдается ликвация легкоплавких компонентов. В сталях вокруг трещин наблюдается узкая обезуглероженная зона, обогащенная легкоплавкими компонентами.

К образованию горячих (кристаллизационных) трещин приводят растягивающие напряжения, возникающие вследствие перепада температур между наружными и внутренними слоями металла при охлаждении расплава. При этом большое значение имеют физико-химические и теплофизические свойства металла.

Возникновению горячих трещин способствуют:

- повышенная газонасыщенность и загрязненность металла неметаллическими включениями;

- повышенная скорость разливки металла (увеличивается возможность образования тонкой и неравномерной по толщине корки слитка);

- пониженная теплопроводность металла (чем ниже теплопроводность, тем больше возрастают перепады температур и разница в напряжениях между наружным и внутренним слоями слитка);

- склонность к большой линейной усадке (чем она больше, тем более высокие напряжения возникают в наружных слоях слитка);

- небольшая толщина или разнотолщинность подкоркового слоя, образующегося на поверхности слитка (чем меньше толщина и больше разнотолщинность, тем меньше прочность наружных слоев слитка);

-для сталей  повышенные содержания серы и фосфора (свыше 0,035 %), увеличивающих ликвацию при кристаллизации.

Для предупреждения образования горячих трещин необходимы:

- соблюдение температурно-временных параметров заливки изложницы или формы;

- соблюдение технологии выплавки и разливки металла, в том числе:

- снижение загрязненности металла неметаллическими и интерметаллидными включениями;

- повышение температуры расплава;

- снижение скорости разливки металла;

- разливка металла под слоем жидкого шлака (для сталей); - подогрев холодных изложниц; - эффективная работа прибылей.

Холодные трещины

Холодные трещины (ХТ) – разрывы в металле, идущие, как правило, от головной или донной частей слитка внутрь металла, часто перпендикулярно к поверхности с незначительным разветвлением. Поверхности трещин не окислены, гладкие, блестящие. Дефект достаточно хорошо выявляется на макрошлифах и изломах. Образованию ХТ способствует неравномерное охлаждение слитка, приводящее к росту внутренних напряжений и к разрушению металла в твердом состоянии.

Холодные (деформационные) трещины образуются вследствие:

- повышенных степенях обжатия при прокатке;

- отклонении температур деформации от оптимальных, заданных НТД;

- наличии внутренних концентраторов напряжений в виде неметаллических включений, рыхлот, плен, оксидов и т.д.;

- неравномерного прогрева заготовки из-за высокой скорости нагрева, вызывающей внутренние напряжения между горячими и холодными зонами металла;

- неполного прогрева заготовки по сечению, вызывающий в процессе деформации возникновение «холодных» участков металла во внутренних зонах, имеющих пониженную пластичность;

- концентрации напряжений на границах раздела между зонами с крупно- и мелкокристаллической структурой.

Образованию холодных (деформационных) трещин способствует пониженная пластичность металла при температурах деформации.

Для недопущения образования холодных трещин необходимы:

- повышение пластичности металла путем повышения чистоты литого металла;

- повышение структурной однородности металла;

- снижение уровня остаточных напряжений;

- проведение гомогенизирующего отжига;

- выбор оптимальных температурно-временных параметров деформации.

В готовой металлопродукции дефект не исправляется.

Закрытые холодные трещины в промежуточных заготовках, обнаруженные неразрушающими методами контроля, могут быть частично или полностью заварены в процессе дальнейшей деформации при оптимальных термодеформационных режимах. Закрытые горячие трещины не устраняются.

Открытые неглубокие трещины устраняются шлифовкой, строжкой или огневой зачисткой и, при необходимости, завариваются.

Дефект резко снижает все механические свойства в направлении, перпендикулярном плоскости трещины. В отдельных случаях он вызывает полное разрушение детали или заготовки.