Понимание механизмов разрушения металлов критически важно для специалистов по неразрушающему контролю (НК). Данное техническое руководство охватывает шесть основных типов разрушения с указанием стратегий предотвращения для промышленных применений.
Разрушение от коррозионного растрескивания под напряжением
Характеристики
Разрушение от коррозионного растрескивания под напряжением - это разрушение, которое происходит под совместным воздействием растягивающего напряжения и специфической коррозионной среды. Процесс разрушения обычно не имеет очевидных предупреждающих знаков и является внезапным. Поверхность разрушения, как правило, демонстрирует хрупкие характеристики разрушения, но иногда может сопровождаться небольшой пластической деформацией.
В коррозионной среде на поверхности металла образуется пленка продуктов коррозии. Когда металл подвергается растягивающему напряжению, пленка продуктов коррозии разрушается, обнажая свежую поверхность металла. Свежая поверхность металла быстро корродирует, образуя новую пленку продуктов коррозии. Этот цикл повторяется, вызывая непрерывное распространение трещин внутри металла, что в конечном итоге приводит к разрушению.
Влияющие факторы
Напряженное состояние, коррозионная среда и чувствительность материала являются основными факторами, влияющими на разрушение от коррозионного растрескивания под напряжением. Растягивающее напряжение является необходимым условием для инициирования разрушения от коррозионного растрескивания под напряжением; различные коррозионные среды оказывают различное коррозионное воздействие на различные металлические материалы; определенные металлические материалы обладают высокой чувствительностью к специфическим коррозионным средам.
Меры профилактики
Правильный выбор материалов, выбор материалов, нечувствительных к коррозионному растрескиванию под напряжением;
снижение уровней напряжения в компонентах, использование отжига и других процессов для устранения остаточных напряжений;
улучшение условий окружающей среды, таких как снижение концентрации коррозионной среды и контроль температуры;
использование мер защиты поверхности, таких как покрытия и гальваническое покрытие.
Предлагаемый метод НК
Капиллярный контроль, ультразвуковая дефектоскопия
Ползучесть разрушения
Характеристики
Разрушение от ползучести - это медленная пластическая деформация и разрушение, которые происходят со временем при высокой температуре и постоянном напряжении. Процесс ползучести обычно состоит из трех стадий: начальная стадия ползучести, стадия установившейся ползучести и стадия ускоренной ползучести. Поверхность разрушения от ползучести, как правило, шероховатая с явным цветом окисления.
В высокотемпературных условиях активность атомов внутри металла увеличивается, и дислокации легко поднимаются и скользят. Под постоянным напряжением дислокации непрерывно перемещаются, вызывая медленную пластическую деформацию металла. Со временем деформация накапливается, и при достижении определенного уровня она вызывает образование и распространение трещин, что в конечном итоге приводит к разрушению.
Влияющие факторы
Температура, напряжение и время являются основными факторами, влияющими на разрушение от ползучести. Более высокие температуры увеличивают скорость ползучести металла; большие напряжения приводят к более очевидной деформации ползучести; более длительное время увеличивает вероятность разрушения от ползучести. Кроме того, химический состав материала и микроструктура также влияют на свойства ползучести.
Меры профилактики
Выбор жаропрочных и устойчивых к ползучести материалов;
рациональный контроль рабочей температуры и уровней напряжения, избегая длительных высокотемпературных и высоконагруженных состояний;
оптимизация микроструктуры материала для повышения сопротивления ползучести.
Предлагаемый метод НК
Ультразвуковое измерение толщины, металлографический анализ
Усталостное разрушение
Характеристики
Усталостное разрушение - это разрушение, которое происходит после определенного количества циклов при переменном напряжении. Процесс разрушения обычно состоит из трех стадий: зарождение трещины, распространение трещины и окончательное разрушение. Поверхность усталостного разрушения, как правило, состоит из гладких и шероховатых зон, где гладкая зона является областью медленного распространения трещины, а шероховатая зона - областью окончательного быстрого разрушения.
При переменном напряжении некоторые слабые участки на поверхности металла, такие как границы зерен и края включений, образуют крошечные трещины - зарождение трещины. По мере увеличения количества циклов трещины непрерывно расширяются под напряжением, образуя макроскопические трещины. Когда трещины распространяются до определенной степени, оставшееся поперечное сечение не выдерживает внешней силы, что приводит к окончательному разрушению.
Влияющие факторы
Амплитуда напряжения, среднее напряжение, количество циклов и предел усталости материала являются основными факторами, влияющими на усталостное разрушение. Более высокая амплитуда напряжения и среднее напряжение ускоряют распространение трещин и сокращают срок службы; большее количество циклов увеличивает вероятность усталостного разрушения; более высокий предел усталости материала указывает на более высокую устойчивость к усталостному разрушению.
Меры профилактики
Рациональная конструкция конструкций компонентов для снижения концентрации напряжений; выбор материалов с высоким пределом усталости;
выполнение упрочняющей обработки поверхности, такой как дробеструйная обработка и прокатка, для повышения усталостной прочности поверхности;
контроль величины нагрузки и количества циклов, чтобы избежать превышения пределов усталости материала.
Предлагаемый метод НК
Вихретоковый контроль, магнитопорошковая дефектоскопия
Хрупкое разрушение
Характеристики
Хрупкое разрушение - это режим разрушения, при котором металл практически не подвергается очевидной пластической деформации до разрушения. Процесс разрушения происходит внезапно, с плоской и гладкой поверхностью разрушения, часто показывающей кристаллические или елочные узоры с металлическим блеском.
Хрупкое разрушение в основном вызвано наличием трещин или дефектов внутри металла. Под действием внешней силы концентрация напряжений возникает на кончиках трещин. Когда концентрация напряжений достигает предела прочности материала, трещины быстро распространяются, что приводит к разрушению металла. Этот режим разрушения обычно связан с кристаллической структурой материала, содержанием примесей и напряженным состоянием.
Влияющие факторы
Хрупкость материала зависит от различных факторов. Более высокое содержание углерода и примесей снижает прочность металла и увеличивает хрупкость; низкотемпературные среды изменяют кристаллическую структуру металла, снижая прочность; трехосные состояния растяжения также способствуют хрупкому разрушению.
Меры профилактики
Строгий контроль химического состава материала и снижение содержания примесей;
выполнение соответствующей термической обработки для улучшения микроструктуры и повышения прочности;
рациональная конструкция конструкций компонентов для избежания трехосных состояний растяжения;
реализация мер предварительного нагрева при использовании в низкотемпературных средах.
Предлагаемый метод НК
Акустико-эмиссионный контроль, фазированный ультразвук
Пластическое разрушение
Характеристики
Пластическое разрушение - это режим разрушения, при котором металл подвергается очевидной пластической деформации до разрушения. Во время процесса разрушения металлический материал сначала испытывает явление утонения, когда местное поперечное сечение значительно уменьшается, а затем происходит разрушение в месте утонения. Поверхность разрушения обычно выглядит волокнистой или чашеобразной, с тусклым цветом и отсутствием явного блеска.
Пластическое разрушение в основном вызвано движением и размножением дислокаций внутри металла. Когда металл подвергается внешней силе, дислокации скользят по плоскостям скольжения, вызывая пластическую деформацию кристаллов. По мере продолжения деформации дислокации запутываются и накапливаются, образуя дислокационные стенки и границы субзерен. Когда локальная концентрация напряжений достигает определенного уровня, это вызывает образование и рост микропор. Взаимосвязь микропор в конечном итоге приводит к разрушению металла.
Влияющие факторы
Химический состав, микроструктура и температура материалов оказывают существенное влияние на пластическое разрушение. Например, сталь, содержащая соответствующие легирующие элементы, обычно обладает лучшей прочностью;
мелкозернистая структура может улучшить прочность металла;
в то время как в низкотемпературных средах прочность металла значительно снижается, что делает пластическое разрушение более вероятным.
Меры профилактики
Правильный выбор материалов для обеспечения хорошей прочности;
оптимизация микроструктуры материала и измельчение зерен с помощью процессов термической обработки;
избегать использования низкотемпературных чувствительных металлических материалов в низкотемпературных средах.
Предлагаемый метод НК
Анализ термической десорбции, ультразвуковой контроль
Сводная таблица типов разрушения металлов
| Тип разрушения |
Характеристики |
Механизм образования |
Методы профилактики |
Методы НК |
| Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) |
Хрупкий вид, специфичный для окружающей среды, непредсказуемый |
Разрыв пленки коррозии → локальное воздействие → распространение трещин |
Выбор материала, снятие напряжения, контроль окружающей среды |
Капиллярный контроль, ультразвуковая дефектоскопия |
| Ползучесть разрушения |
Шероховатая окисленная поверхность, деформация, зависящая от времени |
Подъем дислокаций → скольжение по границам зерен → образование пустот |
Жаропрочные сплавы, снижение напряжения, оценка срока службы |
Ультразвуковое измерение толщины, металлографический анализ |
| Усталостное разрушение |
Гладкие + шероховатые зоны, пляжные знаки, прогрессирующий отказ |
Зарождение трещины → стабильный рост → быстрое разрушение |
Поверхностное упрочнение, снижение напряжения, выбор материала |
Вихретоковый контроль, магнитопорошковая дефектоскопия |
| Хрупкое разрушение |
Плоская, кристаллическая поверхность, минимальная пластическая деформация, внезапный отказ |
Распространение трещин от концентрации напряжений в дефектах |
Снижение примесей, предварительный нагрев, оптимизация напряженного состояния |
Акустико-эмиссионный контроль, фазированный ультразвук |
| Пластическое разрушение |
Волокнистая/чашеобразная поверхность, видимое утонение, темный вид |
Движение дислокаций → зарождение пустот → коалесценция → отказ |
Измельчение зерен, оптимизация сплава, контроль температуры |
Ультразвуковой контроль, радиографический контроль |
Справка:
Чжоу, Хунъюй и Ли, Цзянь и Лю, Цзе и Юй, Пейчэнь и Лю, Синьян и Фан, Чжиян и Ху, Аньцин и Хэ, Иньшэн. (2024). Значительное снижение срока службы при ползучести колена паровой трубы P91, вызванное аномальной микроструктурой после кратковременной эксплуатации. Scientific Reports. 14. 10.1038/s41598-024-55557-w.
https://nte.mines-albi.fr/SciMat/en/co/SM6uc1-4.html
https://www.nde-ed.org/Physics/Materials/Mechanical/NotchToughness.xhtml
https://eengineerkey.com/creep-and-creep-fracture
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!