Pękanie metali to złożony proces, na który składa się szereg czynników. Oto niektóre z głównych przyczyn:
- Czynniki związane z samym materiałem: skład chemiczny i organizacja metalograficzna bezpośrednio wpływają na odporność metalu na uderzenia, np. zwiększona zawartość węgla, fosforu, siarki i innych pierwiastków powoduje zmniejszenie odporności na uderzenia.
- Proces obróbki cieplnej: niewłaściwy proces obróbki cieplnej, taki jak hartowanie, odpuszczanie itp., może prowadzić do zmian w mikrostrukturze i właściwościach materiału, wpływając tym samym na jego wytrzymałość.
- Wady wewnętrzne: wtrącenia, segregacja, pęcherzyki, pęknięcia wewnętrzne i inne wady materiału znacznie obniżają jego wytrzymałość na uderzenia i stają się punktem koncentracji naprężeń.
- Przygotowanie próbki i warunki badania: kierunek pobierania próbki, geometria karbu i jakość obróbki, temperatura badania itp. mają wpływ na odporność na uderzenia.
Pękanie metalu jest jedną z głównych przyczyn awarii w wielu konstrukcjach, szczególnie w elementach poddawanych dużym naprężeniom lub obciążeniom. Poprzez analizę pęknięć potencjalne problemy z pękaniem można wykryć na czas, unikając w ten sposób wypadków spowodowanych awarią konstrukcji, takich jak pęknięcie, przeciek, zawalenie itp.
Analiza pęknięć pomaga zrozumieć przyczynę, szybkość rozszerzania się i pozostały czas trwania pęknięć. Podejmując odpowiednie środki naprawcze lub konserwacyjne, można spowolnić rozszerzanie się pęknięć, wydłużając w ten sposób okres eksploatacji części metalowych i zmniejszając koszty wymiany i naprawy.
Klasyfikacja i różnica pęknięć metali
Pęknięcia po obróbce cieplnej
Charakterystyka:
Morfologia: pęknięcia obróbki cieplnej często powstają w strefie przemiany martenzytycznej, więc ich pęknięcia mogą pękać wzdłuż kryształu lub pękać przez kryształ. Pęknięcia mogą być promieniowe, liniowe lub siatkowe.
Lokalizacja: Pęknięcia zwykle tworzą się na ostrych narożnikach przedmiotu obrabianego, przy nagłych zmianach przekroju poprzecznego.
Przekrój: Przekrój pęknięcia hartowniczego zazwyczaj nie jest utleniony i może być biały, matowobiały lub jasnoczerwony (rdza wodna spowodowana hartowaniem).
Powoduje:
Pęknięcia powstają wówczas, gdy duże naprężenia powstające podczas hartowania są większe od wytrzymałości samego materiału i przekraczają granicę odkształcenia plastycznego.
Może to być związane z takimi czynnikami, jak zbyt wysoka temperatura hartowania i zbyt szybkie chłodzenie.
Przyczyny pęknięć podczas obróbki cieplnej
a. Jakość metalurgiczna materiału:
Problemy metalurgiczne, takie jak skurcz i poważne wady walcowania, mogą powodować niejednorodności materiału, co zwiększa ryzyko pęknięć hartowniczych.
b. Zawartość węgla w materiale i pierwiastki stopowe: wzrost zawartości węgla zmniejsza wytrzymałość na pękanie martenzytu, zwiększając tym samym tendencję do pękania podczas hartowania.
c. Warunki procesu hartowania:
Niewłaściwa metoda nagrzewania hartowniczego oraz nieprawidłowa kontrola prędkości nagrzewania, nierównomierne nagrzewanie, zbyt wysoka temperatura hartowania mogą prowadzić do pęknięć hartowniczych.
d. Rozmiar i kształt przedmiotu obrabianego:
Pęknięcia hartownicze łatwo tworzą się na ostrych rogach przedmiotu obrabianego i nagłych zmianach przekroju poprzecznego, ponieważ miejsca te są podatne na koncentrację naprężeń. Duże części wału w hartowaniu, jeśli nie są hartowane, są podatne na pęknięcia wywołane naprężeniami cieplnymi.
e. Wady wewnętrzne:
Wady występujące w materiale, takie jak pęcherzyki pary, wtrącenia, mikropęknięcia, białe plamy itp. mogą stać się przyczyną pęknięć pod wpływem naprężeń związanych z obróbką cieplną i stopniowo się rozszerzać.
f. Kruchość wewnętrzna martenzytu:
Wrodzona kruchość martenzytu jest wewnętrzną przyczyną pęknięć hartowniczych, a jego struktura krystaliczna, skład chemiczny, wady metalurgiczne itp. mają na nią wpływ.
Kucie pęknięć
Charakterystyka:
Morfologia: pęknięcia kuźnicze powstają w wysokich temperaturach, pęknięcia są stosunkowo grube i na ogół występują w formie wielu pasków, bez cienkiego czubka, bez cienkiego kierunku. Czasami wokół pęknięcia nie jest całkowicie odwęglone, ale częściowo odwęglone.
Lokalizacja: Często powstają w organizacji grubej, koncentracji naprężeń lub elementach stopowych podczas segregacji.
Przekrój: przekrój pęknięcia może mieć ciemnobrązowy kolor, a nawet może pojawiać się na nim warstwa tlenu. Dzieje się tak, ponieważ pęknięcie w odkuwce ulega odkształceniu i rozszerzaniu oraz kontaktowi z powietrzem.
Przyczyny: a, wady surowca: skurcz resztkowy: surowiec w przypadku niepełnego zamknięcia porów lub otworów, może prowadzić do zmniejszenia wytrzymałości materiału w procesie kucia, łatwe powstawanie pęknięć.
b, wtrącenia stalowe: wtrącenia niemetaliczne w surowcu, segregacja węglików, niejednorodne wtrącenia metalowe itp. mogą osłabiać ciągłość materiału, sprzyjając tworzeniu się pęknięć.
Nieprawidłowy proces kucia:
c, niewłaściwe nagrzewanie: temperatura nagrzewania jest zbyt wysoka lub zbyt niska, co może prowadzić do nierównomiernego rozłożenia naprężeń w materiale, co z kolei powoduje pęknięcia podczas kucia.
d, nieprawidłowa deformacja: szybkość deformacji jest zbyt duża, plastyczność stali nie jest wystarczająca, aby wytrzymać kształt nacisku, łatwo spowodować pęknięcie. Pęknięcie to często występuje na początku etapu kucia i szybkiego rozszerzania.
e, niewłaściwe chłodzenie po kuciu: zbyt szybkie lub zbyt wolne tempo chłodzenia może prowadzić do koncentracji naprężeń wewnętrznych w materiale, wywołując pęknięcia.
f, nieodpowiednia obróbka cieplna: po kuciu nie zostanie przeprowadzona odpowiednia obróbka cieplna, co może skutkować tym, że wewnętrzne naprężenia materiału nie zostaną skutecznie uwolnione, co zwiększa ryzyko pęknięć.
g, niewłaściwa kontrola temperatury:
W procesie nagrzewania i chłodzenia, jeśli temperatura nie jest odpowiednio kontrolowana, może to prowadzić do nadmiernych naprężeń wewnętrznych w materiale, co powoduje pękanie. Na przykład w procesie hartowania, jeśli chłodzenie jest zbyt szybkie, mogą wystąpić pęknięcia hartownicze.
h. Koncentracja naprężeń w materiale:
Jeśli w odkuwce występują obszary koncentracji naprężeń, takie jak ostre narożniki lub zmiany przekroju poprzecznego, to gdy naprężenia przekroczą wytrzymałość materiału, może to doprowadzić do pęknięcia.
