Работаем по всей России

Экспертная работа лаборатории

news

Контроль качества сварных конструкций, агрегатов и узлов в условиях современного развития машиностроения и добывающей промышленности был и остается в высоком приоритете на всех этапах производства работ. Это позволяет свести к минимуму вероятность поломок и, как следствие, снижение риска техногенных аварий различного вида и опасности.

Однако, часто возникают случаи, когда происходит разрушение ответственных узлов и первоочередным ставиться вопрос о нахождении причины их выхода из строя.

С подобным вопросом обратились в нашу лабораторию, а именно:

Выяснить причину разрушения в месте сварного соединения штуцера с днищем воздушного резервуара автотормозов. 

Экспертам лаборатории были представлены фрагменты двух дефектных узлов, вырезанных газо-пламенной резкой (рисунок 1). Визуально было определено следующее:

- на обоих представленных образцах имеются крупные трещины в околошовной зоне сварного соединения, располагающиеся на днище. Трещины ориентированы параллельно оси сварного шва (концентрично отверстию штуцера) по границе сплавления.


1.png

2.png

а)

3.png

4.png

б)

Рисунок 1 – Места образования трещин на образцах сварного соединения днища со штуцером; (для наглядности трещины обозначены стрелками): а – фрагмент образца № 1; б – фрагмент образца № 2.


После оценки образцов и режимов их эксплуатации был составлен план комплексной экспертизы, с целью выяснения причин разрушения представленного ответственного узла, включавший следующие исследования:


  • фактографическое исследование поверхностей изломов;

  • макроструктурное исследование зоны сварного соединения;

  • микроструктурное исследование зоны сварного соединения;

  • измерение твердости материалов штуцера и днища резервуара в зоне сварного соединения;

  • определение химического состава материалов свариваемых деталей;

  • механические испытания на статическое растяжение материала Днища резервуара.


Фактографические исследования

Трещины на обоих образцах были раскрыты на этапе абразивной резки с целью изучения поверхности излома. Полученные поверхности изломов были подготовлены для изучения при помощи химической очистки от следов коррозии, возникшей после разрушения. Сразу после очистки производилось фотографирование изломов (рисунок 2).


5.png

6.png

а)

7.png

8.png

б)

Рисунок 2 – Вид поверхности изломов сварного соединения днище-штуцер.


Поверхности изломов фрагментов сварного соединения имеют хрупкий характер. На изломах наблюдаются бороздки по фронту распространения трещины, характерные для усталостного излома, то есть от действия циклических знакопеременных нагрузок. Также наблюдаются дефекты и бороздки распространения трещин от прижогов «Случайной дуги». Изломы плотные, дефектов металлургического происхождения не имеют. 


Макроструктурное исследование

Для исследования макроструктуры были подготовлены шлифы участков сварного соединения методом шлифования и химического травления.


9.png

Рисунок 3 – Макроструктура сварного соединения образца №1, 10х.

10.png

Рисунок 4 – Макроструктура сварного соединения образца №2 10х.


На макроструктурах видны небольшие подрезы со стороны днища воздушного резервуара (1), непровары (2) и крупнозернистое строение ЗТВ. Рыхлостей, пор, неметаллических включений в основном металле и сварной ванне не наблюдается. 


Микроструктурное исследование

Для исследования микроструктуры были приготовлены металлографические шлифы методом шлифования, полирования и химического травления.

На рисунке 5 представлена микроструктура зоны сплавления днища воздушного резервуара и металла сварного шва в зоне образования трещины на образце №1. Структура металла днища в зоне сварного соединения представляет собой видманштетт (кристаллы феррита имеют пластинчатую форму в результате фазовой перекристаллизации с высокой скоростью из больших зерен аустенита), что является признаком перегрева и представляет собой дефектную структуру стали. Стали с такой структурой обладают повышенной хрупкостью и низкой ударной вязкостью. Перегрев является неисправимым дефектом.


11.png

Рисунок 5 – Микроструктура зоны сплавления Днища и металла сварного шва в зоне образования трещины на образце №1: 300х.


На шлифе образца №2 в микроструктуре наблюдается аналогичная ситуация (рисунок 6).

12.png

Рисунок 6 – Микроструктура зоны сплавления Днища и металла сварного шва в зоне образования трещины на образце №2: 300х.


В микроструктуре обоих фрагментов в зоне сплавления штуцера и металла шва подобных дефектов не наблюдается (рисунок 7 а, б). Это связано с большей толщиной материала детали и, как следствие, с ее большей теплоемкостью, что препятствует перегреву материала бобышки в данном тепловом режиме сварки. Основной металл представлен структурой феррит+перлит, переходная зона так же феррит+перлит с более укрупненными зернами, что нормально для сварных конструкций.


13.png

а)

14.png

б)

Рисунок 7 – Микроструктура зоны сплавления штуцера и металла сварного шва на образцах: а – №1, 300х; б – №2, 300х.


Определение химического состава

Для определения химического состава из обоих представленных фрагментов днища были вырезаны образцы для оптико-эмиссионной спектрометрии. Результаты спектрометрии представлены в таблице 1.


Таблица 1 - Химический состав материала изделия «Днище»

     Массовое содержание химических элементов*, %                  
 № Образца  C  Si  Mn  P  S  Cr  Mo  Ni  Al
 1  0,159  0,164  0,533  0,0126  <0,01  0,0395  <0,005  0,0211  0,0376

2

 0,136  0,160  0,543  0,0134  <0,01  0,0231  <0,005  0,0084  0,0354
     Массовое содержание химических элементов*, %                  
   Co  Cu  Nb  Ti  V  W  Sn    
 1  0,0031  0,008  0,0033  0,0034  0,0022  0,0236  0,0021    
 2  0,0015  0,009  0,0045  0,0060  0,0028  <0,0150  0,0031    

Химический состав материала штуцера и материала сварного шва получили рентгенофлуоресцентным анализом. Результаты представлены в таблице 2.


Таблица 2 - Химический состав штуцера и присадочного материала сварного шва.

     Массовое содержание химических элементов*, %                
 Образец  C  Si  Mn  P  S  Cr  Cu  Ni
 Штуцер  нал.  0,285  0,564  нал.  нал.  0,151  0,125  0,172
 Сварной шов  нал.  0,85  1,42  нал.  нал.      -      -      -


По результатам химического анализа марки материалов будут следующие:

  • Материал днища соответствует стали Ст3сп;

  • Материал штуцера соответствует Стали 20;

  • Присадочный материал сварного шва соответствует сварочной проволоке Св-08Г2С.


Измерение твердости

Измерение твердости проводилось по методу Роквелла, индентор – стальной шарик (HRB). Твердость измерялась на основном металле штуцера, материале днища и сварного шва. Так же измерялась твердость переходной (рисунок 8) зоны вблизи излома образца№1 (Таблица 3).

Измерение проводилось выборкой из 5 измерений.

Средняя твердость металла штуцера: 79±2 НRВ. (147±6 HB).

Средняя твердость днища твердость: 80±1 НRВ. (150±3 HB).


Таблица 3 - Значение твердости Днища 0364 от излома к основному металлу 

 Расстояние от излома, мм     Номер измерения; значение твердости, НRВ(HB)          Среднее значение, НRВ(HB)
   1  2  3  
 2  80 (150)  83 (159) 83 (159)   82 (156)
 4  79 (147)  80 (150)  80 (150)  79,7 (149)
 6  82 (156)  83 (159)  82 (156)  82,3 (157)
 8  80 (150)  81 (153)  82 (156)  81 (153)
 10  79 (147)  80 (150)  80 (150)  79,7 (149)



15.png

Рисунок 8 – Общий вид измерений твердости.


Механические испытания

Механические испытания проводились согласно ГОСТ 16523-97, ГОСТ 1497-84. Из фрагментов днищ были вырезаны образцы для механических испытаний на статическое растяжение: по 1 из каждого днища из мест без термического влияния от сварного соединения и газо-пламенной резки. Результаты испытаний представлены в таблице 4.


Таблица 4 - Результаты испытаний на статическое растяжение.

 Номер образца     Предел упругости, МПа      Условный предел текучести, МПа      Предел прочности, МПа      Относительное удлинение, %
     №1      237,9      321,3      445,3      32,3
     №2      222,6      272,3      403,8      31,2

Результаты испытаний соответствуют требованиям ГОСТ 16523-97 для марки стали Ст3сп.

На основании результатов комплекса проведенных исследований эксперты ООО «ТПС» пришли к логичному выводу:

Причиной разрушения сварного соединения штуцера с днищем явился неправильно выбранный режим сварочного процесса, что повлекло за собой образование дефектной структуры видманштетта в переходной зоне сварного соединения. Стали с подобной структурой обладают высокой хрупкостью и низкой ударной вязкостью, эксплуатация сталей с такой структурой недопустима.

Движущей силой разрушения послужило то, что воздушный резервуар в системе автотормозов неизбежно испытывает знакопеременные нагрузки от вибраций, а так же от смены давления сжатого воздуха в самом резервуаре и подходящей к нему линии сжатого воздуха, что вкупе с дефектной структурой сварного соединения привело к быстрому хрупкому усталостному разрушению в условиях знакопеременных нагрузок.


Проведенная работа позволила оперативно снять партию дефектных изделий и избежать серьезных последствий, а главное потенциально спасти жизни людей. 

 

С Уважением, коллектив лаборатории ООО «ЛКС»


© 2019,  ООО "Лаборатория Контроля Сварки". Все права защищены

Другие статьи

Наш сайт использует cookies

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookies, которые обеспечивают правильную работу сайта.