Дефекты кристаллических решеток. Контроль качества сварных соединений

Введение
Металлы (нем. Metall; первоисточник: греч. metallon шахта, руда, металл) и сплавы в развитии человечества сыграли существенную роль.
Металлы являются поликристаллическими телами. В действительных реальных кристаллах присутствуют дефекты, которые являются их важным признаком, т. к. определяют их механические свойства, такие как сопротивление пластической деформации, ковкость, предел текучести и напряжение разрушения. Дефекты также вызывают снижение прочности материалов.
Наличие различных дефектов может существенно снижать эксплуатационные характеристики изделий и их прочностные свойства. В связи с этим контроль качества сварных соединений является необходимой процедурой, которая должна проводиться после выполнения работ.
Дефекты кристаллических решеток
1.1 Кристаллическое строение металлов
Металлы имеют кристаллическое строение, т. е. определенное расположение ионов (атомов) в пространстве. Для описания такой структуры используется понятие кристаллической решетки – воображаемой пространственной сетки (рис. 1) с ионами в узлах.
Атомно-кристаллическая структура металлов может быть представлена элементом объема решетки с минимальным количеством частиц (атомов), многократным переносом которого в пространстве может быть построен весь кристалл. Такой элементарный объем характеризует строение данного типа кристалла и называется элементарной ячейкой [1, c.18].

Рисунок 1 – Схема кристаллической решетки
Подавляющее большинство металлов имеет следующие типы кристаллических ячеек [1, c.19]:
объемно-центрированную кубическую (ОЦК);
гранецентрированную кубическую (ГЦК);
гексагональную плотноупакованную (ГПУ).
На рисунках 2 - 4 приведены схемы элементарных ячеек.
В точках пересечения линий располагаются ионы, которые называются узлами решетки.
Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональная и более сложные решетки.
Кристаллические решетки характеризуются следующими основными параметрами: периодом решетки, атомным радиусом, базисом, коэффициентом компактности и координационным числом [2, c.26].
Рисунок 2 – Объемно-центрированная кубическая ячейка
Рисунок 3 – Гранецентрированная кубическая ячейка
Рисунок 4 – Гексагональная плотноупакованная ячейка
1.2 Точечные дефекты
Реальные кристаллы, в отличие от идеальных, имеют большое количество дефектов, оказывающих существенное влияние на свойства металлов. Наиболее распространенными дефектами являются точечные, линейные и поверхностные.
Точечные дефекты – самые мелкие дефекты, обычно связаны с "ненормальной" ситуацией вокруг одного атома (отсутствием одного атома, замещением одного атома другим или же появлением "лишнего" атома). Рассмотрим точечные дефекты, схематически изображенные на рисунке 5 [3, c.17].
Вакансия. Атом может отсутствовать в некотором узле кристаллической решетки (рис. 5 (1)). Такое пустое место называют вакансией. Часто вакансия появляется при кристаллизации - случайно один узел оказывается пустым, и, если следующий слой атомов закрывает подход атомов из раствора или расплава к пустому узлу-вакансии, то узел может оказаться пустым. Вакансию часто называют - дефект по Шотки [3, c.18].
Междоузельный атом. Атом может разместиться не в узле кристаллической решетки, а в промежутке между атомами - междоузлии (рис. 5 (2)), такой дефект называют междоузельным атомом. Появляется междоузельный атом, как и вакансия, часто при кристаллизации - случайно один из атомов в результате теплового движения попадет в промежуток между соседними атомами, и, если его место займет какой либо другой атом, то междоузельный атом так и останется в новом ненормальном положении.
1 - вакансия; 2 - межузельный атом; 3 - дефект по Френкелю;
4 - примесный атом замещения; 5 - примесный атом внедрения;
6 - атом замещения большей валентности
Рисунок 5 – Типы точечных дефектов
Дефект по Френкелю. Часто вакансия и межузельный атом возникают парами (рис. 5 (3)), в этом случае один из атомов перескакивает из узлового положения в соседнее междоузлие. Причиной такого перескока может быть тепловое движение при сравнительно высоких температурах, порядка температуры плавления, или выбивание атома быстродвижущейся частицей (радиационный дефект). Такая пара дефектов называется дефектом по Френкелю [3, c.19].
Атом примеси. Один из атомов может быть замещен атомом примеси (рис. 5 (4)), при этом также получается дефект, называемый примесным атомом замещения. Примесный атом может разместиться и в междоузлии (рис. 5 (5)), как бы внедрившись в него. Такой дефект, называемый примесным атомом внедрения, часто появляется в случае, когда атом примеси значительно меньше атомов кристалла и в решетке кристалла имеются междоузлия достаточного размера; часто примесями внедрения оказываются атомы водорода, бора, углерода. Если атом примеси превосходит по размерам атомы кристалла, то, как правило, он замещает атомы кристалла [4, c.12].
Часто атомы примеси, отличающиеся валентностью от атомов кристалла, обусловливают появление вакансий, так, что кристалл в целом остается нейтральным (рис. 5 (6)).
1.3 Линейные дефекты
Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении [1, c.27].
Наиболее важный вид линейных дефектов – дислокации (лат. dislocation – смещение). Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.
Дислокации – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые [5, c.20].
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 6).
Неполная плоскость называется экстраплоскостью.
Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма.
Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.
Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости.
center952500
аб
Рисунок 6 – Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)
Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 7).
198900217081500
Рисунок 7 – Искажения в кристаллической решетке
при наличии краевой дислокации
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (), если в нижней, то – отрицательная (). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются [2, c.27].
Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация [3, c.22].
Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 8).
Рисунок 8 – Механизм образования винтовой дислокации
На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.
Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.
Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.
В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.
Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.
Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.
Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3.
(см-2; м-2) (1)
Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой (после холодной деформации) она увеличивается 1015…10 16 м –2 [4, c.15].
Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений.
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 9).
Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций ρ = 105… 107 м2. [4, c.16].
Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической.
Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла.
Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относительно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа, а фактическая – всего 250 МПа [5, c. 22].
Рисунок 9 – Влияние плотности дислокаций на прочность
Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняется тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а путем постепенного перемещения дислокаций. Пластический сдвиг является следствием постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. Распространение скольжения по плоскости скольжения происходит последовательно. Каждый элементарный акт перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной вертикальной атомной плоскости.
1.4 Поверхностные дефекты
Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях.
Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов, а также дефекты упаковки.
Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую пространственную ориентировку решеток. Блоки повернуты друг по отношению к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут. Границы между зернами называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы, достигающие десятков градусов.
Каждое зерно металла состоит из отдельных субзерен (рис. 10, а), образующих так называемую субструктуру. Субзерна разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов – малоугловые границы.
Субзерна имеют размеры (0,1 - 1 мкм) на один – три порядка меньше размеров зерен (рис. 10, а). На рис. 10, б дана блочная структура чистого металла, а на рис. 10, в – дислокации по границам блоков [5, c.25].
Изучение субструктуры имеет большое значение, так как размеры и разориентирование субзерен влияют на многие свойства металлов.
а – схема зерна и блочной структуры: б – реальная блочная структура металла, х 20 000;
в – дислокационная структура субзерен металла. x 44 000
Рисунок 10 – Блочная структура металла
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5–10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого [5, c.27].
2 Контроль качества сварных соединений
В зависимости от физических явлений, положенных в основу неразрушающего контроля выделяют следующие его виды: оптический; радиационный; акустический; магнитный; вихретоковый; электрический; радиоволновой; тепловой; проникающими веществами [6, c. 1].
Вид контроля – это условная группировка методов неразрушающего контроля, объединенная общностью физических принципов, на которых они основаны. Методы каждого вида неразрушающего контроля классифицируются по следующим признакам [6, c. 1]:
а) характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом;
б) первичным информативным параметрам;
в) способам получения первичной информации.
2.1 Методы неразрушающего контроля качества сварных
соединений
Визуальный контроль и измерения
Визуально-оптический контроль – это один из методов неразрушающего контроля оптического вида. Он основан на получении первичной информации об объекте при визуальном наблюдении или с помощью оптических приборов [7, c. 23]. Это органолептический контроль, т.е. воспринимаемый органами чувств (органами зрения) ГОСТ 23479-79 "Контроль неразрушающий. Методы оптического вида" устанавливает требования к методам контроля оптического вида. Визуальный метод контроля позволяет обнаруживать несплошности, отклонения размера и формы от заданных более 0,1 мм при использовании приборов с увеличением до 10х. Визуальный контроль, как правило, производится невооруженным глазом или с использованием увеличительных луп 2х до 7х. В сомнительных случаях и при техдиагностировании допускается увеличение до 20х.
Визуальный контроль выполняется до проведения других методов контроля. Дефекты, обнаруженные при визуальном контроле, должны быть исправлены до проведения контроля другими методами.
Радиографический контроль
Радиационный вид неразрушающего контроля (рис. 11) в соответствии с ГОСТ 18353-79 делится на методы: радиографический, радиоскопический, радиометрический. Радиографический метод контроля основан на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок [7, c. 105]. Требования к радиографическому контролю регламентированы ГОСТ 7512-82 "Контроль неразрушающий. Сварные соединения. Радиографический метод" [8, c. 12].
1 – рентгеновская трубка; 2 – кассета; 3 – фотопленка; 4 – экраны.
Рисунок 11 – Схема просвечивания рентгеновскими лучами
Метод ультразвуковой дефектоскопии
Данный метод относится к акустическому виду неразрушающего контроля (ГОСТ 3242-79) [9], применяется при толщине металла шва не менее 4 мм. Он основан на использовании ультразвуковых волн, представляющих собой упругие колебания материальной среды с частотой выше 0,5-0,25 МГц (выше той, которую способны воспринимать слуховые органы человека). В этом методе контроля (ГОСТ 14782-86) [10] используется способность ультразвуковых волн отражаться от границы раздела двух сред, обладающих разными акустическими свойствами. Когда при прохождении через сварной шов ультразвуковые волны встречают на своем пути дефекты (трещины, поры, шлаковые включения, расслоения и т. д.), они отражаются от границы раздела металл–дефект и могут быть зафиксированы при помощи специального ультразвукового дефектоскопа.
Магнитные методы контроля
Магнитные методы контроля [7, c. 148] основаны на принципе использования магнитного рассеяния, возникающего над дефектом при намагничивании контролируемого изделия. Например, если сварной шов не имеет дефектов, то магнитные силовые линии по сечению шва распределяются равномерно. При наличии дефекта в шве вследствие меньшей магнитной проницаемости дефекта магнитный силовой поток будет огибать дефект, создавая магнитные потоки рассеяния.
В соответствии с ГОСТ 18353-79 [6] в зависимости от способа регистрации потоков рассеяния различают три магнитных метода контроля: магнитопорошковый, индукционный, магнитографический. Наиболее распространен магнитопорошковый метод или магнитопорошковая дефектоскопия (МПД).
а – без дефекта; б – с дефектом
Рисунок 12 – Прохождение магнитного силового потока по сварочному шву
Вихретоковый контроль
Методы вихретокового контроля основаны на регистрации изменения электромагнитного поля вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Вихревые токи – это замкнутые токи, индуктированные в проводящей среде изменяющимся магнитным полем. Если через катушку пропускать ток определенной частоты, то магнитное поле этой катушки меняет свой знак с той же частотой [7, c. 160].
Интенсивность и распределение вихревых токов в объекте зависят от его геометрических, электромагнитных параметров и от взаимного расположения измерительного вихретокового преобразователя (ВТП) и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки (одну или несколько). Синусоидальный или импульсный ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте.
Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки (трансформаторный вихретоковый метод) или ее сопротивление (параметрический вихретоковый метод) получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.
Методы контроля проникающими веществами
Капиллярная дефектоскопия
Капиллярные методы НК предназначены для обнаружения открытых дефектов, выходящих на поверхность: трещин, пор, раковин, непроваров и других несплошностей поверхности изделий без их разрушения. Различают два основные метода капиллярной дефектоскопии: цветной и люминесцентный. Этими методами контролируют детали различной формы из аустенитных, титановых, алюминиевых, медных и других немагнитных материалов [7, c. 165]. Эти методы позволяют выявлять:
- трещины сварочные, термические, усталостные;
- пористость, непровары и другие дефекты типа открытых несплошностей различной локализации и протяженности, невидимые невооруженным глазом и лежащие в пределах чувствительности и надежности дефектоскопических средств.
Течеискание. Пузырьковый метод с использованием вакуумных камер
Вакуумный контроль сварных швов применяют в тех случаях, когда применение других способов почему-либо исключено. В частности, этот метод широко применяется при контроле сварных днищ резервуаров, газгольдеров, цистерн, гидроизоляционных ящиков. Он позволяет обнаружить отдельные поры диаметром до 0,004 0,005 мм, а производительность при его использовании достигает 40 – 60 м сварных швов в час. Вакуум создают при помощи переносной вакуум-камеры, которую устанавливают на наиболее доступной стороне проверяемого участка шва, предварительно обильно смоченной мыльным раствором. В результате разности давлений по обеим сторонам шва воздух будет проникать в камеру при наличии неплотностей в сварном соединении. В местах трещин, непроваров, газовых пор образуются стойкие мыльные пузырьки, хорошо видимые через прозрачный верх камеры. Отметив расположение дефектов мелом, цветным карандашом или краской, впускают атмосферный воздух, камеру снимают и сделанные отметки переносят на сварной шов.
Контроль швов газоэлектрическими течеискателями
В настоящее время применяют два вида газоэлектрических течеискателей: гелиевые и галоидные. Чувствительность газоэлектрических течеискателей к выявлению неплотностей в швах очень высока, но ввиду сложности конструкции и значительной стоимости изготовления их применяют только для контроля особо ответственных сварных конструкций.
Принцип работы гелиевого течеискателя основан на высокой способности гелия при определенном вакууме проходить сквозь неплотности сварных швов. При контроле сварные швы снаружи испытуемой емкости обдувают из резинового шланга тонкой струёй гелия, находящегося под небольшим давлением в специальном сосуде - газометре. При наличии неплотностей в швах гелий или его смесь с воздухом попадает из емкости в масс-спектрометрическую камеру, в которой поддерживается высокий вакуум. При попадании гелия в масс-спектрометрическую камеру в ней возникает ионный ток, который подается на индикаторы - миллиамперметр и сирену. Величина отклонения стрелки миллиамперметра позволяет судить о размерах дефекта [7, c. 174].
Испытания плотности сварных швов
Испытаниям на плотность подвергают емкости для горючего, масла, воды, трубопроводы, газгольдеры, паровые котлы и др. Существуют несколько методов контроля плотности сварных швов: гидравлическое испытание, испытание водой без давления или наливом, испытание струей воды или поливом, пневматическое испытание, испытание аммиаком, испытание керосином [7, c. 179].
2.2 Разрушающие способы контроля сварных соединений
К разрушающим методам контроля относятся способы испытания контрольных образцов с целью получения необходимых характеристик сварного соединения. Эти методы могут применяться как на контрольных образцах, так и на отрезках, вырезанных из самого соединения. В результате разрушающих методов контроля проверяют правильность подобранных материалов, выбранных режимов и технологий.
Механические испытания являются одним из основных методов разрушающего контроля. По их данным можно судить о соответствии основного материала и сварного соединения техническим условиям и другим нормативам, предусмотренным в данной отрасли.
К механическим испытаниям относят [7, c. 185]:
испытание сварного соединения в целом на различных его участках (наплавленного металла, основного металла, зоны термического влияния) на статическое (кратковременное) растяжение;
статический изгиб;
ударный изгиб (на надрезанных образцах);
на стойкость против механического старения;
Контрольные образцы для механических испытаний варят из того же металла, тем же методом и тем же сварщиком, что и основное изделие. В исключительных случаях контрольные образцы вырезают непосредственно из контролируемого изделия.
Статическим растяжением испытывают прочность сварных соединений, предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение. Статический изгиб проводят для определения пластичности соединения по величине угла изгиба до образования первой трещины в растянутой зоне. Испытания на статический изгиб проводят на образцах с продольными и поперечными швами со снятым усилением шва.
Ударный изгиб – испытание, определяющее ударную вязкость сварного соединения. В зависимости от технических условий изделие может подвергаться ударному разрыву. Для труб малого диаметра с продольными и поперечными швами проводят испытания на сплющивание. Мерой пластичности служит величина просвета между поджимаемыми поверхностями при появлении первой трещины.
Металлографические исследования сварных соединений проводят для установления структуры металла, качества сварного соединения, выявляют наличие и характер дефектов. По виду излома устанавливают характер разрушения образцов, изучают макро- и микроструктуру сварного шва и зоны термического влияния, судят о строении металла и его пластичности [7, c. 201].
Макроструктурный анализ определяет расположение видимых дефектов и их характер, а также макрошлифы и изломы металла. Его проводят невооруженным глазом или под лупой с 20-ти кратным увеличением.
Микроструктурный анализ проводится с увеличением в 50-2000 раз с помощью специальных микроскопов. При этом методе можно обнаружить окислы на границах зерен, пережог металла, частицы неметаллических включений, величину зерен металла и другие изменения в его структуре, вызванные термической обработкой. При необходимости делают химический и спектральный анализ сварных соединений.
Специальные испытания выполняют для ответственных конструкций. Они учитывают условия эксплуатации и проводятся по методикам, разработанным для данного вида изделий.
Заключение
В ходе данной работы установлено, что в реальных металлах, являющихся поликристаллическими телами, нет идеально правильного расположения атомов во всём объёме кристалла. Всегда имеются нарушения правильности расположения атомов. Эти нарушения называются дефектами кристаллического строения.
В работе рассмотрены основные типы кристаллических решеток, характерных для металлов, дефекты кристаллического строения металлов, которые подразделяются по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.
Контроль качества сварных соединений – обязательный этап любых сварочных работ. Благодаря тщательному контролю можно выявить явные и скрытые дефекты, которые в дальнейшем повлияют на качество и долговечность всей металлической конструкции.
Список использованных источников
1. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
2. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г., Мухин и др. – 6-е изд. стереотип. М.: Изд-во НГТУ им. Баумана, 2004. 648 с.
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П.  Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
4. Адаскин, А.М. Материаловедение: Учебник для машиностроительных специальностей / А.М. Адаскин, Онегин. - М.: Высшая школа, 2005. - 456 c.
5. Богодухов, С. Материаловедение: Учебник / С. Богодухов. - М.: Машиностроение, 2015. - 504 c.
6. ГОСТ 18353-79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов.
7. Овчинников В.В. Дефектация сварных швов и контроль качества сварных соединений: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / В. В. Овчинников. — 3-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2017 — 224 с.
8. ГОСТ 23479-79 "Контроль неразрушающий. Методы оптического вида"
9. ГОСТ 3242-79 Соединения сварные. Методы контроля качества
10. ГОСТ 14782-86 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые