Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

где h и h ! — глубины восстанавливающихся отпечатков после снятия нагрузок соответственно Р и Р г.

М. С. Дрозд предложил также упрощенное определение Hd при однократном вдавливании шарика и разработал номограммы, позволяющие оценить значение Hd, не прибегая к вычислениям. Кроме того, он исследовал зависимость твердости Hd от механи­ ческих свойств стали, определяемых при кратковременном раз­ рыве. Эти работы нашли применение, в частности, на паротурбин­ ных электростанциях.

Для ответственных деталей турбин твердость не относится к числу характеристик, оговариваемых при сдаче деталей. Тем не менее испытания твердости и анализ их результатов имеют важное значение для оценки однородности металла заготовок и качества выполнения их термической обработки. Если испыта­ ниями будет выявлена недостаточная однородность металла, то заготовку подвергают повторной термической обработке или при­ нимают другие необходимые меры.

Для многих поковок и штамповок общего назначения из угле­ родистых сталей, применяемых в турбостроении, твердость яв­ ляется единственной характеристикой, оговариваемой при сдаче деталей. Сюда относятся поковки шайб, кронштейнов, рычагов, штанг, шпонок, крышек, колонок клапанов и т. д.

Все описанные методы определения твердости позволяют оце­ нить ее средние значения в пределах более или менее значительных объемов (макрообъемов) металла. При изучении твердости отдель­ ных структурных составляющих, гальванических покрытий, це­ ментированного слоя, изменений в тонких поверхностных слоях металлов определяют твердость микрообъемов металла — его микротвердость. Для этого в испытываемый металл под неболь­ шой нагрузкой вдавливают алмазную пирамиду с квадратным, реже ромбическим или треугольным основанием. Углы между противоположными гранями пирамиды с квадратным основанием равны 136°, а с ромбическим 130° и 172° 30'. Для трехгранной пирамиды угол между гранью и высотой составляет 65°. Сила, действующая на вдавливаемый наконечник, может составлять от 2 до 200 гс. Число твердости, как и при определении макро­ твердости алмазной пирамидой, представляет собой частное от деления действующей силы на площадь поверхности отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть > 2 d, а толщина образца ^ 1 ,5 d (d — длина диагонали отпечатка в мкм). При определении твердости составляющих микрострук­ туры образца краем образца считают границу зерна. Место для отпечатка и измерения его диагонали выбирают под микроскопом с 135—500-кратным увеличением. Методы испытания металлов на микротвердость стандартизованы ГОСТом 9450—60, который предусматривает измерение твердости металлических изделий, сплавов, их структурных составляющих, металлических покры­ тий методом вдавливания алмазной пирамиды с квадратным осно­

37

ванием и углом а между противоположными гранями при вершине, равным 136°. Твердость, как и при испытаниях по Виккерсу, определяют по формуле

/ / = 1 , 8 5 4 4 сг ,

где Р — нагрузка на вдавливаемую пирамиду; d — диагональ отпечатка пирамиды.

При испытаниях выбирают одну из следующих нагрузок: Р = 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 кгс. При выборе нагрузки исходят из того, что длина диагонали отпечатка не должна пре­ вышать 1,5 толщины образца или исследуемого поверхностного слоя.

Испытания на микротвердость можно проводить на изделиях и образцах толщиной ^ 6 мкм, высотой и шириной 8 мкм.

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Металлографический анализ представляет собой очень важное средство для изучения состояния металлов и оценки их поведения в условиях эксплуатации. В турбостроении широко применяют макроскопические и микроскопические исследования металлов.

Макроскопические исследования выполняют при небольших увеличениях (10—30-кратных) или без увеличения, невооружен­ ным глазом, непосредственно на деталях, заготовках или на от­ резанных от них пробах. Этот вид исследования применяют для установления неоднородности строения металла, выявления раз­ личных дефектов (трещин, раковин, пористости, загрязнения не­ металлическими включениями, волосовин, флокенов и т. д.), определения глубины азотированного, цементированного или за­ каленного слоя. Макроисследованию подвергают изломы образ­ цов металла турбинных дисков, цельнокованых роторов и дру­ гих ответственных деталей, прошедших испытания на разрыв, удар и изгиб. Излом образца должен быть однородным и мелко­ кристаллическим. Осмотр изломов следует дополнять общим осмо­ тром рабочего участка образца, так как на нем иногда можно обна­ ружить надрывы и мелкие трещины, образующиеся в процессе испытаний.

Важное значение имеет макроисследование поверхностей ответ­ ственных деталей, предварительно подвергнутых травлению раз­ личными кислотами (чаще всего 10%-ным раствором азотной кис­ лоты), Травлению подвергают шейки и торцовые поверхности валов и роторов, поверхности втулочных отверстий дисков, заго­ товки лопаток и пр., а также все места заготовок, на которых при обработке или внешнем осмотре были обнаружены подозритель­ ные участки, имеющие те или иные признаки нарушения сплош­ ности металла.

38

До макротравления исследуемые поверхности необходимо тща­ тельно осмотреть. Если имеются трещины, раковины и пористости, то тонкой иглой, проволокой или щупом надо определить их глу­ бину, измерить протяженность, проверить при помощи лупы чи­ стоту дна и стенок, а также попытаться установить время их появ­ ления (до или после термической обработки) и т. д. Макротравле­ нием можно выявить мелкие дефекты, невидимые до травления.

Для выявления на поковках флокенов рекомендуется двой­ ное травление: 15%-ным водным раствором персульфата аммо­ ния, а затем 10%-ным раствором азотной кислоты. О том, на­ сколько внимательно следует относиться к результатам макро­ травления, особенно тогда, когда выявляются дефекты типа фло­ кенов, можно судить по следующему примеру. Была изготовлена крупная поковка средней части сборного ротора электрического турбогенератора большой мощности. Форма поковки — толсто­ стенный полый цилиндр, материал — низколегированная сталь. Испытания и исследования, которым был подвергнут материал поковки, дали хорошие результаты по химическому составу, меха­ ническим свойствам и микроструктуре исследованных образцов. Только на одном из образцов в форме пластины, отрезанном от торца поковки со стороны, соответствующей верху слитка, при макротравлении были обнаружены три мелкие тонкие трещинки длиной 2—3 мм, несколько напоминавшие по характеру слабо­ развитые флокены.

В связи с этим поковка была подвергнута дополнительным испытаниям и исследованиям, для чего были вырезаны пластины с торцов поковки. Макротравление новых образцов выявило зна­ чительное количество мелких дефектов, подобных ранее обнару­ женным, а прочность и пластичность при испытании на растяжение специально изготовленных плоских образцов, пораженных в ра­ бочей части указанными дефектами, оказались низкими. После дополнительных исследований поковка была окончательно забра­ кована.

В ряде конструкций турбин применяют лопатки, хвосты ко­ торых образованы способом холодной высадки и в сечении имеют Т-образную форму. Такие лопатки выборочно подвергают макро­ травлению для оценки правильности расположения волокон после высадки, а при их неблагоприятном расположении бракуют.

Широко используют в турбостроении серную пробу. Сера является вредной примесью в сталях, применяемых в производ­ стве турбин. Техническими условиями содержание серы обычно ограничивается 0,025—0,05%. Химический анализ позволяет определить только количественное содержание серы в исследо­ ванном объеме металла, не давая представления о равномерности и характере ее распределения. Однако, как показывает опыт, неблагоприятное распределение сернистых соединений может оказаться весьма опасным. Наличие в поковке скоплений серы некоторой определенной формы при среднем ее содержании в ме­

39

талле, удовлетворяющем требованиям технических условий, зна­ чительно более опасно, чем небольшое превышение допустимого общего содержания серы.

Серная проба, которая взята на тех участках изделия, где можно ожидать неравномерного распределения серы и неблаго­ приятного ее скопления, позволяет получить наглядную картину распределения таких включений. При серной пробе на обрабо­ танную поверхность металла, тщательно очищенную и обезжирен­ ную, накладывают бромосеребряную фотографическую бумагу

(засвеченную), предварительно смочив ее в 5%-ном водном рас­ творе серной кислоты.

Сернистые включения в металле вступают в химическое взаимо­ действие с серной кислотой, в результате чего выделяется серо­ водород, который, в свою очередь, вступает в реакцию с бро­ мистым серебром. На фотобумаге в тех местах, где на исследуемой поверхности металла располагаются сернистые включения, появ­ ляются темно-коричневые точки сернистого серебра. Фотобумагу выдерживают на металле в течение нескольких минут, осторожно снимают, погружают в ванночку с фиксажем и затем промывают в чистой воде.

Уменьшенный (приблизительно в 4 раза) серный отпечаток торца турбинного вала, выявивший значительные скопления серы в центральной зоне вала, показан на рис. 15. Серный отпечаток с торцовой поверхности цельнокованого ротора турбины, выявив­ ший скопления сернистых включений, называемых сегрегацион­ ными «усами», изображен на рис. 16. Подобные скопления серни­

40

стых включений образуются в процессе кристаллизации при осты­ вании металлического слитка в граненой изложнице (угловая сегрегация) и могут создавать ослабленные, хрупкие зоны в ме­ талле. Наличие таких зон следует считать весьма опасным. Иссле­ дования показали, что прочность и пластичность металла, пора­ женного угловой сегрегацией серы, заметно снижаются.

Образцы, изготовленные так, что плоскость, пораженная скоплениями сернистых включений, оказалась расположенной в пределах расчетной части образца перпендикулярно растяги­ вающей силе, разрушались при испытании на растяжение без заметной пластической деформации. Образцы для испытаний на изгиб, изготовленные так, чтобы плоскость сегрегационного «уса» располагалась в поперечном направлении, разрушались, как только пуансон начинал давить на образец. Разрушение образцов, пораженных угловой сегрегацией серы, имеет такой вид, как будто в металле образовалась хрупкая перегородка, легко разру­ шающаяся при действии даже небольших усилий. Поковки, пора­ женные угловой сегрегацией, бракуют.

В практике механической обработки поковок роторов турбин имели место случаи, когда угловая сегрегация обнаруживалась по надламыванию стружки при точении в месте расположения сегрегационных «усов». В процессе механической обработки можно обнаружить и другие дефекты, например, трещины, кото­ рые иногда приводят к раздвоению стружки по длине.

Работникам лабораторий и отделов технического контроля турбостроительных заводов следует внимательно относиться к от­ мечаемым рабочими в процессе механической обработки изделий недостаткам и организовать в таких случаях необходимые допол­ нительные испытания. Это позволит предотвратить возможность попадания дефектной заготовки в турбину.

Макроисследования — травление, серную пробу и др. — необ­ ходимо выполнять весьма тщательно. Поверхности, подвергаю­ щиеся исследованию, должны быть надлежащим образом обрабо­ таны, очищены от грязи и жира. После травления кислотами необ­ ходимо провести нейтрализацию щелочами и промыть водой трав­ леные поверхности с последующей просушкой во избежание корро­ зии.

Если на одном и том же участке заготовки необходимо выпол­ нить и серную пробу, и макротравление, то следует начинать с серной пробы, так как после нее макротравление можно прово­ дить без повторной механической обработки поверхности. Если же начать с макротравления, то для последующего проведения сер­ ной пробы необходимо будет вновь обработать исследуемую по­ верхность, поскольку разъедание ее кислотой исключает воз­ можность получения качественных серных отпечатков.

Макроисследованию подвергают сварные соединения, выпол­ няемые при производстве различных деталей турбин: цилиндров низкого давления, конденсаторов, сварных диафрагм и пр. Макро­

41