Analiza uszkodzonych części metalowych musi przebiegać zgodnie z logiką "najpierw makroskopowo, potem mikroskopowo; najpierw zjawisko, potem istota; najpierw jakościowo, potem ilościowo". Jej rdzeniem jest identyfikacja trybu uszkodzenia (np. pęknięcie, korozja, zużycie, deformacja) poprzez wielowymiarowe testowanie, a następnie prześledzenie przyczyny uszkodzenia (projekt, materiał, proces, środowisko eksploatacji itp.) i wreszcie dostarczenie podstaw do rozwiązań naprawczych. Poniżej znajduje się systematyczny schemat analizy obejmujący 6 kluczowych kroków:
Warunkiem wstępnym analizy uszkodzeń jest uchwycenie "informacji o pełnym cyklu życia" części; w przeciwnym razie łatwo zboczyć z właściwego kierunku. Kluczowe informacje do zebrania obejmują:
- Podstawowe informacje o części
- Nazwa części, zastosowanie (np. wał, koło zębate, zbiornik ciśnieniowy), rysunek konstrukcyjny (skupienie się na obszarach koncentracji naprężeń, takich jak zaokrąglenia i otwory);
- Gatunek materiału (np. stal 45, stal nierdzewna 304, stop tytanu TC4) i pierwotne parametry eksploatacyjne (twardość, wytrzymałość na rozciąganie, odporność na korozję itp.).
- Procesy produkcyjne i obróbcze
- Procesy kształtowania (odlewanie, kucie, spawanie, druk 3D), procesy obróbki cieplnej (hartowanie i odpuszczanie, starzenie roztworu), obróbka powierzchniowa (chromowanie, nawęglanie);
- Czy podczas obróbki wystąpiły wady (np. pory spawalnicze, pęknięcia kucia, deformacje obróbki cieplnej).
- Warunki eksploatacji i pracy
- Obciążenie robocze (obciążenie statyczne/dynamiczne/udarowe, wielkość i kierunek obciążenia);
- Parametry środowiskowe (temperatura: temperatura pokojowa/wysoka/niska; medium: powietrze, woda, olej, roztwór kwasowo-zasadowy, pył; obecność wibracji lub cykli zmęczeniowych);
- Stan pracy przed uszkodzeniem (np. czy wystąpiły nietypowe odgłosy, wycieki lub pogorszenie precyzji; czy uszkodzenie było nagłe czy stopniowe).
- Historia konserwacji
- Czy część była naprawiana lub wymieniana; czy wcześniej wystąpiły podobne uszkodzenia; czy podczas konserwacji wystąpiła niewłaściwa obsługa (np. przeciążenie, niewystarczające smarowanie).
Analiza makroskopowa obejmuje obserwację wyglądu, pęknięć i cech deformacji uszkodzonej części gołym okiem lub przy użyciu lupy o małym powiększeniu (≤100x) w celu wstępnej identyfikacji rodzaju uszkodzenia i kluczowych obszarów. Służy jako "nawigacja" dla późniejszej analizy mikroskopowej. Skup się na następujących wymiarach:
- Lokalizacja miejsca uszkodzenia
- Czy uszkodzenie wystąpiło w "obszarze wrażliwym na naprężenia" (np. ramię wału, wpust, nasada gwintu), "obszarze słabym procesowo" (np. połączenie spawane, wlew odlewniczy) lub "obszarze wad materiałowych" (np. wtrącenia, porowatość);
- Przykład: Jeśli wał pęka na zaokrągleniu ramienia wału, prawdopodobnie jest to związane z koncentracją naprężeń; jeśli rurociąg przecieka na spawie, należy w pierwszej kolejności sprawdzić jakość spawania.
- Obserwacja cech wyglądu
- Uszkodzenie przez pęknięcie: Obserwuj kolor pęknięcia (obecność koloru tlenku, aby ustalić, czy pęknięcie nastąpiło w wysokiej temperaturze), płaskość (płaskie = pęknięcie kruche, chropowate = pęknięcie ciągliwe) i obecność linii radialnych (typowa cecha pęknięcia zmęczeniowego, z punktem początkowym linii radialnych będącym źródłem pęknięcia);
- Uszkodzenie przez korozję: Zidentyfikuj rodzaj korozji (wżery: lokalne małe otwory; korozja jednorodna: ogólne ścieńczenie; korozja międzykrystaliczna: pękanie wzdłuż granic ziaren; korozja naprężeniowa: z towarzyszącymi pęknięciami i śladami korozji);
- Uszkodzenie przez zużycie: Obserwuj, czy zużyta powierzchnia ma rysy ścierne (zużycie ścierne), ślady adhezji (zużycie adhezyjne, np. "zatarcia" powierzchni metalowych) lub łuszczenie zmęczeniowe (zmęczenie kontaktowe, np. łuszczenie powierzchni zębów kół zębatych);
- Uszkodzenie przez deformację: Zmierz kluczowe wymiary części (np. średnica wału, płaskość płyty), aby ustalić, czy przekraczają one tolerancje (np. "deformacja termiczna" w wysokich temperaturach, "deformacja plastyczna" pod wpływem przeciążenia).
- Weryfikacja makroskopowych właściwości mechanicznych
- Pobierz próbkę z "nieuszkodzonego obszaru" uszkodzonej części, aby przetestować twardość, wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności itp. i porównaj z wymaganiami projektowymi, aby ustalić, czy uszkodzenie zostało spowodowane przez niewłaściwe właściwości materiału (np. niewystarczająca twardość po obróbce cieplnej).
Po zawężeniu zakresu poprzez analizę makroskopową, stosuje się mikroskopowe metody testowania w celu obserwacji mikrostruktury materiału, szczegółów pęknięć i rozkładu pierwiastków, ujawniając "mikroskopowy mechanizm" uszkodzenia (np. kruche pęknięcie z powodu grubych ziaren, pękanie z powodu korozji międzykrystalicznej). Powszechne metody i scenariusze zastosowań są następujące:
- Jeśli SEM obserwuje dużą liczbę "wgłębień" (cech przypominających dołki) na pęknięciu, wskazuje to na pęknięcie ciągliwe, które może być spowodowane przeciążeniem (obciążenie przekraczające granicę plastyczności materiału);
- Jeśli pęknięcie ma "płaszczyzny łupliwości" (płaskie małe płaszczyzny kryształów) lub "pęknięcie międzykrystaliczne" (pęknięcia rozprzestrzeniające się wzdłuż granic ziaren), wskazuje to na pęknięcie kruche, które może być spowodowane niską temperaturą, wtrąceniami materiałowymi lub korozją międzykrystaliczną;
- Jeśli pęknięcie ma "prążki zmęczeniowe" (równoległe paski), wskazuje to na pęknięcie zmęczeniowe, które może być spowodowane powtarzającymi się obciążeniami zmiennymi (np. wibracjami obrotowymi wału) lub źródłami pęknięć powierzchniowych (np. rysami obróbkowymi).
Mechanizm uszkodzenia odnosi się do "procesu fizycznego/chemicznego prowadzącego do uszkodzenia części". Konieczne jest połączenie wyników analizy makroskopowej + mikroskopowej w celu wyjaśnienia głównej przyczyny uszkodzenia. Powszechne mechanizmy uszkodzeń i odpowiadające im scenariusze są następujące:
- Mechanizmy uszkodzeń mechanicznych
- Pęknięcie przeciążeniowe: Obciążenie przekracza wytrzymałość materiału, z wgłębieniami na pęknięciu;
- Pęknięcie zmęczeniowe: Powtarzające się obciążenia zmienne, z prążkami zmęczeniowymi + źródłami pęknięć na pęknięciu;
- Deformacja plastyczna: Obciążenie przekracza granicę plastyczności materiału lub zmiękczenie materiału w wysokich temperaturach;
- Zużycie: Utrata materiału w wyniku tarcia powierzchniowego (zużycie ścierne, zużycie adhezyjne, zużycie zmęczeniowe kontaktowe).
- Mechanizmy uszkodzeń chemicznych
- Korozja: Reakcja chemiczna między metalem a środowiskiem (np. rdzewienie stali węglowej w wilgotnym środowisku, wżery stali nierdzewnej w środowisku Cl⁻);
- Utlenianie: Reakcja między metalem a tlenem w wysokich temperaturach (np. stal tworząca zgorzelinę tlenkową powyżej 800℃, prowadząca do zmniejszenia dokładności wymiarowej).
- Mechanizmy uszkodzeń termicznych
- Zmiękczenie termiczne: Wysokie temperatury powodują spadek wytrzymałości/twardości materiału, prowadząc do deformacji lub pęknięcia;
- Zmęczenie cieplne: Powtarzające się cykle ogrzewania-chłodzenia powodują cykle naprężeń termicznych i powstawanie pęknięć (np. rury kotłowe, bloki silników).
Na podstawie mechanizmu uszkodzenia należy dalej zbadać przyczynę źródłową z 5 ogniw: "projekt, materiał, produkcja, użytkowanie, konserwacja", unikając zatrzymywania się na "opisie zjawiska":
- Ogniwo projektowe
- Wady: Projekt koncentracji naprężeń (np. zbyt mały promień zaokrąglenia), niewystarczający współczynnik bezpieczeństwa (błąd obliczeń obciążenia), niewłaściwy dobór materiału (np. stosowanie zwykłej stali węglowej zamiast stali nierdzewnej w środowiskach korozyjnych);
- Przykład: Rurociąg chemiczny ze stali Q235 (niekwasoodpornej) do transportu kwasu solnego spowodował wyciek korozji, a przyczyną źródłową był "nieprawidłowy dobór materiału".
- Ogniwo materiałowe
- Wady: Niestandardowy skład materiału (np. niewystarczająca zawartość pierwiastków stopowych), wtrącenia wewnętrzne (np. wtrącenia siarczkowe w stali), wady metalurgiczne (np. porowatość odlewnicza, pęknięcia kucia);
- Przykład: Koło zębate ze stali 20CrMnTi pękło u nasady zęba z powodu nadmiernej zawartości siarki podczas topienia, co doprowadziło do wtrąceń.
- Ogniwo produkcyjne
- Wady: Nieprawidłowy proces obróbki cieplnej (np. niewystarczająca twardość z powodu niskiej temperatury hartowania), nieprawidłowy proces spawania (np. niepełne przetopienie, pory), wady obróbki powierzchniowej (np. rysy toczenia prowadzące do źródeł pęknięć zmęczeniowych);
- Przykład: Część wału pękła sama podczas przechowywania z powodu nadmiernych naprężeń wewnętrznych spowodowanych brakiem odpuszczania w czasie po hartowaniu.
- Ogniwo użytkowania
- Wady: Przeciążenie (np. przeciążenie dźwigu), eksploatacja poza limitami temperatury/ciśnienia (np. ciśnienie w kotle przekraczające wartość projektową), nienormalne środowisko (np. brak ochrony przed rdzą w wilgotnym środowisku);
- Przykład: Wał silnika uległ pęknięciu zmęczeniowemu z powodu nadmiernych obciążeń zmiennych spowodowanych nadmiernymi wibracjami urządzenia.
- Ogniwo konserwacji
- Wady: Niewystarczające smarowanie (przyspieszające zużycie łożysk), brak terminowego czyszczenia mediów korozyjnych (np. nieusunięty kamień na wewnętrznych ścianach rurociągu, nasilający korozję), nieprawidłowa naprawa (np. wprowadzenie nowych pęknięć podczas naprawy spawaniem).
Ostatecznym celem analizy jest rozwiązanie problemu. Należy zaproponować ukierunkowane i możliwe do wdrożenia środki naprawcze w oparciu o przyczynę źródłową, z następującymi powszechnymi kierunkami:
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!