Диагностика повреждений металлических материалов и конструкций

Е.В. Пояркова

С.Н. Горелов 

ДИАГНОСТИКА ПОВРЕЖДЕНИЙ 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 
И КОНСТРУКЦИЙ 

Учебное пособие 

3-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2020

УДК 620.10
ББК  30.121 

П75 

Р е ц е н з е н т : 

Припадчев А.Д., доцент, доктор технических наук 

Пояркова Е.В. 
Диагностика 
повреждений 
металлических 
материалов 
и 
конструкций 
[Электронный 
ресурс]: 
учеб. 
пособие 
/ 
Е.В. 
Пояркова, С.Н. Горелов. – 3-е изд., стер. – М.: ФЛИНТА, 2020. – 202 с.  

ISBN 978-5-9765-2483-5

В учебном пособии  достаточно подробно изложены возможные 
причины возникновения дефектов и повреждений материалов и 
изготовленных из них конструкций на разных стадиях их жизненного 
цикла. Приведен системный анализ методов обнаружения различных 
повреждений и технических средств их диагностирования, а также 
обобщенная информация о влиянии дефектов и повреждений на 
работоспособность деталей. 

Пособие адресовано студентам, обучающимся по программам 
высшего профессионального образования по направлениям подготовки 
24.03.04 Авиастроение и 151600.62 Прикладная механика. Также 
учебное 
пособие 
будет 
полезно 
аспирантам 
и 
специалистам,
работающим в области диагностики с целью ознакомления с наиболее 
вероятными причинами отказов потенциально опасного оборудования, 
с 
процессами, 
происходящими в 
материалах при 
длительной 
эксплуатации оборудования в сложных, напряженных условиях. 

УДК 620.10
ББК 30.121 

ISBN 978-5-9765-2483-5
© Пояркова Е.В., 2015 
© Горелов С.Н. , 2015 
© Издательство «ФЛИНТА», 2015 

П75 

Содержание 

Введение…………………………………………………………………..
6

1 Предмет технической диагностики…………………………..……….
8

1.1 Техническая диагностика и прогнозирование……………...……
12

1.2 Подготовительные работы к технической

диагностике объекта…………………………………………………... 19 

1.3 Подбор технической документации и ознакомление

 с условиями эксплуатации………………………………………….... 20 

1.4 Проведение оперативной диагностики…………………………..
22

1.5 Эффективность неразрушающих методов контроля……………
27

2 Понятие о дефектах и дефектной продукции………………………..
32

2.1 Дефекты кристаллической решетки металлов…………………..
39

2.1.1 Точечные дефекты………………………………………….… 39

2.1.2 Линейные дефекты……………………………………….…...
40

2.1.3 Поверхностные дефекты……………………………………... 44

2.1.4 Современные исследования дислокационных структур…...
45

2.2 Дефекты металлургического и технологического

 производства………………………………………………………….. 48 

2.2.1 Внутренние дефекты………………………………….………
49

2.2.1.1 Усадочная раковина……………………………………...
51

2.2.1.2 Газовые пузыри…………………………………………..
54

2.2.1.3 Межкристаллитные трещины, прослойки и сколы…….
58

2.2.1.4 Ликвации……………………….…………………………
62

2.2.1.5 Точечная неоднородность……………………………….
70

2.2.1.6 Загрязнения……………………………………….………
80

2.2.1.7 Внутренние разрывы при деформации 

из-за перегрева осевой зоны……………………………......…… 84 

2.2.1.8 Флокены………………………………………..…………
86

2.2.1.9 Участки нерекристаллизованного зерна………………..
87

3 

2.2.1.10 Шлифовочные трещины…………………………..……
88

2.2.2 Дефекты поверхности…………………...……………………
89

2.2.2.1 Пузыри в поверхностных слоях…………………………
93

2.2.2.2 Дефекты в виде трещин……………….…………………
94

2.2.2.3 Чешуйчатость……………………………...……………..
101

2.2.2.4 Плены…………………………………..…………………
102

2.2.2.5 Усы…………………………………………...…………… 103

2.2.2.6 Закат, волосовина, прикромочная трещина………….…
104

2.2.2.7 Подрез…………………………………..………………… 109

2.2.2.8 Заков………………………………………………………
110

2.2.2.9 Заусенец…………………………………………….…….. 111

3 Дефекты производства………………………………………………...
112

3.1 Дефекты термической и химико-термической обработки…...…
112

3.2 Дефекты механической обработки……………………………….
118

3.3 Дефекты соединения материалов………………………………...
120

3.3.1 Дефекты сварки……………………………………………….
120

3.3.1.1 Дефекты сварки плавлением…………………………….
121

3.3.1.2 Дефекты сварки давлением……………………………...
125

3.3.2 Дефекты пайки…………………………………...…………… 125

3.3.3 Дефекты клеевых соединений……………………..………… 126

3.3.4 Дефекты клепаных соединений……………………...………
127

3.3.5 Дефекты слоистых материалов………………………………
129

3.4 Дефекты и повреждения, возникающие 

при хранении и эксплуатации, и их обнаружение………………….. 132 

3.5 Повреждения, возникающие в результате изнашивания……….. 133

3.5.1 Механические виды изнашивания………………….………..
137

3.5.2 Молекулярно-механическое изнашивание………………….
142

3.5.3 Коррозионно-механическое изнашивание…………………..
145

3.6  Повреждения, вызванные коррозией……………………….…… 145

3.7 Повреждения, вызванные усталостью…………………………… 154

4 
 

3.8 Повреждения, вызванные неправильной эксплуатацией……….
157

3.9 Дефекты поверхности изделий крепежа…………………………
157

3.10 Влияние дефектов и повреждений

на работоспособность деталей ………………………….…………… 162 

Заключение……………………………………………………………….. 173

Список использованных источников
174

Приложение А Некоторые сведения о существующих системах 

аттестации персонала области неразрушающего контроля…………... 188 

Приложение Б Требования к квалификации персонала в области 

неразрушающего контроля……………………………………………... 
193 

Приложение В Сведения о системе аттестации лабораторий 

неразрушающего контроля……………………………………………... 
198 

 

 

 

5 
 

Введение 

 

Нарушение требований, предъявляемых к качеству изготовления узлов 

и деталей оборудования, монтажу металлических  конструкций различного 

назначения (сосуды и аппараты высокого давления, газо- и нефтепроводы, 

изделия авиационной и морской техники, грузоподъемные машины и т. д.), 

приводит к их преждевременному переходу из работоспособного состояния  

в неисправное. СНиП, ГОСТ и отраслевые руководящие документы 

регламентируют 
правилам 
технической 
эксплуатации 
ответственных 

конструкций. Однако из-за несовершенства норм, допущенных при 

проектировании ошибок, низкого качества работ по изготовлению и монтажу 

конструкций, нарушений правил технической эксплуатации в конструкциях 

появляются отклонения от проектных размеров, формы и качества, 

превышающие допускаемые пределы. 

Совокупность дефектов, полученных при изготовлении и монтаже 

конструкций, 
инициирует 
развитие 
опасных 
повреждений 
при 
их 

эксплуатации. Цель технической диагностики – оценить работоспособность 

элементов и конструкции в целом в каждый требуемый момент времени.  

В данном учебном пособии решалась задача ознакомления студентов 

технических направлений подготовки с современными российскими и 

зарубежными методами и средствами технического диагностирования, 

процессами, 
происходящими 
в 
материалах 
в 
различных 
условиях 

эксплуатации (высокие температуры и давления, циклические нагрузки, 

агрессивные среды и т. д.) и наиболее вероятными причинами отказов 

потенциально опасного оборудования.   

В первой главе рассмотрены общие вопросы технической диагностики, 

приведены термины и определения, касающиеся технического состояния 

конструкции и ее элементов. Задачи диагностики – оценить конструкцию в 

трех временных состояниях: текущем, прошлом и будущем (прогноз).  

6 
 

Во второй главе подробно рассмотрены скрытые и явные дефекты 

металлургического 
и 
технологического производства. 
Даны понятия 

дефектной продукции с примерами классификации дефектов по возможности 

их устранения (исправимые и неисправимые). Приведены дефекты 

кристаллической 
решетки 
металлов 
и 
современные 
исследования 

дислокационных структур, рассмотрены поверхностные дефекты с указанием 

причинно-следственных связей их образования. Отмеченные в изложенном 

материале главы дефекты подробно проиллюстрированы.   

В третьей главе рассмотрены дефекты и повреждения деталей и 

элементов конструкций в результате термической, химико-термической и 

механической 
обработки. 
Большое 
внимание 
уделено рассмотрению 

дефектов соединения элементов конструкции сваркой, пайкой, клепкой. 

Рассмотрены отдельные виды изнашивания, коррозионные повреждения 

деталей и дефекты эксплуатации, а также их влияние на работоспособность 

конструкций.  

В приложении приведены сведения о существующих системах 

аттестации персонала в области неразрушающего контроля и требованиях к 

специалистам. 

В основу учебного пособия положен опыт, накопленный ведущими 

российскими и зарубежными учеными и специалистами в области 

технической диагностики, материаловедения и неразрушающего контроля, а 

также некоторые результаты исследований авторов, полученные за 

последние 
два 
десятилетия 
работы 
в 
этих 
направлениях 
научной 

деятельности. 

 

 

 

 

 

7 
 

Предмет технической диагностики 

 

Изучив, значительное количество различных словарей, в числе которых 

самые известные толковые словари С.И. Ожегова, Д.Н. Ушакова, В.И. Даля, а 

также менее известную среди специалистов технического профиля 

Энциклопедию эпистемологии и философии науки; при этом, проверив даже 

Словарь черезвычайных ситуаций, удалось все же найти подходящий термин 

«диагностики» и для инженеров-прочнистов, материаловедов, и для 

специалистов-эксплуатационников в Большом Энциклопедическом словаре. 

Итак, 

Диагностика (от греч. diagnostikos - способный распознавать) - учение 

о методах и принципах распознавания болезней и постановки диагноза; 

процесс постановки диагноза [12]. 

Ввведем лишь одну поправку к данному определению – будем считать 

болезнями конструкций их различные стадии жизненного цикла (накопления 

повреждений), предразрушения и даже разрушения. 

Однако 
есть 
более 
четкие 
определения, 
регламентированные 

Государственным стандартом: 

Техническая диагностика представляет собой достаточно объемный 

фрагмент 
научных 
знаний 
о 
современных 
теоретических 
и 

экспериментальных методах и средствах оценки технического состояния 

различных технических объектов, которыми являются разнообразные 

машины, 
механизмы, 
основное 
и 
вспомогательное 
оборудование, 

многочисленные по способу и характеру применения конструкции.   

Техническое 
диагностирование 
– 
определение 
(установление) 

технического состояния объектов (по ГОСТ 20911-89, п.4 таблица 1) [11]. 

Как 
правило, 
результаты 
технической 
диагностики 
любых 

производственных объектов представляют собой составную часть их 

технического обслуживания.  

8 
 

Основные задачи технического диагностирования представляются для 

инженеров-эксплуатационников в виде: 

- обеспечения промышленной и пожарной безопасности, а также 

функциональной прочностной надёжности и длительной эффективной 

работоспособности технического объекта; 

- 
сокращения 
затрат 
на 
техническое 
обслуживание 
объектов 

диагностики; 

- уменьшения временных и материальных потерь, возникающих из-за 

простоев, 
обусловленных 
непреднамеренными 
отказами 
и 
(или) 

преждевременными выводами оборудования в ремонт. 

Функции технического диагностирования производственных объектов 

включают в себя: 

- постоянный (или своевременный) мониторинг работоспособного 

состояния  объекта; 

- оценку технического (по результатам неразрушающего контроля) 

состояния объекта диагностики; 

- обнаружение дефектных областей и четкое определение места 

локализации неисправностей; 

- установление пригодности технического объекта удовлетворять 

определенные потребности в соответствии с его назначением; 

- прогнозирование остаточного ресурса объекта. 

Проблематичность 
технической 
диагностики 
производственного 

объекта обусловлена установлением экспертами-диагностами адекватной 

оценки распознавания истинного (достоверного) технического состояния 

объекта и классифицировании этого состояния как нормального или 

аномального. 

Как правило, для подтверждения нормального состояния объекта, 

изначально 
перед 
проведением 
технического 
диагностирования 

формулируются его основные задачи сбора достоверной информации и 

обеспечения приемлемой оперативности ее получения. 

9 
 

При проведении технического диагностирования для выявления 

аномалий выделяют две основные проблемы [10, 13]: 

1. 
Вероятность пропуска неисправности. 

2. 
Вероятность «ложной тревоги», то есть вероятность ложного 

сигнала о наличии неисправности. 

Чем выше вероятность «ложной тревоги», тем меньше вероятность 

пропуска неисправности, и наоборот. Задача технической диагностики 

неисправностей состоит в нахождении «золотой середины» между этими 

двумя проблемами [10, 13]. 

Целенаправленным функционалом технической диагностики является 

объективное намерение повышения надежности объектов в процессе их 

длительной эксплуатации, а также возможность предотвращения наличия 

браковочных 
объектов 
(предметов 
диагностирования) 
на 
заводе
изготовителе.  

Жизнедеятельность 
любого 
технического 
объекта 
связана 
с 

прохождением им трех основных этапов: проектирования, изготовления и 

эксплуатации, на каждом из которых к объекту предъявляются технические 

требования, установленные в соответствии с нормативно-технической 

документацией (НТД). Дефекты, не выявленные или не поддающиеся 

обнаружению на стадиях проектирования и изготовления, но возникающие в 

процессе эксплуатации, могут практически вмиг нарушить это соответствие. 

Цель технического диагностирования заключается в своевременном 

выявлении дефектов, установлении их видов, характера возникновения и 

развития, расположения, причин появления [5]. Основной инструментарий 

технического диагностирования представляет собой определенные и 

установленные НТД технические средства диагностирования (ТСД). 

Система технического диагностирования (СТД) включает в себя не 

только комбинаторную совокупность определенных средств, инструментов, 

методов и объектов диагностирования, но и специально обученных и 

10 
 

аттестованных 
специалистов, 
а 
также 
необходимую 
нормативно
техническую документацию (см. приложения А - В). 

Основные особенности установленных видов систем диагностирования 

представлены в таблице 1.1. 

 

Таблица 1.1 – Виды систем диагностирования 

Системы контроля технического состояния 

Виды  
Тестового 

диагностирования

Функционального 
диагностирования

Различия подачи 
воздействий  

на объект 
диагностирования

специально организуемые 
воздействия от средств 
диагностирования 
только рабочие воздействия 

Необходимость 
системы 

для проверки

исправности и 
работоспособности объекта 

регламентации 
функционирования объекта 

для поиска дефектов, нарушающих

работоспособность объекта
четко регламентированное 
функционирование объекта 

Средства 

внешние или встроенные, 
аппаратные и (или) 
программные, 
автоматические,  
автоматизированные или 
ручные, 
универсальные или 
специализированные 

встроенные, 
автоматические, 
специализированные, 
аппаратурные или 
программные 
 

 

Закономерностью систем обоих видов является идентичное восприятие 

объектом средств диагностирования, а также анализ ответов объекта на 

входные (тестовые или рабочие) воздействия и выдача результатов самого 

диагностирования в виде: 

11 
 

- оценки работоспособности (неработоспособности) объекта; 

- оценки правильности (неправильности) его функционирования; 

- наличия (отсутствия) определенного дефекта; 

- установления поврежденности (или ее отсутствия) любой составной 

части объекта. 

По мнению [3, 4] системы, работающие под эгидой неразрушающего 

контроля, представляют собой класс систем тестового диагностирования, а, 

так называемые, вибродиагностические системы являются классом систем 

функционального 
диагностирования. 
Фактически 
на 
всех 
объектах 

повышенной опасности применяют и те, и другие системы технического 

диагностирования (тестовые и функциональные), позволяющие априори 

получить данные о технических характеристиках объекта. 

Четкая, грамотная организация сбора, накопления и обработки 

информации о конкретном экземпляре объекта позволяет в любой период 

времени его жизненного цикла: 

- 
обладать 
данными 
об 
абсолютных 
фактических 
значениях 

интенсивности отказов и прогнозирующих параметров,  

- следить за динамикой их изменения, что впоследствии позволит 

эмпирически установить критерий годности и назначить предельное 

состояние диагностируемого объекта. 

Наибольшую трудность в сфере оценки результатов технической 

диагностики объекта представляют задачи обоснования назначенных 

предельных 
значений 
критериев 
годности, 
а 
также 
осуществление 

адекватного выбора прогнозирующих параметров, при этом самыми 

приемлемыми методами выступают методы экспертных оценок. 

 

1.1 Техническая диагностика и прогнозирование 

 

При определении технического состояния объектов методами и 

средствами технической диагностики, как правило, решаются три типа задач: 

12 
 

1. 
Задачи диагностирования (или задачи технической диагностики) 

– определения технического состояния объекта, в котором он находится в 

настоящий момент времени. 

2. 
Задачи прогнозирования (или задачи технической прогностики) – 

предсказание (предположение) технического состояния объекта, в котором 

он окажется в предполагаемый (заданный) момент времени в будущем. 

3. 
Задачи генеза (или задачи технической генетики) – определения 

технического состояния объекта, в котором он находился в определенный 

момент времени в прошлом. 

Решение задач технической генетики обусловлено расследованием 

различных чрезвычайных аварийных ситуаций на производстве, с целью 

установления достоверных причин повреждения оборудования. В процессе 

решения таких задач выявляются вероятные предыстории развития событий 

при эксплуатации оборудования (в паспортных или нерегламентированных 

режимах), повлекших наступление фактически-полученного состояния 

объекта. 

Техническая прогностика позволяет решать задачи, связанные с 

установлением (назначением) срока дальнейшей эксплуатации объекта, на 

основании определения вероятности эволюционных изменений структурно
механического состояния объекта, начиная с фактического момента 

технического диагностирования. 

Перенесение методов решения задач диагностирования на задачи 

прогнозирования невозможно из-за различия моделей:  

- при техническом диагностировании моделью является описание 

объекта; 

- при прогнозировании необходима модель процесса эволюции 

технических характеристик во времени [3, 4]. 

В процессе диагностировании обычно определяется одна «точка» 

состояния объекта во времени (так называемое событие текущего момента). 

Периодическое диагностирование (или мониторинг), сбор и накопление 

13