Возможности криминалистической экспертизы металлов, сплавов и изделий из них при исследовании разрушенных деталей и механизмов промышленного оборудования

Юрий Савельев

Настоящая научно-практическая работа является отредактированным и дополненным результатом публикации выпускной квалификационной работы, подготовленной автором по итогам обучения по специальности «Судебный эксперт по производству криминалистической экспертизы веществ, материалов и изделий из них» (экспертная специальность: 10.4. «Исследование изделий из металлов и сплавов») по профессиональной переподготовке в ПОАНО «НУСТ» в 2022 году.

Глава 2. Возможности судебной криминалистической экспертизы металлов, сплавов и изделий из них при исследовании деталей и механизмов промышленного оборудования

Различные конструктивные элементы общепромышленного оборудования (детали, соединения, узлы), изготовленные из металлических, армированных металлом и др. материалов, близких по физическим свойствам и строению к металлам и сплавам, характеризуются внешним морфологическим строением, внутренней структурой, элементным (химическим) составом, совокупностью характерных для данного конкретного материала физических и химических свойств. При выборе методик, применяемых в экспертной практике КЭМСИ следует руководствоваться соответствующими физическими и химическими характеристиками как объекта экспертизы, так и предметов, веществ, инструментов, непосредственное воздействие на объект экспертизы которых может проявляться в процессе технологического изготовления и (или) сборки исследуемых экспертом (специалистом) деталей и узлов оборудования, в процессе эксплуатации, ремонта, технологического обслуживания, а также в момент аварии оборудования (оснастки) и во время подготовки и проведения экспертизы КЭМСИ [8].

Базовый теоретический курс знаний, необходимый эксперту при подготовке и проведении экспертизы КЭМСИ может быть взят в следующих источниках [1;2;25;37], таких авторов, как Аверьянова Т. В., Зуйков В. А., Митричев В. С.

Согласно Митричеву В. С., — в криминалистической экспертизе материалов, веществ и изделий физическими, химическими и т. п. методами определяются отдельные параметры структуры физических тел или состава образующих их материалов (веществ). При этом часть параметров определяется природой вещества, другая — происхождением объекта, третья — назначением изделия, четвертая — условиями эксплуатации группы предметов и т. п. При такой ситуации очевидно, что познание отдельности, или индивидуальности, искомого элемента вещной обстановки, раскрытие его связей и отношений с другими элементами требуют особой криминалистической интерпретации, объяснения данных анализа. И результатом такой интерпретации или такого объяснения является выделение идентификационных признаков.

В криминалистической экспертизе материалов, веществ и изделий трудности выделения индивидуализирующих признаков объекта обусловлены тем простым обстоятельством, что эксперт имеет дело чаще всего с материалами, веществами или изделиями массового промышленного производства, из-за чего эти объекты обладают многими общими признаками. Однотипность материалов и эксплуатация изделий в одинаковых условиях приводят к тому, что и эксплуатационные признаки в значительной части носят групповой характер. Вот почему выделение индивидуализирующих признаков, по которым можно было бы дифференцировать однотипные объекты, представляет один из узловых моментов в проведении рассматриваемых экспертиз [37].

Объектом экспертного исследования является сложное материальное образование, в структуру которого входят: сами контактно взаимодействующие элементы вещной обстановки преступления, механизм такого взаимодействия, внешняя среда и механизмы взаимодействия каждого из указанных элементов с внешней средой. Из этого следует, что в процессе экспертного исследования выделяются не только идентификационные признаки взаимодействующих объектов, но также признаки внешней среды и самого механизма взаимодействия [37].

Успешно решаются вопросы формирования единой политики в области развития государственной судебно-экспертной деятельности, укрепления взаимодействия государственных судебно-экспертных учреждений в решении имеющихся проблем организации производства судебных экспертиз, совершенствования экспертных методик [1;2]. ЭКЦ МВД России является членом Федерального межведомственного координационно-методического совета по проблемам экспертных исследований, в задачи которого входят:

формирование единых подходов к правовому, научно-методическому обеспечению, профессиональной подготовке и аттестации специалистов, технической политике, метрологическому обеспечению, организации контроля качества работы специалистов в государственных судебно-экспертных учреждениях и подразделениях.

Для повышения эффективности экспертно-криминалистической деятельности в борьбе с преступностью ЭКЦ МВД России разработана Концепция развития экспертно-криминалистических подразделений органов внутренних дел России на 2006—2015 годы. Главной целью развития ЭКП является всестороннее и оперативное обеспечение потребностей ОВД в эффективном применении современных экспертно-криминалистических средств и методов в целях предупреждения, выявления, раскрытия и расследования преступлений.

Концепцией предусматривается:

— повышение эффективности управления ЭКП;

— совершенствование правовой и информационно-методической базы функционирования ЭКП;

— активное использование положительно зарекомендовавших себя на практике форм и методов экспертно-криминалистической деятельности, внедрение современных научных достижений, рекомендаций и приемлемого в российских условиях зарубежного опыта;

— улучшение работы с экспертными кадрами и закрепление их в ОВД, повышение уровня профессионализма и научной организации их труда;

— укрепление взаимодействия с другими подразделениями ОВД, судебно-экспертными учреждениями и правоохранительными органами, в том числе в рамках реализации федеральных и региональных программ по борьбе с преступностью (ее видами);

— расширение и углубление взаимовыгодных международных связей;

— доведение до нормативного уровня штатного, финансового и материально-технического обеспечения ЭКП.

Анализ причин поломок и аварий КПО и металлообрабатывающего оборудования

Методология диагностики причин разрушения деталей и узлов оборудования представлена в работах таких авторов, как: Чижмаков М. Б., Шапиро М. Б., Белинкий А. Л., Лапидус А. С., Марголин Л. В., Портман В. Т., Пратусевич Р. М. и др [35;66].

Согласно существующих в технической литературе описаний физико-химических методов исследования и их возможностей применительно к анализу разрушений основного металла и сварных соединений, направление исследования и выбор методов определяется особенностью разрушения материала и условиями эксплуатации оборудования.

Начинать исследование необходимо с визуального осмотра поврежденного узла КПО или металлообрабатывающего оборудования. Это необходимо для определения участков с очагом разрушения коррозионного поражения, трещин, последовательности этапов разрушения и др.

В большинстве случаев приходится определять химический состав стали и его соответствие ГОСТу, при этом следует обращать внимание на содержание в стали вредных примесей и газов. Проверка прочностных и пластических характеристик металла необходима для установления соответствия свойств нормам технических условий. При контроле механических свойств важно оценить их однородность в различных участках разрушенной детали в различных сечениях (в сердцевине и в поверхностных слоях детали).

Во многих случаях полезно определять в материале уровень остаточных напряжений, опасных при коррозионном растрескивании, коррозионной усталости и сложнонапряженном состоянии, их характер, в частности, важно оценить уровень и распределение растягивающих напряжений.

Кроме того, можно провести цветную дефектоскопию разрушенных деталей и узлов КПО или металлообрабатывающего оборудования (для немагнитных материалов можно применять метод люминисцентной дефектоскопии). Дефектоскопия позволяет установить наличие в металле трещин и характер их расположения в детали, а также в ряде случаев получить важные сведения об особенностях повреждения металла. Кроме того, дефектоскопия металла необходима в тех случаях, когда основной излом детали испорчен или поврежден в результате контакта с другими кусками металла и с агрессивной средой; в этом случае определенную информацию о характере разрушения можно получить по дополнительным трещинам.

Металлографическое исследование структуры детали или поврежденного узла дает ценную информацию о металле. Так, в процессе эксплуатации металла могут происходить существенные изменения в структуре, вызванные наклепом металла, рекристаллизационными процессами.

На поверхности деталей могут образовываться слои, обедненные или обогащенные рядом элементов, что, естественно, должно отразиться на особенностях структуры металла.

Контроль изменений в структуре металла детали или узла после эксплуатации по сравнению с исходной позволяет оценить, в какой мере эти изменения структуры могли вызвать повреждение материала при эксплуатации. Кроме того, анализ микроструктуры дает информацию о дефектах металлургического характера (например, крупных неметаллических включениях, строчечных выделениях, наличии феррита в аустенитной фазе); дефектах сварного соединения и других, а также их возможном влиянии на разрушение деталей и узлов КПО и металлообрабатывающего оборудования. Металлографическими методами можно также выявлять дефекты сварных швов изделий. Описанные методы исследования металлов детально изложены во многих работах и широко применяются в ряде металловедческих лабораторий НИИ и заводов различных отраслей промышленности.

Иногда проведение анализа аварийного металла с помощью этих методов позволяет выяснить причину разрушения.

Изучение причин поломок и других повреждений деталей КПО состоит из следующих трех этапов:

— выявление разрушений;

— изучение и фиксирование условий разрушения;

— установление причин разрушений.

Выявление причин и изучение условий поломок пресса (станка, технологической оснастки) начинается на месте возникновения разрушения.

В ряде случаев собранной информации оказывается достаточно для установления действительной причины повреждения. Однако в большинстве случаев приходится проводить дополнительные исследования: лабораторный

анализ деталей, уточненные расчеты на прочность специализированные испытания и т. д.

Выявление разрушений осуществляется изучением поломок и других повреждений деталей и узлов обследуемого КПО (станка, технологической оснастки). Данные признаки (наличие деформаций и разрушений) выявляются при авариях, текущем техническом обслуживании пресса, предупредительных осмотрах и разборках механизмов, а также при появлении признаков ненормальной работы пресса.

При проведении экспертизы КЭМСИ необходимо пользоваться всеми вышеназванными способами диагностики и обследования оборудования и оснастки (см. ГОСТ, эксплуатационную документацию (ЭД) с описанием методов проведения диагностических и осмотровых технических мероприятий оборудования [58]), т. к. методология осмотров оборудования и диагностических мероприятий по нему достаточно подробно раскрывает сущность поиска визуальных и вещественных данных о причинах проишествия, которые могут с успехом использоваться при разработке экспертных версий в виде источников доказательств по разрабатываемым версиям о причине аварийного и (или) травматического случая.

Повреждение можно обнаружить по двум признакам: либо непосредственно по прекращению работы механизма пресса, либо по косвенным показателям: повышению шума, появлению ударов, вибрации, течи, повышению температуры узла, отказу органов управления, ухудшению качества обрабатываемых изделий, появлению брака и т. д.

Установив поломку или ненормальную работу, необходимо по возможности определить конкретную деталь и узел, вызвавшие неисправность или аварию пресса.

Работа по выявлению поломок и установлению причин разрушений предъявляет высокие требования к квалификации персонала, который должен знать наблюдаемые прессы; слабые места и типичные неисправности механизмов.

На данном этапе экспертного исследования рекомендуется проведение экспертом (специалистом) надлежаще процессуально оформленных консультаций с персоналом, осуществляющим ремонт и техническое обслуживание (ТО) непосредственно исследуемого на производственном участке объекта КЭМСИ (оборудования, механизма, узла, технологической системы), а также его (эксперта) ознакомление с аналогичными видами оборудования, эксплуатирующимися на других производственных объектах.

Изучение и фиксирование условий разрушения и поломок включает опрос персонала, обслуживающего пресс (рабочий-штамповщик, сменный мастер, механик цеха и т.д.), а также лиц, присутствовавших при аварии; тщательный осмотр и исследование характерных особенностей разрушенных и поврежденных деталей; установление общей продолжительности работы пресса с начала эксплуатации, номенклатуры обрабатываемых деталей и характерных режимов обработки. Особое внимание обращается на перегрузочные режимы и режим обработки при возникновении аварии. Проводятся также необходимые измерения и проверки: зазоров в зубчатых передачах и шлицевых соединениях, муфте, тормозе; проверяется качество изготовления отдельных деталей, температура узла, регулировки механизмов и т. д. В случае необходимости производится полная разборка поврежденного узла КПО или металлообрабатывающего оборудования.

Если результаты проведенного исследования позволяют установить причину поломки и повреждений, то составляется технически точное объективное описание разрушения, в котором приводится предполагаемая причина разрушения и дается предварительное заключение. Если причину поломки не удалось выяснить — необходимо более основательно исследовать разрушенную деталь, провести дополнительные лабораторные измерения, исследования (металлографические, химические) и испытания, а также рекомендуется использовать результаты расчетов на прочность и данные испытаний опытных образцов КПО или металлообрабатывающего оборудования изучаемой модели.

К описанию разрушения рекомендуется прилагать эскиз и фотографию излома или поврежденного участка детали, а в необходимых случаях — схему расположения обломков и повреждений в механизме.

При поломках и повреждениях деталей, требующих разборки узла и замены разрушенных элементов новыми, разрушенные детали сохраняются с бирками, на которых должно быть указано наименование детали, модель и инвентарный номер КПО или металлообрабатывающего оборудования, дата аварии; предполагаемая причина и номер документа, в котором зафиксированы подробные сведения об аварии.

В дальнейшем эти детали осматриваются представителями завода-изготовителя и в случае необходимости подвергаются дополнительным лабораторным исследованиям.

Для определения первоначально разрушившейся детали, последовательности повреждения других деталей и выявления причин разрушения важное значение имеет анализ обнаруженных изломов и повреждений. В связи с этим повреждения и дефекты деталей исследуемого механизма необходимо разделить на две группы. К первой группе относятся повреждения, возникшие при изготовлении или эксплуатации КПО (металлообрабатывающего оборудования) до аварии: износ рабочих поверхностей, следы контактной коррозии, забоины и т. п. Изучение этих повреждений облегчит определение непосредственных причин поломок. Ко второй группе — повреждения, возникшие при разрушения деталей. Анализ повреждений этой группы позволит восстановить ход процесса разрушения.

Изучение строения излома позволяет определить вид разрушения, получить дополнительные данные об условиях нагружения, оценить концентраторы напряжений, снижающие сопротивление детали разрушению.

Для установления вида разрушения важно определить характер излома. Признаками усталостного излома являются характерные зоны, линии и ступеньки на поверхности излома, блеск и мелкозернистая структура этой поверхности, зигзагообразные трещины на участках разрушенной детали или аналогичных деталях механизма, а также определенный срок службы детали до разрушения (не менее десятков тысяч нагружений, а чаще — сотни тысяч и миллионы циклов).

Характер и величину нагрузок определяют по расположению поверхности излома относительно действующих сил и контура детали, расположению и количеству различных зон на поверхности излома и т. п. Например, при скручивании вала от действия однократной перегрузки большой величины или от крутильных колебаний большой амплитуды поверхность излома располагается под углом 90° к оси вала. При развитии усталостного разрушения от длительного действия циклических перегрузок небольшой величины поверхность излома направлена либо под углом 45° к оси вала, либо частично параллельно оси вала и частично под углом 45°. При наличии на поверхности вала источников концентрации напряжений, расположенных перпендикулярно оси (например шлицевых, шпоночных соединений, резьбы), трещина может развиваться также перпендикулярно поверхности вала даже при действии‚ незначительных перегрузок. При анализе изломов необходимо учитывать, что перегрузка, вызвавшая усталостное разрушение, тем выше, чем большую площадь усталостного излома занимает доломленная зона и чем ближе к центру она смещена; чем больше в изломе ступенек и рубцов; чем дальше они расположены друг от друга; чем меньше выражены притертость и блеск поверхности излома.

Концентраторы напряжений обнаруживаются обычно в очаге разрушения или в местах изменения направления развития трещины.

Фокус излома располагается в зоне концентраторов, связанных с резким изменением контура детали (например дно кольцевой выточки или резьбы вала, основание шлицев и зубьев шестерен и т.д.), с плохим качеством поверхности (следы грубой обработки, шлифовочные трещины и ожоги, забоины, коррозионные раковины и т.д.).

Иногда повреждение развивается из начальных (зародышевых) дефектов материала: раковин, волосовин, флокенов, включений.

При оценке влияния концентратора напряжений на разрушение необходимо иметь в виду, что он является обычно фактором, способствующим разрушению, но не всегда единственным и главным. Сопоставляя случаи поломки аналогичных деталей, иногда можно выяснить степень влияния концентратора напряжений и других факторов на возникновение излома.

Установление причин разрушения деталей КПО (металлообрабатывающего оборудования) начинается после того, как определен вид разрушения и выявлены характерные обстоятельства поломки, на основе обобщения всей собранной информации устанавливаются причины разрушений.

Разрушение деталей объясняется, с одной стороны, неполнотой и неточностью данных о нагрузках, с другой — отклонением фактической прочности деталей от расчетных значений под влиянием различных факторов, недостаточно учитываемых при проектировании.

Причины снижения прочности могут быть связаны с конструкцией и расчетом, технологией изготовления, эксплуатацией и ремонтом как самих деталей, так и механизма пресса, в состав которого входят эти детали.

Классификация причин по признаку этапов создания и эксплуатации оборудования и (или) технологической оснастки облегчает накопление и систематизацию данных о поломках, определяет направление работ по устранению дефектов и повышению надежности КПО (металлообрабатывающего оборудования).

В конечном счете действие различных причин приводит к возникновению дополнительных усилий, концентраций напряжений, неблагоприятному распределению остаточных (внутренних) напряжений, снижению механических свойств материала и искажению геометрической формы детали, ослабляющим опасное сечение.

При отнесении причины разрушения к той или иной группе или подгруппе следует иметь в виду возможность совместного действия и взаимозависимость различных причин. Поэтому предлагаемая классификация является условной и в зависимости от конкретных обстоятельств может быть уточнена. Поскольку невозможно установить общие правила определения истинных причин аварий по предварительно собранным данным о разрушениях, ниже приводится ряд характерных примеров поломок деталей прессов (станков) и причин их возникновения.

1. Конструкционные причины связаны с недостатками конструкции КПО (металлообрабатывающего оборудования), отдельного механизма или детали, а также с неправильным выбором материала детали и способа ее упрочнения:

а) расположение геометрических концентраторов напряжений и ослабление сечения на наиболее нагруженных участках детали — поломки главного вала (шатунная шейка); разрушение тела маховика, установленного на главный вал (коленчатый или другой в зависимости от конструкции пресса) по шпоночному пазу;

б) неправильный выбор материала и способа упрочняющей термообработки, приводящий к несоответствию прочности или износостойкости детали условиям ее нагружения — поломки главных валов КПО, изготовленных из стали 40Х.

в) использование в проектировочных расчетах характеристик прочности материала деталей, полученных по результатам стандартных испытаний образцов, а не соответствующих характеристик реальных деталей, выявленных при натурных испытаниях.

2. Технологические причины связаны с несовершенством принятых технологических процессов и с недостатками изготовления и монтажа деталей и узлов:

а) дефекты материала, нерациональные схемы и режимы термообработки, ведущие к невыполнению заданных при проектировании технических условий и т.д.; поломки кронштейнов и корпусных деталей КПО (металлообрабатывающего оборудования) из-за дефектов литья; поломки «по телу» крепежных соединений узлов прессов (муфта): шпильки, болты и т.д., не прошедших термообработки; поломки пружин из катанки, прутка в конструкциях муфт некоторых прессов (станков) из-за попадания на обработку деталей холодно — или горячедеформированным способом без предварительной и последующей термообработки;

б) погрешности механической обработки (искажение геометрической формы деталей, следы грубой механической обработки) — поломки валов отдельных экземпляров прессов из-за недопустимого биения, искажения формы вала, подрезания галтельных переходов, рисок, шлифовальных трещин и ожогов;

в) дефекты монтажа (перекосы, неправильная посадка, неправильная фиксация и регулировка деталей и узлов, повреждения поверхности деталей и т.д.) — поломки подшипников прессов (станков) различных моделей из-за перекосов валов и колец подшипников.

3. Эксплуатационные причины включают нарушения правил эксплуатации КПО (металлообрабатывающего оборудования), работающего в условиях, соответствующих его назначению, и случаи эксплуатации КПО (станков и технологических металлообрабатывающих комплексов) в условиях, не соответствующих его назначению:

а) неправильная наладка — поломки и повреждения из-за перегрузки главных валов (усилие, несоответствующее номинальному или при установке несоответствующего штампа, который должен устанавливаться на более мощном прессе);

б) использование пресса (станка) при постоянном тяжелом режиме работы — поломки деталей механизма главного привода, «посадки» пресса.

В качестве примеров повреждений, возникающих в результате одновременного действия нескольких причин, можно привести поломки зубчатых соединений, связанных как с дефектами термообработки зубчатого венца (технологическая причина), так и действием значительных динамических перегрузок (конструкционная причина).

Анализ эксплуатационных разрушений металлических деталей КПО (металлообрабатывающего оборудования) возможен после проведения предварительно подготовленных мероприятий по изъятию разрушенных деталей разобранного узла, элемента гидравлической или пневматической схемы и фрактографического исследования, предложенного авторами Гордеевой Т. А., Жегиной И. П. [12].

Категоричными в данном случае являются требования к качеству и достаточной для достоверности (воспроизводимости другими исследователями) полноте объема диагностических мероприятий по установлению причины поломки или аварии.

По данным Кальнера В. Д. и др. [28] при применении методов неразрушающего контроля при арбитражном и экспертном анализе видов дефектов стальных деталей, разрушенных в процессе эксплуатации следует руководствоваться следующими рекомендациями:

трещины (усталостные и др.):

открытые с поверхности — магнитный (желательно люминисцентный); токовихревой; ультразвуковой; капиллярный; рентгеновский;

внутренние — токовихревой; ультразвуковой; рентгеновский; точечные коррозионные или эрозионные поражения;

фреттинг-коррозия — магнитный (только люминисцентный);ультразвуковой; капиллярный; рентгеновский;

механические повреждения поверхности — ультразвуковой; визуально-оптический;

растрескивание и межкристаллитная коррозия — токовихревой; ультразвуковой; капиллярный; рентгеновский;

флокены в изломе — магнитный; токовихревой; ультразвуковой.

Согласно данным Шестопаловой Л. П., Лихачевой Т. Е. [69] для исследования изломов применяют как традиционные методы макро — и микроанализа, так и методы физического металловедения с использованием сложнейшего электронно-вакуумного оборудования. Значительное развитие получили методы количественного автоматического исследования изломов с использованием компьютеров.

Эти исследования позволяют дать сравнительную оценку характера разрушения и вида излома, выяснить причины и природу отклонения вида излома от оптимального, определить способы предупреждения этих отклонений.

Известны следующие методы изучения поверхностей разрушения и зон материала, непосредственно примыкающих к излому:

1) макро — и микроскопическая фрактография — изучение поверхности разрушения невооруженным глазом или с применением увеличения до 20—60 раз, а также изучение поверхности излома с применением оптического микроскопа при увеличении от 100 до 1500 раз и электронного микроскопа при увеличении от 20 до 2000 раз и более;

2) непосредственное измерение и фотометрирование геометрии поверхности разрушения, т.е. измерение шероховатости и ориентации элементарных участков на поверхности изломов;

3) измерение твердости, определение химического состава металла и распределения химических элементов с помощью рентгеноспектрального микроанализа;

4) электрохимические, рентгенографические, электроиндукционные, магнитные, микромеханические и другие методы для локального исследования фазового состава, искажений кристаллической решетки, механических и физических свойств материала;

5) анализ микроструктуры с целью определения соответствия материала разрушенной детали заданным требованиям, определения глубины обезуглероженного слоя.

Примерный перечень последовательности действий при проведении фрактографического исследования

1. Составление схемы разрушения, выявление первичного разрушения; определение на детали места расположения излома, в частности, не совпадает ли место разрушения с зоной действия наибольших напряжений, имеются ли в детали конструктивные концентраторы напряжений, как взаимно расположены концентраторы и место излома, а также очаг излома.

Конец ознакомительного фрагмента.