Краткие теоретические сведения

Фрактография это наука, изучающая строение из­ломов. Изломом называется поверхность, образующаяся в результате разрушения твердых тел. Изучение строения изломов невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30-50 раз) относят к области макрофрактографии; изучение изломов при больших увеличе­ниях (как правило, в электронных микроскопах) к микрофрактографии. Поскольку вид излома в определенной мере представляет со­бой своеобразную фотографию процессов, которые происходили при разрушении исследуемого объекта, фрактография является одним из основных источников информации о причинах и характере разрушения, о качестве металла и способности сопротивляться при­ложенным нагрузкам.

Различают три основных вида разрушения металлических матери­алов: вязкое, хрупкое, усталостное. Соответствующим образом клас­сифицируют и полученные изломы: вязкие, хрупкие и усталостные. Каждому виду разрушения соответствует определенный механизм (или механизмы) разрушения.

 

Вязкое разрушение. Вязкое разрушение всегда сопровождается большой пластической деформацией материала на стадии зарождения и распространения трещины. Поэтому вязкие изломы имеют большую шероховатость, темный матовый цвет и волокнистое строение. Вбли­зи поверхности изломов имеется утяжка (сужение), вследствие про­текания макроскопической деформации образца или детали. Как пра­вило, вязко разрушаются материалы с ГЦК-решеткой, а также, в определенных условиях, материалы с ОЦК-решеткой, например, мяг­кие стали при комнатной и повышенных температурах.

Вязкое разрушение начинается с образования пор, которые при дальнейшем увеличении нагрузки соединяются (рис. 4.1 а), образуя характерный ямочный микрорельеф, наблюдаемый на поверхности вяз­ких изломов в электронном микроскопе (рис. 4.1 б).

Вязкое разрушение относится к энергоемкому разрушению, т.к. большая часть энергии затрачивается на пластическую деформацию материала. Поэтому вязкий излом свидетельствует о высоком уровне нагрузки, предшествующей разрушению, и о хорошем сопротивлении материала развитию трещины.

Хрупкое разрушение. Хрупкое разрушение относят к одному из самых опасных видов разрушения. Оно происходит при небольших наг­рузках с очень высокой скоростью. Скорость хрупкой трещины сос­тавляет примерно 0,4 от скорости распространения звука в металле. Сопротивление макропластической деформации практически отсутст­вует. Поэтому хрупкие изломы имеют небольшую шероховатость, свет­лый цвет, кристаллическое строение с металлическим блеском. Утя­жка (сужение) вблизи поверхности изломов практически отсутствует (величина относительного сужения не превышает 1,5 %).

 

 

Рисунок 4.1 – Механизм разрушения и соответствующий макрорельеф вязкого (а, б) и хрупких (в - е) изломов. а, б- ямочное разрушение; в, г- скол (транскристаллитное хрупкое разрушение); д, е- межзеренное (интеркристаллитное хрупкое разрушение)

 

 

При хрупком разрушении металл из-за потери пластичности плохо сопротивляется распространению трещины, поэтому ненадежен в эксплуатации. К основным причинам, вызывающим охрупчивание металлических материалов, следует отнести: низкие температуры эксплуатации (в основном для материалов с ОЦК- и ГПУ-решеткой, испытывающих хладноломкость); высокие скорости нагружения (удар, взрыв и т. д.); наличие в образце или детали концентраторов напряжения (острых надрезов, трещин и т, д.); большая толщина детали (масш­табный фактор); структурное состояние материала (например, от­пускная хрупкость, наличие примесей по границам зерен). Все пе­речисленные факторы (кроме некоторых случаев структурного состояния) создают жесткое напряженное состояние материала, зат­рудняющее пластическую деформацию и охрупчивающее материал.

Хрупкое разрушение подразделяют на транскристаллитное (по телу зерна), проходящее по механиз­му скола (рис.4.1 в), и интеркристаллитное (межзеренное), проходящее по границам зерен (рис. 4.1 д). Транскристаллитный скол происходит путем отрыва; на поверхности излома при большом увеличении видны фасетки скола (рис. 4.1 г). Межзеренное хрупкое разрушение наблюдается в тех случаях, когда границы зерен ослаблены вследствие расположенных на них выделений или загрязнений; под микроскопом видны границы зерен (рис. 4.1 е).

 

Разрушение в интервале вязко-хрупкого перехода (вязко-хруп­кое разрушение). При понижении температуры испытания многие ма­териалы с ОЦК- и ГПУ-решеткой испытывают хладноломкость, т. е. переходят из пластичного состояния в хрупкое.

Для большинства материалов такой переход наблюдается в неко­тором интервале температур, называемом интервалом вязко-хрупкого перехода. В этом интервале температур характеристики сопротивления материала развитию трещины (ударная вязкость КСU и процентное содержание вязкой составляющей в изломе В) изменяются S-образно (рис. 4.2).

 

Рисунок 4.2 – Схема вязко-хрупкого перехода

 

Изломы, полученные в интервале вязко-хру­пкого перехода, назы­вают вязко-хрупкими, или смешанными. Они содержат одновременно как хрупкую, так и вязкую составляющие (см. рис. 4.2), В зависи­мости от структуры испытуемого металла, вязко-хрупкие изломы мо­гут содержать сосредоточенные области вязкого и хрупкого разру­шения или рассредоточенные (рис. 4.3).

 

Рисунок 4.3 – Схемы ударных изломов, полученных в интервале вязко- хрупкого перехода. а- сосредоточенная вязкая область; б- сосредоточенная хрупкая область; в- рассредоточенные области вязкого и хрупкого разрушения

 

Различают нижнюю (Т^н_хр) и верхнюю (Т^в_хр) критические темпе­ратуры хрупкости (см. рис. 4.2). За Т^в_хр принимают температуру, при которой на поверхности изломов образуются первые участки вязкой составляющей; за Т^в_хр температуру, при которой вся поверхность излома становится вязкой. Верхняя и нижняя критические температуры хрупкости играют большую роль при оценке работоспособности материала в интервале вязко-хрупкого перехода.

 

Следует заметить, что вяз­ко-хрупкое разрушение не сле­дует относить к особому виду разрушения. Оно представляет собой лишь переходное (промежуточное) состояние от вязкого к хрупкому.

 

Усталостное разрушение. Усталостное разрушение развивается в конструкциях, подвергающихся действию знакопеременных (циклических) нагрузок, величина которых может быть значительно ниже предела текучести материала. Зарождение усталостной трещины происходит, как правило, вблизи поверхности образца или детали. Хотя усталостные трещины могут зарождаться и на совершенно гладкой поверхности, их возникновение в сильной степени облегчается при наличии концентраторов напряжения. Дальнейшее распространение усталостной трещины вглубь образца происходит на небольшое расстояние (от долей микрона до нескольких десятков микрон) за каждый цикл нагружения. При этом на поверхности разрушения остается ряд последовательных полосок, называемых у с т а л о с т н ы м и б о р о з д к а м и, которые отражают положение фронта трещины за каждый цикл нагружения. Усталостные бороздки можно наблюдать в электронном микроскопе (рис. 4.4).

 

Рисунок 4.4 – Усталостные бороздки на поверхности излома стали

 

По мере увеличения длины усталостной трещины, рабочее сечение детали уменьшается, пока действующая нагрузка не приведет к окончательному ее разрушению (долому). Стадийность усталостного разрушения отражается на строении усталостных изломов. Характерной особенностью строения усталостных изломов является наличие на их поверхности от двух до трех усталостных зон, отличающихся цветом, шероховатостью и, самое главное, механизмом разрушения (рис. 4.5).

Первая зона, непосредственно прилегающая к очагу разрушения, называется зоной стабильного (медленного) роста трещины (рис. 4.5 а). Она имеет очень маленькую шероховатость поверхности. Скорость роста трещины в данной зоне низкая (см. рис. 4.5 б). За зоной стабильного роста трещины следует зона ускорен­ного развития (см. рис. 4.5 а), отличающаяся большой шероховато­стью поверхности и более темным цветом. Скорость роста трещины в пределах данной зоны резко возрастает (см. рис. 4.5 б). Микрорель­еф ее состоит из участков, характерных как для усталостного разрушения, так и участков статического разрушения. Зона долома (см. рис. 4.5 а) образуется при однокра­тном разрушении детали, сечение которой ослаблено (уменьшено) усталостной трещиной. Микрорельеф в зоне долома может быть вязким или хрупким.

 

в	г
Рисунок 4.5 – Схемы строения усталостного излома (а), изменения скорости распространения усталостной трещины (б) и общий вид усталостных изломов (в, г). 1- очаг разрушения; 2- зона стабильного роста трещины; 3- зона ускоренного развития; 4- зона долома

 

Если уровень циклической нагрузки невысокий, то на поверхности изломов можно наблюдать все три вышеуказанные зоны (рис. 4.5 а, в); если высокий – то только две усталостные зоны: ускоренного развития и долома (рис. 4.5 г).