Краткие сведения из теории

Под изломом понимается внешний вид поверхности разлома металла, образовавшегося при разрушении детали механическим воздействием. Разлом имеет две таких поверхности. При совмещении частей сломанной детали эти поверхности плотно прилегают друг к другу, и разлом наблюдается в виде трещины.

По цвету, характеру рельефа и другим признакам изломы металлов не одинаковы. Например, мягкая сталь при разрушении в условиях медленного нагружения дает вязкий излом, а при динамической разрушающей нагрузке - хрупкий.

На вид излома влияют многие факторы: структурное состояние металла, химический состав, наличие дефектов, технология обработки, условия нагружения и др. Зная это влияние, по излому можно судить о качестве металла, его соответствии условиям работы, правильности выбранной технологии изготовления детали, установить неполадки технологического процесса, условия и причины, способствовавшие разрушению детали и пр. Изучение излома позволяет ответить на ряд важных вопросов, не прибегая к более сложным и дорогостоящим методам исследования (механическим испытаниям, микроскопическому исследованию и др.). В этом - значение и цель анализа по изломам.

Виды изломов, встречающихся в производственной практике: вязкий, хрупкий, смешанный, транс- и межкристаллический, крупно- и мелкозернистый, нафталинистый, камневидный, шиферный, черный, усталостный, с флокенами, с закалочной трещиной и др.

Макроанализ по излому состоит в рассмотрении излома невооруженным глазом (или с помощью лупы) и определении вида излома. Анализ выполняется по специально приготовленным, а также аварийным изломам. Различают продольные и поперечные изломы: продольные - изломы по направлению течения металла при пластической деформации (прокатке, штамповке и др.), поперечные - в перпендикулярном направлении. Из сказанного следует, что для выполнения макроанализа по изломам необходимо знать отличительные особенности и условия возникновения изломов различных видов.

По строению рельефа различают вязкие, хрупкие и смешанные изломы.

Вязкий излом свидетельствует о значительной пластической деформации перед разрушением. Размер поперечного сечения вблизи разлома уменьшается, появляется шейка. Наличие шейки – признак вязкого разрушения. Волокна при этом вытягиваются, разрушение их происходит с образованием матовых, большей частью темных площадок разрушения. В изломе наблюдается волокнистость. Поэтому вязкие изломы называют также волокнистыми. Они не имеют кристаллического блеска (рисунок 7, а). Вязкий (волокнистый) излом - признак доброкачественной структуры.

 

в)

б)

а)

Рисунок 7 - Изломы стали:а – вязкий; б – хрупкий; в – смешанный

 

Хрупкий излом (рисунок 7, б) является результатом хрупкого разрушения, происходящего без заметной пластической деформации. Поэтому хрупкие изломы не имеют волокнистой структуры, они кристалличны. Поверхность хрупкого излома состоит из множества гладких площадок-фасеток, не искаженных пластической деформацией, что обусловливает их хорошую отражательную способность и блестящий вид хрупкого излома. Хрупкие изломы называют также кристаллическими. Практически хрупкому излому всегда предшествует небольшая пластическая деформация. В чистом виде хрупкие изломы наблюдаются у некоторых неметаллических материалов, например, у мрамора, стекла.

Смешанный излом (рисунок 7, в) - излом, имеющий участки хрупкого и вязкого разрушения.

В свою очередь, среди хрупких (кристаллических) изломов различают:

1 Транскристаллический - излом, проходящий по телу зерна. Это наиболее частый случай хрупких изломов.

2 Межкристаллический - излом, при котором разрушение идет по границам зерен. Его называют также интеркристаллическим (рисунок 8).

Рисунок 8 - Хрупкий межкристаллический излом

3 Крупнозернистый - излом, образованный гранями крупных зерен. Вид его блестящий. Как правило, такой излом - признак недоброкачественной структуры с пониженными механическими свойствами. Например, крупнозернистая сталь имеет пониженную ударную вязкость. Крупнозернистая структура может возникнуть при нарушении технологии обработки: перегреве стали в процессе термической обработки, рекристаллизационном отжиге и др. Литая сталь имеет крупнозернистую структуру. Крупнозернистый излом называют также грубозернистым и крупнокристаллическим.

4 Мелкозернистый - образован гранями мелких зерен. Вид излома - матовый, фарфоровидный, а у некоторых легированных сталей (шарикоподшипниковых, быстрорежущих и др.) имеет шелковистый, бархатистый отлив. Мелкозернистый излом - признак доброкачественной структуры. Прочностные характеристики мелкозернистой стали более высокие, чем у крупнозернистой. Мелкозернистый излом называют также мелкокристаллическим. Он наблюдается, например, у стали, прошедшей закалку.

5 Нафталинистый - хрупкий транскристаллический излом, по внешнему виду напоминающий блестки нафталина (рисунок 9). Появляется у быстрорежущих и других сталей при нарушении режима термической обработки.

 

Рисунок 9 - Нафталинистый излом быстрорежущей стали

 

6 Камневидный - хрупкий межкристаллический излом, имеющий крупнозернистое строение. Называется также бугорчатым изломом. Наблюдается у нормализованной или улучшенной конструкционной стали в случае ее предварительного перегрева при горячей механической обработке. Трещина разрушения проходит по границам объемов, соответствующих крупным зернам аустенита, существовавшим в момент перегрева. Камневидный излом - признак недоброкачественности структуры.

Встречается ряд специфических изломов: шиферный, черный, усталостный, с флокенами и закалочными трещинами и др.

7 Шиферный (слоистый) - характеризуется древовидным расположением волокон в продольных изломах стали (рисунок 10).

 

 

Рисунок 10 - Шиферный излом стали

Наличие шиферности понижает механические свойства металла в направлении, перпендикулярном волокнам, она чаще встречается в изломах среднеуглеродистой стали. Шиферный излом - признак недоброкачественности структуры, загрязненности металла неметаллическими включениями и насыщенности газами.

8 Черный - характеризуется наличием темных участков на изломе, которые получаются вследствие выделения графита. Последнее связано с рядом факторов: высоким содержанием углерода и кремния в стали, длительным отжигом при низких температурах, закалкой с последующим отпуском при 700 °С и др.

9 Усталостный - получается при разрушении изделия в результате повторно-переменного (циклического) многократного нагружения (рисунок 11). При этом наблюдаются: очаг разрушения 1, зона постепенного развития усталостной трещины 2 и зона долома 3.

 

Рисунок 11 - Усталостный излом штока компрессора:

1 – зона зарождения трещины; 2 – зона распространения трещины; 3 – зона долома

Очаг разрушения - зона зарождения усталостной трещины (см. рисунок 11). Для этой зоны характерны наибольший блеск и мелкозернистое строение поверхности. В очаге разрушения часто образуются радиально расходящиеся складки и рубцы. Ориентация складок и рубцов позволяет определить место зарождения усталостной трещины. Появлению усталостной трещины способствуют концентраторы напряжений (риски, забоины, трещины, прожоги, неметаллические включения, газовые пузыри и др.). Трещина может зародиться как на поверхности, так и внутри детали.

Зона постепенного развития усталостной трещины (см. рисунок 11) характеризуется наличием усталостных линий, представляющих волнообразные концентрические следы продвижения усталостного излома, расходящиеся от очага разрушения. Поверхность этой зоны гладкая, часто блестящая.

Зона долома - зона окончательного разрушения (см. рисунок 11). Усталостная трещина, развиваясь, постепенно ослабляет поперечное сечение детали. Наступает момент, когда оставшегося, не пораженного трещиной сечения становится недостаточно для восприятия действующих нагрузок. Происходит окончательное разрушение. Оно протекает с большой скоростью. Зона долома имеет обычно признаки хрупкого разрушения. Лишь у очень пластичных металлов она имеет волокнистое строение. Таким образом, в усталостном изломе объединено несколько видов изломов.

10 Излом с флокенами представлен на рисунке 12. Флокены - дефекты в виде трещиновидных нарушений сплошности металла. В продольном изломе эти дефекты обнаруживаются в виде блестящих серебристо-белых пятен овальной или круглой формы размером в поперечнике от 2 до 50 мм. Пятна представляют собой внутреннюю поверхность трещины (рисунок 12, а). На поперечной полированной и протравленной поверхностях эти дефекты видны в виде волосяных трещин (рисунок 12, б). Флокены встречаются в кованых и катаных заготовках некоторых легированных сталей (хромистых, хромоникелевых, хромомарганцовистых и др.). Флокены ухудшают механические свойства стали: предел прочности, пластичность и ударную вязкость.

 

 

 

Рисунок 12 - Флокены в стали:

а – вид по излому; б – после глубокого травления

11 Излом с закалочной трещиной (рисунок 13) имеет два характерных участка: темный - окисленная поверхность закалочной трещины и светлый - мелкозернистый хрупкий излом, образовавшийся при доломе сечения. Закалочная трещина возникает при нарушении технологии термической обработки, когда внутренние напряжения сильно возрастают, достигая предела прочности. Примером такого нарушения является чрезмерно высокая скорость охлаждения при закалке стали. Образование поперечной закалочной трещины в рельсе связано с местным нагревом рельса до закалочной температуры при буксовании колеса локомотива и последующим очень быстрым отводом тепла в окружающий холодный металл.

 

 

Рисунок 13 - Излом закаленных образцов:

а – при недогреве; б – при нормальном нагреве