![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Краткие теоретические сведения. Фрактография - это наука, изучающая строение изломов
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 (рис. 3.1 а). Вблизи поверхности изломов имеется утяжка (сужение или «шейка») 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. 3.2 а), образуя характерный ямочный микрорельеф, наблюдаемый на поверхности вязких изломов в электронном микроскопе (рис. 3.2 б).
Рисунок 3.2 – 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)
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 (рис. 3.1 б). Утяжка вблизи поверхности изломов практически отсутствует (величина относительного сужения не превышает 1, 5 %). 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) по механизму скола (рис. 3.2 в), и интеркристаллитное (межзеренное) по границам зерен (рис. 3.2 д). Транскристаллитный скол происходит путем отрыва; на поверхности излома при большом увеличении видны фасетки скола (рис. 3.2 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. 3.2 е).
Разрушение в интервале вязко-хрупкого перехода (вязко-хрупкое разрушение). При понижении температуры испытания многие материалы с ОЦК 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. 3.3).
Изломы, полученные в интервале вязко-хрупкого перехода, называют вязко-хрупкими. Они содержат одновременно как хрупкую, так и вязкую составляющие. В зависимости от структуры испытуемого металла, вязко-хрупкие изломы могут содержать сосредоточенные области вязкого и хрупкого разрушения (сосредоточенное разрушение) или рассредоточенные области (рассредоточенное разрушение) (рис. 3.4). Различают нижнюю (Тнхр) и верхнюю (Твхр) критические температуры хрупкости (рис. 3.3). За Твхр принимают температуру, при которой на поверхности изломов образуются первые участки вязкой составляющей; за Твхр 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.
Рисунок 3.4 – Общий вид сосредоточенного (а) и рассредоточенного (б) вязко-хрупких изломов стальных образцов.
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 на поверхности усталостных изломов можно наблюдать в электронном микроскопе (рис. 3.5).
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. 3.6).
Первая зона, непосредственно прилегающая к очагу разрушения, называется зоной стабильного (медленного) роста трещины (рис. 3.6 а). Она имеет очень маленькую шероховатость поверхности. Скорость роста трещины в данной зоне низкая (рис. 3.6 б). За зоной стабильного роста трещины следует зона ускоренного развития (рис. 3.6 а), отличающаяся большой шероховатостью поверхности и более темным цветом. Скорость роста трещины в пределах данной зоны резко возрастает (рис. 3.6 б). Микрорельеф ее состоит из участков, характерных как для усталостного разрушения, так и участков статического разрушения. Зона долома (рис. 3.6 а) образуется при однократном разрушении детали, сечение которой ослаблено (уменьшено) усталостной трещиной. Микрорельеф в зоне долома может быть вязким или хрупким. Если уровень циклической нагрузки невысокий, то на поверхности изломов можно наблюдать все три вышеуказанные зоны (рис. 3.6 а, в); если высокий – то только две зоны: ускоренного развития и долома (рис. 3.6 г).
|