16

1.

Фрактография.
Классификация изломов.
Основные понятия.

2.

ФРАКТОГРАФИЯ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Фрактография – область знаний о строении изломов
Макрофрактография - изучение изломов невооруженным глазом или при увеличении до х30
Микрофрактография - изучение изломов при больших увеличениях
(растровая или просвечивающая электронная микроскопия)
Излом – поверхность, образовавшаяся в результате разрушения образца, детали
или конструкции.
1. В строении излома находят четкое отражение все стадии процесса разрушения и поэтому
анализ строения изломов является единственным методом, с помощью которого после
окончания разрушения можно получить сведения о протекании этого процесса.
2. Излом выявляет зоны, где наиболее неблагоприятно сочетаются условия нагружения и
свойства материала, его способность к локальному сопротивлению разрушению, так как излом
это след магистральной трещины, оказавшейся решающей для разделения тела.
3. Строение излома отображает локальные условия разрушения в тонкой, примыкающей к
поверхности излома зоне, характеристика вида излома — хрупкий или вязкий — оценивает
степень микропластической деформации, прошедшей в процессе разрушения в тонком слое
вблизи поверхности разделения тела.

3.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
-
Анализ строения изломов применяется в основном для:
изучения закономерностей процесса разрушения, его механизма и кинетики;
изучения влияния структурных факторов и т. д.;
установления характера и причин эксплуатационных разрушений;
оценки качества материала.
Анализ излома, как правило, является одной из составных частей общего
исследования. Изучение изломов может дополняться и сопровождаться другими
физическими и механическими методами исследования.
При изучении кинетики разрушения целесообразно совмещать анализ изломов с анализом диаграмм разрушения «длина трещины - время», «длина
трещины - число циклов» и др.
Важное значение наряду с изучением изломов имеет также анализ трещин:
их траекторий, количества, распределения и т. д. что позволяет полностью
выявить поврежденные зоны тела.

4.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗЛОМОВ ПО ПРИРОДЕ СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Изломы, полученные
только от механической
нагрузки
Изломы, полученные от
совместного воздействия
механической нагрузки и
химических активных сред
Изломы, полученные от
термических
напряжений

5.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ХАРАКТЕРУ СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Изломы, полученные при
однократных видах нагружения, в
том числе:
- Изломы однократного
статического нагружения
- Изломы динамического
нагружения
- Изломы однократного
длительного нагружения
Изломы, полученные при
многократных видах нагружения:
- ударно-статические
- мало- и многоцикловые
усталостные
- ударно-циклические
- коррозионно-усталостные
- Термоусталосные
- другие
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ОРИЕНТАЦИИ ИЗЛОМА ОТНОСИТЕЛЬНО ОСИ
НАГРУЖЕНИЯ
Прямой –
хрупкое
разрушение
Чашечный –
Вязкое разрушение с
образованием губ среза
Косой –
Вязкое
разрушение

6.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Поверхность
разрушения
прямого
излома
ориентирована нормально к оси образца или
детали. Такой излом является характерным,
например, для хрупкого разрушения.
Поверхность разрушения косого излома наклонена
под углом к оси образца или детали, что
характерно
для
вязкого
разрушения
или
разрушения в условиях действия сдвигающих
нагрузок.
Поверхность прямого со скосами (чашечного)
излома обычно содержит участки прямого (в
центре образца или на начальной стадии разрушения) и косого разрушения, как правило,
вблизи боковой поверхности. Такой излом
образуется, например, при вязком разрушении с
образованием губ среза. К разновидности прямого
со скосами излома относится чашечный излом,
образующийся при растяжении гладкого образца.

7.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО МАКРОГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗЛОМА
– Однородный (без различимых зон и участков на поверхности излома)
– Неоднородный (при наличии вышеуказанных зон)
Имеет различные зоны и участки, отличающиеся по макрорельефу, цвету, иногда
по макроориентации, которые могут соответствовать различным стадиям
разрушения образца или детали. Граница между зонами может быть выявлена по
изменению цвета, блеска или шероховатости излома в разных зонах. Иногда граница не имеет четких очертаний.
– Шевронный (связан с несовпадением общего направления распространения
трещины в центральном сечении образца). Часто вызваны нестабильным, относительно быстрым развитием трещины. В центре образца наблюдаются
прямолинейные рубцы, развивающиеся в направлении роста трещины, а вблизи
боковой поверхности рубцы искривляются и следуют перпендикулярно
направлению роста

8.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
– Звездочкой. Связан с формированием радиальных рубцов, исходящих из
очага разрушения, обычно располагающегося в центре гладкого
цилиндрического образца, испытанного на растяжение. Такие рубцы могут
быть тонкими или грубыми, в зависимости от микроструктуры материала или
температуры испытания.
– Сложной формы (например, розеточный излом)

9.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ШЕРОХОВАТОСТИ И ЦВЕТУ ПОВЕРХНОСТИ
– Кристаллический (представляет собой однородную поверхность хрупкого разрушения
с блестящим кристаллическим строением без заметных признаков макропластической
деформации);
– Волокнистый (характеризуется наличием однородной поверхности вязкого
внутрезеренного разрушения с явно выраженными признаками пластической деформации
(волокнами) по всей поверхности разрушения и является типичным для вязкого
разрушения материала);
– Волокнисто-полосчатый (характеризуется наличием однородной поверхности вязкого
внутрезеренного разрушения с явно выраженными признаками пластической деформации
(волокнами) по всей поверхности разрушения и является типичным для вязкого
разрушения материала);
– Волокнисто-чешуйчатый (образуется, как и в случае волокнисто-полосчатого излома, в
материалах, различающихся анизотропией структуры и свойств при разрушении их по
плоскости, параллельной плоскости деформации. На поверхности излома наблюдаются
чешуйки с гладкой ровной поверхностью, имеющие вытянутую вдоль направления
деформации форму);
– Фарфоровидный (с мелкокристаллическим строением, разрешаемым визуально, имеет
сглаженную поверхность светло-серого цвета, похожую на поверхность разрушенного
фарфора. Образуется при разрушении стали с пониженной пластичностью и высоким
уровнем прочности);

10.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ШЕРОХОВАТОСТИ И ЦВЕТУ ПОВЕРХНОСТИ
– Камневидный (типичен для разрушения сталей, например
после пережога. Представляет собой однородную поверхность
разрушения, проходящую по зернограничным объемам,
образованным при высоких температурах и обогащенным
ограниченно растворимыми в аустените фазами в виде мелких
частиц или пленок – оплавленных эвтектик.
Камневидный излом имеет бугорчатое, грубозернистое
строение; металлический блеск отсутствует. Разрушение в этом случае происходит по
межзеренному механизму. Наблюдается в литой и деформированной стали);
– Бархатистый (встречается, например, при разрушении аустенитных сталей при низких
температурах, цветных сплавах и закаленных инструментальных сталей. Такой излом
внешне напоминает фарфоровидный излом; имеет мелкозернистое строение и гладкую
поверхность серого цвета с тусклым металлическим отливом, напоминающим бархат);
–
Нафталинистый (представляет собой однородную поверхность разрушения,
проходящую по кристаллографическим плоскостям образовавшегося при
высоких
температурах крупнозернистого аустенита и не имеющих явных признаков
макропластической деформации);
– Матовый
– Блестящий
– Серый, черный, синий и т.д.
– Прочие (древовидный, слоистый и т.д.)

11.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Усталостные изломы характеризуются наличием на их поверхности
усталостных зон, отражающие стадийность усталостного разрушения.
При больших напряжениях цикла, первоначально могут образоваться
несколько радиальных трещин, которые, соединяясь между собой, образуют
вблизи очага разрушения ступени сдвига и гребни, параллельные направлению
роста трещины. В общем случае процесс развития усталостной макротрещины
включает стадии медленного стабильного роста трещины (зона ls), ускоренного
нестабильного развития трещины (зона 1Г) и, наконец, стадию долома (зона ld),
разрушение в которой происходит по механизмам статического разрушения.
Зона долома наступает при достижении усталостной трещиной длины
критического значения If (If=ls + lr). Зону ls + lr называют зоной усталостного
развития трещины.

12.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Количество усталостных зон и их размеры зависят прежде всего от количества
циклов нагружения, которое выдержали образец или деталь до разрушения. В
области малоцикловой усталости на поверхности изломов образуются зона
усталостного развития трещины и зона долома. В области многоцикловой
усталости образуются две усталостные зоны: зона стабильного роста трещины и
зона ускоренного развития трещины, а также зона долома.
Форма усталостных зон зависит от конфигурации детали и схемы
приложенной нагрузки. Усталостный излом бывает обычно прямой (по крайней
мере, на стадии усталостного развития трещины) с малой степенью шероховатости
и почти без признаков сопутствующей разрушению макропластической
деформации.
В ряде случаев на усталостных изломах различают макролинии — остановки
фронта трещины, которые иногда называют полосами Форсайта (Forsight's bands)
или следами волны на пляже (beach marks). Эти макролинии образуются в
результате смены величины циклической нагрузки, механизма разрушения,
избирательного окисления или коррозии отдельных зон поверхности излома,
небольшой местной пластической деформации в областях высокой концентрации
напряжений у вершины трещины.

13.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Расположение и форма линий усталости и величина промежутков между ними могут
быть использованы для качественной оценки скорости роста трещины и установления
предыстории циклического нагружения деталей. Тонкие линии усталости, расположенные с
одинаковыми интервалами, свидетельствуют об относительно низкой скорости роста
трещины при минимальных отклонениях от постоянства условий нагружения. Линии
усталости, пересекающие основную часть излома, свидетельствуют о низких циклических
нагрузках или о перераспределении нагрузки, если существует другой путь распространения трещины.

14. Фрактография. Методы и порядок проведения исследований

15.

МЕТОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИЗЛОМОВ
1. Визуальный осмотр, фотографирование
- Позволяет выявить наиболее важные детали излома;
- Определить наличие механических повреждений как самого излома, так и
поверхности образца (детали), прилегающей к излому;
- Определить необходимость специальных способов очистки поверхности.
2. Изучение макростроения излома с помощью лупы или стереомикроскопа
- Выделение основных участков излома, имеющих характерное строение;
- Определение характера излома (прямой, косой, однородный, неоднородный,
шероховатый, волокнистый, кристаллический, звездочкой, шевронный,
камневидный, бархатистый, фарфоровидный и т.д.);
- Измерение величины характерных зон;
- Описание траектории разрушения.
3. Изучение микростроения поверхности разрушения
- Исследование методом растровой электронной микроскопии;
- Исследование методом просвечивающей электронной микроскопии;
- Исследование методом рентгеноструктурного анализа

16.

ПОДГОТОВКА ОБЪЕКТОВ
Проводящие (металлические) образцы обычно не требуют специальной
подготовки, и могут быть непосредственно помещены в камеру микроскопа. Если
требуется, образцы могут подвергаться очистке. Для обозрения внутренней
структуры и (или) использования микрорентгеноспектрального анализа могут быть
приготовлены шлифы.
Порошки и наночастицы наносятся на зеркального качества поверхности
(стекло, пластик, слюда и др.) в виде взвеси в воде или органическом растворителе.
После высыхания жидкости образец может быть использован в микроскопе.
Порошки с более крупными частицами могут наноситься на проводящий
углеродный скотч.
Непроводящие образцы обычно подвергаются напылению тонкого
проводящего слоя для снятия заряда и экранирования падающего пучка от
накопленного в объёме материала заряда. Для проводящих покрытий чаще всего
используют углерод, золото или сплав золота с палладием. Первый полезен для
рентгеновского микроанализа. Напыление золота или сплава на его основе
позволяет получать микрофотографии с бо́льшим увеличением и контрастом
(чаще всего без собственной визуализации).
Если невозможно напыление пленки на образец, то в РЭМ с переменным
вакуумом возможно снятие заряда с образца ионами вводимых в камеру газов
(обычно водяные пары или азот). Накопления заряда на образце так же можно
избежать при работе при низких ускоряющих напряжениях (обычно порядка 1кВ).

17.

Остаточная намагниченность, особенно в деталях из сплавов железа и
никеля, подвергавшихся намагничиванию при дефектоскопировании, весьма
нежелательна. Если исследуемая деталь или часть ее не размагничены, то
будет происходить дефокусировка зонда и, как следствие, резкое снижение
разрешающей способности.
При исследовании в РЭМ пластиковых реплик на изучаемую поверхность (путем вакуумного напыления или иным методом) наносят
сплошное электропроводное покрытие из некорродирующего металла
(палладия, платины или смеси угля и платины) толщиной около 100 А.
Нанесение электропроводных покрытий может быть также рекомендовано
перед исследованием металлической поверхности, покрытой непроводящим
слоем продуктов коррозии, оставшимся после очистки. Обычно чистый
металлический образец можно прямо устанавливать в РЭМ, обеспечив
электрический контакт с держателем.

18.

1. Сохранение поверхности разрушения
Организация хранения в условиях,
Сбор и описание (фотофиксация)
положения фрагментов разрушенной исключающих
- Механическое повреждение
детали относительно друг друга
поверхности излома;
- Коррозионное (химическое) повреждение
Для сохранения изломов применяются как эксикаторы, так и специфические
методы защиты от повреждений поверхности разрушения – нанесение лаковой
пленки, покрытие солидолом (тавотом); покрытие тектилом,
ацетатом целлюлозы и т.д.
2. Очистка поверхности разрушения перед исследованием
-
Обдувка сухим сжатым воздухом;
Промывка органическими растворителями (толуол, ацетон, спирты);
Промывка с ПАВ в ультразвуковых ваннах;
Слабое химическое травление;
Размагничивание образцов с остаточной намагниченностью

19.

При исследовании объектов в РЭМ следует придерживаться следующих
рекомендаций:
Образец следует устанавливать в держателе таким образом, чтобы
рассматривать детали разрушения в направлении преимущественного
развития излома.
Каждый излом при распространении магистральной трещины
сопровождается образованием вторичных трещин, которые образуют
ответвления ог основного преимущественного направления,
неравномерно расходящиеся в глубину.
Вторичные трещины хорошо видны при визуальном наблюдении. Это
относится также к ветвящимся микротрещинам в усталостных изломах.
Самые свежие области излома выявляются наиболее отчетливо. Поэтому
целесообразно осматривать его на заключительной стадии, отвечающей
долому. Кроме того, в большинстве случаев напряжение у вершины
распространяющейся трещины непрерывно увеличивается. Это связано с
расширением фронта распространения излома и уменьшением поперечного
сечения объекта. В этой связи опасные признаки разрушения на стадии
долома более явно выражены.

20.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Классификация основных видов механического разрушения
Классифицирующий признак
По характеру силового воздействия:
Нагрузка монотонно изменяется, периода постоянной нагрузки нет или он мал
относительно периода разрушения;
Нагрузка периодически и многократно изменяется в процессе разрушения
По ориентировке макроскопической поверхности разрушения при разных
способах нагружения
(растяжение, сжатие, изгиб, кручение и др.):
Макроскопически поверхность разрушения перпендикулярна направлению
растягивающих напряжений (деформации) при крайне малом пластически
деформированном объеме в зоне разрушения;
поверхность наклонена под углом ~45° к направлению растягивающих
напряжений
По локальности разрушения (соотношение размеров разрушенной зоны и
структурных элементов)
По пластической деформации, предшествующей разрушению
По структурному расположению поверхности разрушения
По степени развития разрушения
По влиянию внешней среды
Вид разрушения
Кратковременное однократное статическое;
длительное однократное замедленное и
статическое
Усталостное
Отрыв
Срез
Субмикроскопическое (III рода);
Микроскопическое (II рода);
Макроскопическое (I рода)
Хрупкое; макрохрупкое, но микропластическое;
пластическое (вязкое)
Внутризеренное, межзеренное, смешанное
Начальное – поверхность трещины значительно
меньше площади сечения тела;
Развитое (в т.ч. полное)
Вызванное понижением поверхностной энергии
(наличие легкоплавких покрытий, охрупчивание
жидкими металлами (эффект Ребиндера));
коррозией; связанное с облучением

21.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Направления максимальных упругих удлинений и касательных напряжений,
а также траектории макрохрупкого и вязкого разрушения
при разных способах нагружения

22.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
У плоских образцов, вырезанных из листа, объемного напряженного
состояния вовсе не возникает или оно выражено слабо и поэтому большей
частью разрушение происходит путем среза.
Схемы различных видов разрушения при разрыве
плоских образцов из листовых материалов

23.

Фрактография.
Особенности разрушения.

24.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
При изучении поверхности излома можно получить следующую информацию,
относящуюся к процессу разрушения:
а) оценить уровень разрушающего усилия;
б) определить степень деформации при разрушении;
в) установить причины, вызывающие ослабление материала на пути распространения разрушения.
Изучение профиля распространения трещины дает информацию об очень
ограниченном участке, но дает исключительно важные данные о при взаимосвязи
направления распространения разрушения с микроструктурой. Обширную
информацию дает исследование под микроскопом полированной и травленой
боковой поверхности излома, перпендикулярной к поверхности разрушения.

25.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
При внутризеренном (транскристаллитном) развитии трещины возможны
следующие основные механизмы разрушения, характеризуемые определенными
деталями или особенностями рельефа:
—
ямки, образующиеся путем слияния микропор;
—
отрыв с образованием гребней отрыва;
—
скол, образование ручьистого микрорельефа (фасеток скола);
—
язычки скола и очаги вторичной трещины;
—
квазискол;
—
линии Валнера;
—
периодический рельеф, образование усталостных бороздок и квазибороздок;
—
фасетки циклического скола;
—
вторичные трещины;
—
траковые следы.
При межзеренном (интеркристаллитном) развитии трещины возможны
следующие основные механизмы разрушения:
—
вязкое межзеренное разрушение с образованием мелких ямок;
—
хрупкое межзеренное разрушение с образованием межзеренных фасеток;
—
вторичные трещины.
При смешанном – разрушение металлических материалов осуществляется
одновременно под действием двух или более механизмов.

26.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
ВЯЗКОЕ РАЗРУШЕНИЕ
Возникает при наличии большой предшествующей
пластической деформации;
характерно внутризёренное развитие трещины;
свойственна неоднородность строения;
При макроисследовании излом характеризуется :
- сильно шероховатой поверхностью;
- волокнистостью;
- имеет матовый цвет.
Микростроение излома характеризуется наличием
ямок, на дне которых часто присутствуют
неметаллические включения.
ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ
Возникает при наличии высоких значений нормальных
напряжений; характерно как внутризёренное
(внутрикристаллический скол), так и межзеренное
(интеркристаллитное) развитие трещины;
При макроисследовании излом характеризуется :
- блеском от фасеток, образовавшихся по
кристаллографическим плоскостям;
- окраска разнообразна от серебристых пятен флокенов
вплоть до черного при пережоге.
Микростроение излома характеризуется наличием
специфического рельефа, иногда образуются ручьистые
узоры, ступеньки.

27.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
При межзеренном (интеркристаллитном) хрупком разрушении трещина
проходит по границам зерен, в результате чего на изломе наблюдаются отдельные
зерна в виде межзеренных фасеток, которые имеют форму многогранников.
Такое разрушение часто сопровождается образованием вторичных трещин по
границам зерен.
Межзеренное хрупкое разрушение может быть вызвано различными
причинами – наличием хрупких выделений по границам зерен, трехосным
напряженным состоянием, воздействием активной среды, наличием водорода и др.

28.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Механизм ямочного разрушения
Ямки (dimples) на поверхности разрушения образуются путем слияния
микропор. Ямочный микрорельеф наиболее часто встречается, когда металл
разрушается при однократном нагружении или в тех участках, где имеет место
разрушение отрывом (например, в зоне ускоренного развития трещины при
усталостном нагружении).
Микропоры обычно зарождаются в процессе пластического течения на
включениях, нерастворенных частицах вторых фаз (например, карбидах), границах
зерен, в полосах деформации или в любых других местах, где наличие несплошности
приводит к концентрации пластического течения. Декогезия материала в месте
зарождения микропоры может происходить через частицу второй фазы или вдоль
границы раздела частица—матрица. По мере увеличения пластической деформации
микропоры растут, зарождаются новые; расстояние между крупными микропорами
уменьшается, тонкие гребни, разделяющие микропоры, разрываются, и происходит
разрушение. Образованные таким образом поверхности излома содержат
многочисленные чашеподобные углубления (ямки).
На форму ямок, образующихся при внутризеренном вязком разрушении, влияет
относительное направление максимального напряжения, вызвавшего разрушение.
Как правило, такие ямки подразделяют на три основные группы:
—
равноосные;
—
сдвига;
—
отрыва.

29.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Характерной особенностью вязкого разрушения являются медленное развитие
трещины и высокая энергоемкость разрушения как на стадии зарождения, так и на стадии
распространения трещины. Последнее обусловлено необходимостью затраты значительной
работы пластической деформации у вершины вязкой трещины. Вязкое разрушение является
преимущественно внутрезеренным, хотя, как было показано выше, может быть и
межзеренным. Зарождение вязкого разрушения в технических металлических материалах
связано с образованием в области локализованной пластической деформации (утяжки)
пористости материала. Как уже отмечалось, микропоры зарождаются преимущественно на
включениях, частицах второй фазы и границах зерен. При дальнейшем увеличении
напряжения поры расширяются и удлиняются, а стенки перемычек сужаются. Затем
перемычки между порами разрываются и образуются две поверхности излома, на которых
при большом увеличении видны «полупоры» в виде ямок.
Вышеуказанный микромеханизм вязкого разрушения металлических материалов
определяет макрофрактографическое строение вязких изломов. Вязкий излом состоит из
относительно плоской центральной части излома; в периферийной части образуются губы
среза; вблизи поверхности излома имеет место утяжка, отражающая макропластичес- кую
деформацию образца или детали при вязком разрушении.
При визуальном осмотре волокнистый излом имеет большую шероховатость,
металлический блеск отсутствует
одноосное
растяжение
внецентренное
растяжение
ямки, возникшие
при срезе

30.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Равноосные ямки образуются, например, в центральной части излома
образца, испытанного при одноосном растяжении. Па поверхности губ среза
можно наблюдать ямки, вытянутые в одном направлении. Такие ямки
называют ямками сдвига, которые на поверхности разрушения вытянуты в
одном направлении, а на сопряженной поверхности разрушения - в
противоположном.
Для ямок сдвига трудно идентифицировать место зарождения микропоры,
так как карбидная частица или ответственное за нее включение бывают
спрятаны под ее поверхностью, которая может быть деформирована или
сглажена в результате сдвигового смещения в процессе разрушения.
Ямки отрыва образуются в результате внецентренного напряженного
состояния, присущего, например, образцам с надрезом, испытанным на
вязкость разрушения или на ударную вязкость. Сильно вытянутые микропоры,
которые превращаются в ямки отрыва, правило, формируются в наблюдаемой
в начальной области роста трещине (в очаге разрушения).

31.

Схема влияния максимального напряжения на форму ямок, образующихся путем
слияния микропор:
а - равноосные ямки (растяжения); б - вытянутые ямки (сдвига);
в — удлиненные ямки отрыва («расклинивающий отрыв»);
1 - верхняя поверхность; 2 — нижняя поверхность; 3 — овальная ямка

32.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Размер ямок зависит от числа мест зарождения микропор и относительной пластичности матрицы.
На поверхности ямок видны признаки деформации - скольжение,
волнистость, зоны вытяжки. Скольжение происходит по нескольким почти
параллельным благоприятно ориентированным плоскостям, по мере
развития деформации отдельные плоскости скольжения сглаживаются и
образуют волнистую поверхность ямки. Дальнейшая деформация иногда
«стирает» детали рельефа, и возникает безрельефная поверхность боковой
стенки ямки.
Отрыв — это локальное разрушение, возникающее в результате нарушения распространения трещины по какому-либо другому механизму.
Отрыв имеет место в том случае, если небольшие участки или «связки»
(перемычки) сечения разрушаются путем пластического течения. Отрыв
часто наблюдается в тех случаях, когда позади главного фронта трещины
остались небольшие неразрушенные области. Такой вид разрушения
сопровождается образованием гребней отрыва, которые обычно имеют
острый край. В некоторых случаях отрыв может также приводить к
образованию плоских бесструктурных участков микрорельефа.

33.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Хрупкое разрушение
Хрупкое разрушение - это быстро протекающий неуправляемый процесс,
который часто является причиной аварийного разрушения деталей и элементов
конструкций. Зарождение и развитие хрупкой трещины может произойти
вследствие понижения температуры эксплуатации изделия, увеличения скорости
нагружения и большой толщины детали, наличия в изделии трещины или
трещиноподобных дефектов, присутствия в структуре материала вредных
примесей и некоторых других причин.
Большинство из перечисленных факторов увеличивают стесненность
пластической деформации, вызывая снижение пластических характеристик
материала. Особое место занимают водородное охрупчивание, коррозия под
напряжением, жидкометаллическое охрупчивание. В этих случаях, независимо от
структуры материала, разрушение происходит по межзеренному хрупкому
механизму.
Хрупкие изломы обычно имеют кристаллическое строение. Они блестящие
или имеют цвет фаз, расположенных по границам зерен; прямые, без видимых
признаков пластической деформации (отсутствие скосов и зон среза, связанных с
пластической деформацией). Утяжка материала вблизи излома отсутствует.

34.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Внутризеренное (транскристаллитное) хрупкое разрушение происходит по механизму
скола с образованием ручьистого микрорельефа. Скол представляет собой локальное
расщепление по определенным кристаллографическим плоскостям, которое происходит в
металлах, обнаруживающих слабую способность или полное отсутствие к поперечному
скольжению. Для большинства материалов с ОЦК-решеткой эта плоскость разрушения
относится к семейству {100}. Разрушение сколом с образованием фасеток скола (или
ручьистого микрорельефа), как правило, обнаруживается у металлов с ОЦК- или ГПУрешеткой. Разрушение сколом происходит обычно при низких температурах или больших
скоростях нагружения, когда у вершины трещины реализуется условие плоской деформации.
Трещины скола зарождаются в местах, где затруднено кристаллографическое скольжение, т. е.
на границах зерен, на пересечениях двойников, плоскостей скольжения, на включениях и
частицах второй фазы. Фасетки с ручьистым узором наблюдаются внутри зерен в виде ступенек
между участками трещины на параллельных плоскостях скола данного зерна. По мере
распространения через зерно участки трещины растут в ширину и приближаются друг к другу.
Ступеньки между плоскостями скола представляют собой места разрушения тонких перемычек,
соединяющих сблизившиеся участки трещины скола. Эти ступеньки сходятся в одну точку, от
которой начинается локальное развитие трещины, поэтому по их ориентации можно судить о
направлении распространения трещины на данном локальном участке.
Важной деталью микрорельефа разрушения сколом, наблюдаемой в основном в
железоуглеродистых сплавах, являются язычки скола и очаги вторичных трещин. Язычки скола
образуются в результате локального отклонения трещины от плоскости скола при пересечении
границы между двойником деформации и матрицей.

35.

Фасетки скола
Фасетки с ручьистым узором
Язычки скола
Фасетки квазискола
По механизму квазискола разрушаются, как правило, закаленные и
отпущенные стали, в структуре которых имеются дисперсные карбидные
включения, а также и некоторые высокопрочные металлические материалы.
При квазисколе нет выраженной границы между фасеткой скола и
участками с ямками, обрамляющими эту фасетку. Разрушение путем квазискола
зарождается внутри фасетки в отличие от скола, который зарождается на границе
зерна. Ступеньки скола при квазисколе непосредственно переходят в гребни
отрыва соседних ямочных участков.

36.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Квазихрупкое разрушение
Квазихрупкое (квазивязкое) разрушение по своему
механизму близко к вязкому и содержит признаки предшествовавшей пластической деформации, хотя по своей
энергоемкости является скорее хрупким, чем вязким, так
как обладает низким сопротивлением разрушению. Такое
разрушение называют квазисколом с образованием
розеточного излома. Розеточный излом с плоскими или
слегка изогнутыми поверхностями или фасетками
образуется за счет слияния отдельных трещин. Каждая
трещина распространяется концентрически. При этом
округлый фронт трещин под действием пластической
деформации расширяется и образуется пора в виде линзы.
При слиянии трещин образуются острые гребни,
называемые гребнями отрыва. Участки квазискола часто
смешиваются с ямками отрыва при вязком разрушении,
что указывает на схожую природу этих видов разрушения.
Схема образования квазискола
(розеточный излом):
1 — поверхность сдвига;
2 —гребни отрыва

37.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
Вязкохрупкое разрушение
Разрушение материалов в интервале вязкохрупкого перехода называют вязкохрупким. При
визуальном осмотре этого разрушения на поверхности изломов можно наблюдать как вязкую, так и
хрупкую составляющую. Соотношение площади, занимаемой на поверхности излома вязкой и
хрупкой составляющими, зависит от температуры разрушения образца или детали по отношению к
критическим температурам хрупкости исследуемого материала.
По характеру распределения вязкой и хрупкой составляющих на поверхности изломов
различают:
сосредоточенный излом (макронеоднородный излом, образованный при сосредоточенном
разрушении);
рассредоточенный излом (макрооднородный излом, образованный при рассредоточенном
разрушении).
При сосредоточенном разрушении на поверхности вязкохрупких изломов образуются
локализованные области вязкого и хрупкого разрушений, выявляемых при визуальном наблюдении.
Хрупкое разрушение может локализироваться в центральной части излома, образуя так называемый
«хрупкий квадрат», размер которого зависит от температуры разрушения по отношению к
критическим температурам хрупкости. Вязкое разрушение на поверхности сосредоточенных
вязкохрупких изломов может локализовываться вблизи очага разрушения, образовывая вязкую зону.
При рассредоточенном разрушении металлических материалов в интервале вязкохрупкого
перехода поверхность образовавшегося (рассредоточенного) излома визуально выглядит волокнистой
с более-менее равномерно распределенными хрупкими «блестками» (участками скола). Микрорельеф
таких изломов состоит из чередующихся областей ямок и фасеток скола. Поэтому нередко
рассредоточенное вязкохрупкое разрушение относят к разновидности смешанного разрушения.

38. Замедленное разрушение

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ
Возникает в результате длительного статического
нагружения при:
- комнатной температуре при отсутствии воздействия
коррозионной среды;
- напряжениях, меньших предела текучести с
влиянием окружающей среды;
- при
действии
внутренних
растягивающих
напряжений.
На поверхности разрушения можно выделить, как
правило, две зоны:
- зону замедленного разрушения (с зернистым или
кристаллическим
строением,
возможно,
блестящая). В этой зоне могут наблюдаться тонкие
кольцевые линии (макролинии), ориентированные
нормально к направлению развития трещины,
однако
признаки
усталостного
разрушения
(бороздки и усталостные плато) отсутствуют;
- зону долома с характерным для данного материала
изломом при однократном разрушении.

39.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
РАЗРУШЕНИЕ ПРИ ОДНОКРАТНОМ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
К основным видам разрушения металлических материалов при однократных видах
нагружения относят вязкое, квазихрупкое, хрупкое, вязкохрупкое и смешанное разрушения.
Несмотря на многообразие механизмов разрушения, а также особенностей макро- и
микростроения изломов, свойственных каждому из видов разрушения, можно выделить
некоторые общие признаки.
Вид разрушения
Смешан
ное
Прямой, косой
Косой или
Сосредоточен
РассредоПрямой, однородный,
или прямой со
Макро
прямой со
Прямой или
-ный (прямой
точенный
кристаллический,
скосами,
строение
скосами,
слегка изогнутый
со скосами,
(прямой со
блестящий или
однородный,
излома
(розеточный)
однородный,
неодноскосами,
камневидный
матовый или
волокнистый
родный)
неоднородный)
бархатистый
Ямки,
Межзеренные
Ямки, фасетки
Основной
Фасетки
Фасетки
фасетки скола
Сочетание двух
фасетки,
скола или
Ямки
микрорельеф
квазискола и
и язычки
или
и более микровторичные
межзеренные
излома
гребни отрыва
скола
рельефов
межзеренные
трещины
фасетки
фасетки
Образование и
Образование и
Образование слияние пор в Сочетание двух
Образование слияние пор в
ТрансИнтерслияние пор сочетании с
и более
Механизмы
и слияние
виде «линз» и кристалкристалтранс- или
транс- или
микромеразрушения пор. Отрыв разрыв перемычек литный
литный скол интеркристал интеркристалханизмов
перемычек с образованием
скол
-литный скол
литным
разрушения
отрывных гребней
сколом
Вязкое
Квази
хрупкое
Хрупкое
Вязкохрупкое

40.

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ВСТРЕЧАЮЩИЕСЯ СОЧЕТАНИЯ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ
– Скол в сочетании со слиянием микропор
– Скол в сочетании с отрывом
– Скол в сочетании с образованием усталостных бороздок
– Скол в сочетании с межзеренным разрушением
– Сочетание слияния микропор с отрывом
– Сочетание слияния микропор с образованием усталостных бороздок
– Сочетание слияния микропор с межзеренным разрушением
– Сочетание усталостных бороздок и межзеренного разрушения
Смешанным называют такой механизм, когда разрушение металлических
материалов осуществляется под действием двух или более механизмов. Он чаще
всего имеет место при однократных видах нагружении материалов с ГЦКструктурой в переходной области от плоской деформации к плоскому
напряженному состоянию.
Смешанный механизм разрушения следует отличать от последовательной
смены различных механизмов разрушения, которые можно рассматривать каждый
в отдельности. Разрушение по смешанному механизму обычно означает, что
взаимодействующее влияние различных факторов (локального напряженного
состояния материала, микроструктуры, окружающей среды и т. д.) заставило
разрушение отклониться от одного какого-то определенного механизма.

41.

АНАЛИЗ ДОКУМЕНТАЦИИ
Основы анализа эксплуатационных повреждений
Основной причиной любого разрушения являются напряжения (как приложенные, так и остаточные), величина которых превышает предельную несущую способность детали. Эти напряжения могут возникнуть при взаимодействии многих сложных факторов, каждый из которых необходимо оценить для однозначного установления причины разрушения. При анализе причин
разрушения необходимо ответить на ряд вопросов, касающиеся характера,
предыстории изготовления, функций и назначения разрушенной детали, а также
взаимодействия этой детали с другими:

42.

АНАЛИЗ ДОКУМЕНТАЦИИ
Нагружение. Точно ли соответствовали характер, скорость и величина
приложенной нагрузки расчетным характеристикам для данной детали? Происходило ли повторное или циклическое нагружение? Каково направление главного
напряжения по отношению к общей конфигурации данной детали?
Где остаточные напряжения особенно опасны?
Материал. Был ли применен рекомендуемый материал? Соответствует ли
уровень его механических свойств ожидаемому? Имелись ли поверхностные или
внутренние несплошности, которые могли способствовать разрушению?
Соответствует ли микроструктура заданной?
Форма. Выполнена ли деталь в соответствии со всеми размерными требованиями чертежа? Достаточно ли поперечное сечение, чтобы противодействовать
локальной перегрузке? Имели ли закругления достаточно большие радиусы?
Обладали ли взаимодействующие детали достаточным зазором? Деформировались ли какие-нибудь контуры в процессе эксплуатации? Были ли признаки
механического повреждения поверхности?
Рабочая среда. Подвергалась ли деталь воздействию коррозионной среды,
очень высокой или низкой температуры? Была ли должным образам защищена
поверхность детали? Изменялись ли свойства детали в процессе эксплуатации?
Было ли взаимодействие (например, гальваническое) между материалом детали и
материалом соседних узлов конструкции?

43.

На основании фрактографического изучения поверхности разрушения можно
качественно судить о величине действующего напряжения, но количественные
оценки невозможны. В общем случае эта оценка зависит от признаков значительного пластического течения в разрушенной детали.
Остаточная деформация свидетельствует о том, что приложенное напряжение
существенно выше предела текучести материала.
Другим
источником
информации
может
служить
сравнительная
количественная оценка различных составляющих поверхности излома. Например,
если при усталостном разрушении расстояние между усталостными бороздками
большое, протяженность усталостной зоны мала, а зоны долома велика, то это
значит, что разрушение произошло в результате высокой нагрузки.
О невысоком циклическом напряжении можно говорить в том случае, если
протяженность усталостной зоны велика, усталостные бороздки расположены
очень близко друг к другу, а зона долома мала.
К другим факторам, принимаемым во внимание, относятся: наличие или
отсутствие надреза (в том числе и других концентраторов напряжений) в детали, а
также характер разрушения - межзеренный или внутризеренный. Однако
отсутствие значительной деформации еще не является исчерпывающим доказательствам того, что приложенное напряжение было невелико.

44.

Материал детали
Многие вопросы оценки сопротивления материала разрушению могут быть
решены с помощью фрактографии; для решения других требуются иные методы
исследования, а именно: механические испытания, металлография, химический
анализ, рентгеноспектральный микроанализ, микродифракционный рентгеновский анализ, катодолюминесценция, Оже-спектроскопия. Если такие
исследования выполнены на вспомогательных приставках либо к растровому,
либо к просвечивающему электронному микроскопу, то их также с известным
приближением можно считать фрактографичехскими.
Как правило, разрушение вязкого сплава происходит в результате слияния
микропор, а хрупкого - по механизму внутризеренного скола или межзеренного
разделения.
Изучение
металлографических
шлифов,
вырезанных
перпендикулярно поверхности разрушения, позволяет судить о характере
микроструктуры и о качестве проведенной термической обработки. Если имел
место перегрев, то по микроструктуре можно выявить этот дефект. Если по
границам зерен имеются охрупчивающие фазы или пленки, способствующие
межзеренному разрушению, то их также можно увидеть на микрофотографиях.
По фрактограммам, выполненным при большом увеличении, можно судить
о чистоте металла, т. е. много или мало включений встречается в изломе. По таким фрактограммам можно также судить о форме включений, так как в процессе
разрушения происходит отделение включений от матрицы, что позволяет получить трехмерное представление об их форме.

45.

Если в сплаве образовалась сегрегация каких-либо элементов, то
фрактографически иногда можно выделить эту область сегрегации по резким
отличиям рельефа участка поверхности разрушения от характерного для данного сплава. Степень успеха при распознавании сегрегации отчасти зависит от того, насколько
объемна ее «структура». Если «структура» сегрегации (вернее, создаваемое ею
отличие рельефа) слишком тонкая, то для ее распознавания требуется применение
методов металлографии, а главное рентгеноспектрального микроанализа.
Изучение поверхностей разрушения позволяет судить о том, явились ли дефекты,
образовавшиеся в процессе обработки, причиной разрушения. Складки при ковке и
волосовины легко выявляются, поскольку на поверхностях этих дефектов нет никаких
характерных признаков разрушения. Для усадочной пористости характерна
дендритная структура (особенно внутри усадочной раковины), которую невозможно
спутать с рельефом разрушения. Поверхности трещин, образовавшихся до или во
время термической обработки, легко отличить от трещин, образовавшихся в процессе
дальнейшего разрушения, так как на поверхности этих термических трещин присутствуют окисные пленки или продукты коррозии. Точный состав таких пленок
зависит от того, как нагревали деталь в процессе термической обработки (или горячей
ее деформации) после образования трещины, а также от того, была ли трещина
заполнена жидким или газообразным корродирующим веществом перед началом ее
распространения в процессе эксплуатации. Тем не менее поверхность первичной (в
том числе термической) трещины всегда легко обнаруживается.

46.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Фрактография и атлас фрактограмм. Справ. изд. / под ред. Дж. Феллоуза –
М., Металлургия 1982.
2. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности
материалов. – М. Машиностроение, 1978.-200 с.
3. Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов.- М.
Наука, 1989.-230 с.
4. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность.
Классификация видов изломов материалов. РД 50-672-88.
5. Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д. и др. Растровая электронная микроскопия и
рентгеновский микроанализ: В 2-х книгах. Пер. с англ. – М.: Мир, 1984.
6. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.Ф.
Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и
конструкций: уч. пособие для ВУЗов. – М.: МИСиС, 2007. – 264 с.
7. Машиностроение. Энциклопедия / ред. Совет К.В. Фролов (пред.) и др. – М.,
Машиностроение. Физико-механические свойства. Испытания
металлических материалов. Т. II-1/ под общ. ред. Е.И. Мамаевой. 2010. 852 с., ил.

47.

СПАСИБО
ЗА
ВНИМАНИЕ