2. Основы фрактографии

Практическое значение изучения строения изломов заключается в уста-новлении причин и характера разрушения деталей в условиях эксплуатации, что необходимо для разработки мероприятий, предупреждающих повторение подобных событий. Кроме того, строение изломов характеризует качество металлов (структурное состояние, наличие дефектов и т. п.).

Исследование строения различных видов изломов называется фракто-графией. Известны макро- и микроскопическая фрактография. Макроанализ – изучение поверхности разрушения невооруженным глазом или с увеличением до 60 раз, микроанализ – с применением металлографического микроскопа (увеличение до 1000 раз) или электронного микроскопа (увеличение более 2000 раз). Кроме перечисленных существуют и другие методы исследований.

По характеру строения излома в процессе его исследования можно установить следующее:

связь между условием нагружения и свойствами материала (излом рассматривается как показатель причины разрушения);

все стадии процесса разрушения (строение излома показывает, как протекал процесс разрушения);

степень деформации, происходившей в процессе разрушения (харак-теристика вида излома – хрупкий, вязкий и т. п.).

Этапы фрактографического исследования изломов заключаются в сле­дующем.

1. Составление схемы разрушения, оценка месторасположения излома и его связь с зоной действия наибольших напряжений, оценка наличия конструк­тивных концентраторов напряжений, выявление в изломе металлургических дефектов.

2. Определение вида и степени макропластической деформации и ее ло­кализации в целом и вблизи излома.

3. Определение на поверхности излома наличия разграниченных макро­скопически различимых по строению и цвету участков (что будет свидетельст­вовать о протекании разрушения во времени).

4. Выявление наличия на изломе продуктов коррозии, окислов и уста­новление их связи с очагом.

5. Выявление наличия трещин вблизи и вдали от излома, оценка их рас­положения, количества, направления.

6. Выявление дефектов структуры.

7. Составление заключения, включающего в себя оценку качества материала, характера разрушения, факторов, способствующих разрушению, уровень напря­жения, температуры, концентраторы напряжений (риски, отсутствие радиусов перехода, перепад жесткости).

Причиной излома являются чрезмерное нагружение материала и дефекты, которые могут быть обнаружены при макроскопической фрактографии. Исследование макрошлифа позволяет определить форму и расположение зерен в литом металле; волокна в поковках и штамповках; дефекты, нарушающие сплошность металла (газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность (ликвацию) сплава и т. п.

В конструкционных материалах даже при преимущественном наличии какого-либо из изломов разрушение имеет смешанный характер. В сталях часто разрушение в микромасштабе начинается хрупко с образованием фасеток отрыва или квазиотрыва, а продолжается по механизму ямочного разрыва. В алюминиевых сплавах в состоянии фазового старения наблюдается первичное разрушение по границам зерен с формированием сотового рельефа, которое пластично продолжается в зерно.

Возникающие в эксплуатации аварийные изломы, как правило, не относят

к пластичным, так как возникновение пластичного излома означает, что материал до разрушения выдержал нагрузку, соизмеримую с пределом прочности, т. е. соответствующую расчетной нагрузке, и поэтому преждевременного разрушения, столь опасного при хрупких разрушениях, не произошло. Отсюда следует, что причиной возникновения пластичного излома при эксплуатации являются значительные перегрузки, возникшие либо вследствие резкого нарушения нормальных условий работы, либо вследствие ошибки, допущенной при расчете на прочность, неполного учета реальных условий эксплуатации или резко пониженных свойств материала.

Практически в любом материале, как бы он ни был пластичен, при статических испытаниях может произойти хрупкое разрушение. Разрушение в этих случаях состоит из многих, достаточно далеко расположенных одна от другой трещин, последовательно соединяющихся между собой. Ситуация усложняется при неблагоприятном структурном состоянии материала (крупный размер зерна, наличие наклепа), что на изломах проявляется в виде флокенов или участков камневидного или нафталинового излома, которые при визуальном рассмотрении или при небольшом увеличении выглядят как очень гладкие блестящие участки. При рассмотрении последних в оптический микроскоп на этих участках обнаруживается определенный рисунок – так называемый рельеф, это может быть рисунок в виде расходящихся лучей или ручьистого узора, образуется он от сливающихся отдельных микротрещин. Соединение происходит либо хрупко вдоль плоскости отрыва, либо с долей пластической деформации, в этом случае – посредством соединительных ступенек, имеющих вид сглаженных гребней.

В общем виде следы слияния отдельных трещин в магистральную трещину проявляются на изломе в виде рубцов и ступенек и в образовании слоистых изломов. При высокой хрупкости разрушения макростроение излома представляется достаточно однородным. Степень хрупкости или пластичности можно выявить лишь электронно-фрактографическим анализом. Проводить эти исследования целесообразно сразу после разрушения, чтобы избежать загрязнения и порчи продуктами окисления и коррозии.

Для проведения исследований изломов могут быть использованы такие методы:

– реплики, проводимые в просвечивающем электронном микроскопе;

– получение реальной поверхности образцов с помощью растрового электронного микроскопа.

Реплики представляют собой тонкие «отпечатки» с поверхности материала, прозрачные для электронов и воспроизводящие исследуемую поверхность с максимально возможной точностью и чувствительностью. Реплики отчетливо выявляют топографию (рельеф) поверхности металла.

Используются реплики простые (пластиковые или угольные): «пики» и «низменности» в них являются обратными по отношению к рельефу исследуемой поверхности, пластиковые реплики – легко изготавливаются, но сложно отделяются от поверхности: чем толще поверхность, тем легче она снимается, но разрешающая способность будет в этом случае меньше; угольные реплики получаются прямым напылением углерода на поверхность в вакууме, отделение таких реплик производится путем растворения находящегося под репликой металла.

Преимущество реплик состоит в высоком разрешении, позволяющем увидеть тонкие детали (небольшие карбидные частицы, линии и полосы скольжения), но метод реплик является недостаточно наглядным.

Обычно поверхности разрушения исследуются без специальной подготовки на растровом электронном микроскопе (РЭМе). Только в таких микроскопах отображается топография поверхности образца. Особенностью этих приборов является построение изображения по точкам, изображение формируется с помощью сигнала электронов, эмитированных поверхностью непрозрачного образца с последующим сканированием.

С помощью РЭМа можно изучать объекты без специальной длительной подготовки и при больших увеличениях. РЭМ позволяет изучать явления, происходящие на поверхностях (оценивать наличие продуктов окисления, наблюдать модификацию поверхности в результате обработки, а также микровыкрашивания и сколы), в некоторых случаях микрофрактограмма может четко отображать микроструктуру излома.

Многообразие задач, которые могут быть поставлены при изучении изломов, исключает возможность единого подхода и единой методики их исследования. Метод исследования выбирается с учетом поставленной задачи и изучаемого объекта.