книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

Волокнистая зона отвечает области медленного роста трещины, когда для ее распространения тре­ буется относительно большая энергия. Она состо­ ит из случайно расположенных волокон или серий круговых «борозд», которые расположены пер­ пендикулярно к направлению распространения трещины: от очага к периферии образца или дета­ ли. Волокна типичны для железа промышленной чистоты и углеродистых сталей, а круговые «бо­ розды» наблюдаются в изломах низколегирован­ ных сталей, титановых и других сплавов.

При ускорении роста трещины и наступлении стадии ее нестабильного распространения форми­ руется зона радиального строения. Она характери­ зуется радиально ориентированными «рубцами», которые совпадают с общим направлением дви­ жения трещины. «Рубцы» начинаются либо от пе­ риферии волокнистой зоны, либо от самого очага разрушения. Как правило, точкой, к которой схо­ дятся «рубцы», является очаг повреждаемости ма­ териала. По своему рельефу «рубцы» могут быть тонкими или грубыми в зависимости от внутрен­ него строения металла и температуры испытания. В высокопрочных сталях со структурой отпущен­ ного мартенсита излом состоит из тонких «руб­ цов». Они присущи главным образом межзеренному разрушению или реализации квазискола с незначительным вкладом сдвиговых механизмов в развитие разрушения. Поверхности разрушения сталей средней прочности состоят из грубых ради­ альных «рубцов», которые становятся тоньше лишь при снижении температуры испытания. По­ явление на изломе грубых «рубцов» обусловлено процессами сдвига, поэтому вдоль «борозд» или «гребней» радиально ориентированных образова­ ний можно обнаружить продольные расщепления. Они возникают под действием высоких нормаль­ ных растягивающих напряжений. Если волокни­ стая зона мала или отсутствует, «рубцы» переста­ ют быть прямолинейными и искривляются по на­ правлению к свободной поверхности. Внешний вид излома, состоящий сплошь из «рубцов», ука­ зывает на чрезвычайную хрупкость материала. Это может быть вызвано микроструктурой метал­ ла или сплава, химическим составом и температу­ рой, при которой происходило разрушение.

Зона среза представляет собой участок излома с достаточно ровной поверхностью. Величина этой зоны определяется напряженным состоянием

и внутренним строением материала. Условия ис­ пытания или эксплуатации влияют таким образом, что с уменьшением вязкости снижается доля зоны среза при любом виде разрушения. Например, при растяжении гладких образцов полное отсутствие зоны среза возможно только в ограниченном числе случаев, когда металл находится в чрезвычайно хрупком состоянии.

Из трещин, которые определяют макро- и мик­ рорельеф поверхности разрушения, выделяют первичные и вторичные. Первичные трещины рас­ пространяются из очага разрушения и образуют основную поверхность излома. Вторичные тре­ щины стартуют из отдельных центров разруше­ ния, расположенных на поверхности излома. Обычно они являются поперечными по отноше­ нию к плоскости первичного излома (рис. 3.2.45).

При определении месторасположения очага разрушения можно воспользоваться правилом Т-образного соединения трещин. Эксперимен­ тально установлено, что если одна трещина не пе­ ресекает другую, а встречается с ней под углом -90°, то она возникла позже и распространяется не от очага разрушения.

При описании поверхностей разрушения при­ меняют различные характеристики. Например, с помощью цвета и блеска можно классифицировать изломы по морфологическим признакам. Способы классификации поверхностей разрушения иллюст­ рируются схемой, приведенной на рис. 3.2.46.

В соответствии с приведенной классификацией по характеру силового воздействия изломы делят на три группы: изломы кратковременного одно­ кратного нагружения, изломы длительного нагру­ жения, изломы усталостного нагружения.

Расположение очага

Рис. 3.2.45. Схематичное изображение траекторий первичной (а) и вторичных (б) трещин. Возможное

расположение очага разрушения показано стрелками

Изломы такого типа образуются в результате экс­ плуатации деталей или разрушения образцов на испытательных машинах с применением простых видов нагружения — растяжения, сжатия, изгиба, кручения. При разрушении вследствие однократ­ ного приложения нагрузки различают пластичные и хрупкие изломы. Пластичные изломы, называе­ мые также вязкими, сопровождаются значитель­ ной макро- и микропластической деформацией. Степень деформации, предшествующей разруше­ нию, также обычно велика и реализуется в значи­ тельном объеме, соизмеримом с рабочим объемом

образца.

Наличие пластической деформации макроско­ пически проявляется, прежде всего, в волокнисто­ сти излома. Разрушение вытянутых волокон про­ исходит с образованием матовых, большей частью темных по окраске площадок разрушения, не имеющих кристаллического блеска. Вязкие изло­ мы макроскопически проходят частично по по­ верхности макроотрыва, частично по поверхности макросреза или целиком по поверхности среза.

Возникающие аварийные первичные разруше­ ния, как правило, не относятся к вязким. Они встречаются в редких случаях вследствие грубых ошибок, допущенных при расчете на прочность, при монтаже и при эксплуатации. Кроме того, от­ носительно медленно развивающаяся вязкая тре­ щина либо заблаговременно обнаруживается, либо деталь выходит из строя вследствие чрезмерной пластической деформации еще до полного разру­ шения.

Хрупким называют излом, образовавшийся в результате разрушения без макропластической деформации. Часто хрупкий излом связан с незна­ чительной общей деформацией и малым значени­ ем ударной вязкости. Возможность получения аб­ солютно хрупкого излома у металлов ставится под сомнение. Экспериментальными исследованиями доказано, что даже к макроскопически абсолютно хрупким изломам примыкает зона деформирован­ ного материала толщиной в десятки микрон (0,03- 0,07 мм).

На поверхности хрупкого излома можно обна­ ружить три зоны. Первая является фокусом раз­ рушения. Наличие фокуса и его расположение (обычно на поверхности детали или образца) ясно указывают на неоднородность разрушения. Так же, как и другие виды изломов, хрупкий излом

однократного нагружения может иметь несколько фокусов. Чем выше скорость возникновения фоку­ сов и чем меньше скорость распространения тре­ щин, тем большее число фокусов должно наблю­ даться на изломе. Условия возникновения фокуса очень сильно зависят от физического и геометри­ ческого состояния поверхности детали или образ­ ца, поскольку поверхность является местом наи­ более вероятного нахождения концентраторов на­ пряжений и дефектов, играющих существенную роль в процессе хрупкого разрушения.

Первая зона излома соответствует начальной стадии сравнительно медленного развития трещи­ ны. Обычно эта зона более гладкая, чем остальная поверхность излома. У неорганических и некото­ рых видов органических стекол она даже имеет зеркальный блеск («зеркало» излома). При повы­ шении пластичности материала его чувствитель­ ность к трещинам, а также к внецентренному на­ гружению при несимметричном развитии разру­ шения обычно падает, и потому относительная площадь первой зоны растет. Это происходит, на­ пример, при повышении температуры испытания органического стекла.

Вторая зона соответствует очень быстрому, «лавинному» (со скоростями, соизмеримыми со скоростью звуковых колебаний) распространению разрушения до полного разделения образца на две или более частей.

Заметная граница между первой и второй зона­ ми в виде резкого изменения строения поверхно­ сти или каких-либо линий имеется только на очень хрупких изломах. В большинстве же случаев на хрупких изломах имеет место постоянное нарас­ тание шероховатости и увеличение размеров «руб­ цов», выходящих из очага.

В отличие от условий возникновения фокуса, развитие трещины во второй зоне должно мало зависеть от состояния поверхности и скорости приложения внешней нагрузки. Оно обусловлено факторами, влияющими на скорость уже развитой трещины (модулем упругости и плотностью, опре­ деляющими скорость упругих волн; податливо­ стью машины и образца, с которыми связана мощ­ ность нагружения; структурными, пластическими и тепловыми факторами, нарушающими правиль­ ность кристаллической решетки и изменяющими скорость распространения трещины).

Хрупкие изломы располагаются по поверхно­ стям, перпендикулярным к направлению наи­ больших растягивающих напряжений, если только эта закономерность не искажается анизотропией механических свойств материала.

Признаком хрупких изломов, также связанным с отсутствием заметной пластической деформа­ ции, являются гладкие, ровные кромки излома без скосов или с небольшими скосами, размер которых возрастает с увеличением пластической деформа­ ции в процессе разрушения. Скосы правильной формы наблюдаются, главным образом, на лабо­ раторных образцах. На деталях сложной формы скосы найти труднее, однако их определение весьма существенно для установления местонахо­ ждения очага (скос больших размеров указывает на место окончания разрушения, а место с малым скосом или без него обычно находится вблизи очага излома).

В некоторых случаях хрупкого разрушения ма­ териалов (углеродистых сталей, металлокерамики и др.) вся поверхность излома представляется од­ нородной, рубцы в виде лучей отсутствуют. Не представляется возможным также выделить зоны с мелкой и крупной шероховатостью, и определение зоны начала разрушения становится затрудни­ тельным или даже невозможным.

При динамическом (кратковременном) нагру­ жении хрупкая трещина, как правило, проходит по телу зерен, и лишь в некоторых особых случаях ослабления прочности границ зерен (вследствие окисления границ или выделения по ним какихлибо хрупких прослоек) разрушение носит межзеренный характер.

Изломы длительного статического нагруже­ ния. Их образование характеризуется периодом постоянства нагрузки, соизмеримым с периодом процесса развития повреждений, приводящих к разрушению. Существенное влияние оказывают температура и воздействие активных (коррозион­ ных) рабочих сред. При этом различают:

• изломы замедленного разрушения, которые образуются при нормальной температуре и без воздействия коррозионной среды. Такое разруше­ ние может быть следствием действия постоянных внешних нагрузок или остаточных напряжений. Оно встречается при эксплуатации закаленных сталей, не прошедших смягчающего отпуска,

а также после технологических операций, способ­ ствующих наводороживанию;

• изломы, образующиеся при длительном ста­ тическом нагружении и высоких температурах

вусловиях ползучести;

•изломы («коррозии под напряжением»), ко­ торые возникают в результате разрушения под действием длительного статического нагружения в условиях нормальной температуры с воздейст­ вием коррозионной среды.

Изломы усталостного разрушения. Эти изло­ мы формируются под воздействием периодически и многократно изменяющейся нагрузки. В зависи­ мости от условий внешнего воздействия они под­ разделяются на четыре вида: собственно усталост­ ные, малоцикловые, коррозионно-усталостные и термоусталостные. Из них первые характеризуют­ ся многоцикловым, а вторые — малоцикловым нагружением в широком интервале температур без воздействия коррозионной среды. Развитие по­ вреждаемости с участием внешней среды приво­ дит к изломам третьего вида, а периодическое из­ менение температуры — к изломам четвертого вида.

Усталостное разрушение — не единый процесс. В зависимости от приложенных напряжений, их характера и числа циклов изменяются и условия разрушения. Например, на схеме усталостной кри­ вой, которая строится в координатах «о (напряже­ ние) — lgN (число циклов)» (рис. 3.2.47), точке «А» соответствует временное сопротивление, при котором разрушение происходит за первый цикл.

Рис. 3.2.47. Схема полной кривой усталости:

сГ1 — динамический предел текучести; Л’кр — критическое

число циклов перехода к многоцикловой усталости: а„. — предел усталости

На участке «АВС» излом носит квазистатический характер. Несмотря на переменную или пульсирующую нагрузку, остаточные удлинения накапливаются. В результате этого пластическая деформация локализуется с образованием шейки, а излом принципиально не отличается от статиче­ ского. Участок «CD» соответствует началу уста­ лостного разрушения. На этом участке трещина продвигается вперед при каждом новом цикле на­ гружения. Пластическая деформация вблизи вер­ шины трещины имеет периодический характер, что приводит к возникновению на изломе специ­ фического микро- и макроскопического бороздча­ того рельефа. Критическое число циклов (Л у, со­ ответствующее переходу в область многоцикловой усталости, сравнительно невелико: NKV= 103 н- Ю4 Этому числу циклов примерно соответствует на­ пряжение динамического предела текучести. В области малоцикловой усталости число циклов до разрушения зависит от формы и длительности цикла и промежутков между ними. Поэтому мало­ цикловые усталостные изломы могут внешне походить на собственно усталостные изломы либо на изломы кратковременного однократного на­ гружения.

Для нахождения условий перехода трещины в неустойчивое состояние при длительном статиче­ ском нагружении используются критерии механи­ ки разрушения, например величина К\с — крити­ ческий коэффициент интенсивности напряжений. Для циклического нагружения величина напряже­ ний зависит от времени а = ст(/), поэтому и коэф­ фициент интенсивности напряжений также зави­ сит от времени К\ = K\(t). При описании кинетики трещины в качестве критерия можно использовать величину ДК — размах коэффициента интенсив­ ности напряжений, Д Л > ATi(crmax) — £ | ( c T min) . Ти­ пичный график зависимости скорости роста тре-

dl .

щины v =——- (прирост длины трещины за цикл

a N

нагружения) в полулогарифмических координатах от коэффициента интенсивности напряжений К\ приведен на рис. 3.2.48.

На графике скорости роста трещин усталости выделяют три характерных участка, соответст­ вующие определенным стадиям развития повреж­ даемости.

Участок I характеризует медленное развитие повреждений. Он называется стадией появления

малых трещин. Их скорость может меняться, но, как правило, не превышает 10-12 м/с. На этой ста­ дии кинетика трещин определяется структурой материала. Рельеф поверхности разрушения со­ держит особенности, которые обнаруживаются при микроскопическом исследовании.

Рис. 3.2.48. Полулогарифмическая зависимость скорости роста lgv усталостной трещины

от коэффициента интенсивности напряжений К\.

2 и К1 з — границы перехода из первой во вторую и из второй в третью стадии усталости;

К* — характеристическое значение коэффициента, при достижении которого трещ ина

совершает один скачок за цикл нагружения;

KfC— условие потери устойчивости трещины

с переходом усталости в катастроф ический «долом»; I, II и III — стадии роста усталостной трещины

Участок II соответствует стадии стационарно­ го роста трещины. Он зависит от напряженно-де­ формированного состояния в материале и харак­ теризуется критериями механики. Скорость про­ движения трещины выражается зависимостью Пэриса:

Таблица 3.2.5.1

Основные термины и определения для классификации поверхностей разрушения металлов и сплавов

3.2.5.2. Макроскопический фрактографический анализ

Макроскопическое исследование поверхностей разрушения производят с помощью увеличитель­ ных стекол с небольшим (до х10) увеличением и световых микроскопов (МБС-9). При проведе­ нии макроскопического анализа излом оценивает­ ся и классифицируется по следующим основным признакам: ориентации поверхности разрушения, макрогеометрии, шероховатости (цвету и блеску) и связи с внутренним строением (структурой) ме­ талла.

По ориентации изломы классифицируют на прямой, косой и прямой со скосами. Прямым на­ зывают излом, поверхность которого ориентиро­ вана перпендикулярно к оси образца или детали (рис. 3.2.50). Такая ориентация излома формирует­ ся под воздействием наибольших растягивающих