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

(нормальных) напряжений и характерна для макрохрупкого разрушения. Излом прямой со скоса­ ми, или чашечный, образуется при растяжении гладких цилиндрических образцов. Он характери­ зуется наличием поверхности волокнистого строе­ ния, расположенной в средней части сечения образца перпендикулярно направлению макси­ мальных растягивающих напряжений, и боковых скосов (утяжек), ориентированных под углом ~45° к основной поверхности разрушения. Формирова­ ние «чашки» связано с образованием шейки в де­ формируемом образце вследствие локализации пластического течения под воздействием значи­ тельных боковых и осевых напряжений в центре образца. В центральной зоне возникает очаг, от которого разрушение распространяется вначале в плоскости, ориентированной перпендикулярно оси образца.

Рис. 3 .2 .50 . Типичные виды макроизлома после растяжения цилиндрических образцов:

а -— прямой; б — прямой со скосами типа «чашка— конус»;

в— прямой со скосами типа «двойная чашка»;

г— косой; д — конический

По мере приближения магистральной трещины к внешней поверхности изменяется вид напряжен­ но-деформированного состояния от плоской де­

формации в центре образца к плоскому напряжен­ ному состоянию вблизи образующей цилиндра. В результате трещина меняет направление распро­ странения в сторону максимальных касательных напряжений и формирует поверхности боковых скосов. В ряде случаев на заключительной стадии разрушения возможно формирование «двойной чашки».

Косым называют излом, у которого поверх­ ность разрушения наклонена под углом к оси об­ разца или детали. Он образуется путем среза в плоскости максимальных касательных напряже­ ний. Чаще всего излом такого вида встречается при разрушении анизотропных материалов с огра­ ниченной пластичностью, например, у алюминие­ во-магниевых деформируемых сплавов.

Наличие боковых скосов (утяжек) по краю из­ лома (чашки), как и косой излом, является призна­ ком макровязкого разрушения. Размеры утяжки увеличиваются с возрастанием зоны пластической деформации, сопутствующей разрушению.

При растяжении металлических образцов с максимальной реализацией пластичности мате­ риала в зоне разрушения могут образовываться полностью конические изломы, характерные лишь для очень пластичных металлов, таких как свинец, медь, алюминий.

Ориентация излома связана с характером на­ гружения и особенностями распределения нор­ мальных и касательных напряжений, вызывающих разрушение. Первоначальное направление разви­ тия повреждаемости в металле при вязком и хруп­ ком разрушении в условиях кратковременного од­ нократного нагружения показано в табл. 3.2.5.2, а на рис. 3.2.51 — направления действия нормаль­ ных и касательных напряжений.

Таблица 3.2.5.2

Вид напряжения

Отрыв Срез

изломов являются ярко выраженное зернистое строение и наличие большого числа неравномерно распределенных оксидов.

На поверхности образца или детали наблюдает­ ся растрескивание. При первом рассмотрении из­ ломы длительного статического нагружения пред­ ставляются однородными за исключением случа­ ев, когда имеются боковые или конечные скосы. Однако при более тщательном анализе на поверх­ ностях разрушения можно выделить три зоны, со­ ответствующие различным стадиям процесса по­ вреждаемости. В пределах первой зоны при мак­ роскопическом исследовании выделяется фокус, который имеет более окисленную, чем соседние участки, поверхность. Он располагается, как пра­ вило, непосредственно у поверхности образца (де­ тали) и представляет собой участок межзеренного разрушения. Участок, примыкающий к фокусу, имеет вид сплошной или разорванной каемки в форме широкого «языка», вытянутого к центру сечения образца. На изломах образцов, показав­ ших большую долговечность, помимо этого основ­ ного участка, могут быть обнаружены дополни­ тельные участки с меньшими размерами и менее окисленные. В большинстве случаев между вели­ чиной первой зоны в изломе и долговечностью образца имеется прямая связь: с увеличением дол­ говечности площадь первой зоны увеличивается.

Вторая зона излома менее окислена и имеет бо­ лее волокнистое строение, чем поверхность пер­ вой зоны.

Макрогеометрически первая и вторая зоны рас­ полагаются на участке поверхности разрушения, который ориентирован перпендикулярно направ­ лению растягивающих напряжений. В условиях длительного статического нагружения конечные скосы формируются не всегда и никогда не быва­ ют сплошными во всей периферии излома. Скосы могут присутствовать только в зонах окончатель­ ного дорыва. По этому признаку можно опреде­ лить место окончания разрушения (и, соответст­ венно, с большей уверенностью определить место начала разрушения). Поверхность скосов волокни­ стая с направленностью волокон в одну сторону.

Оценка вида поверхности разрушения с помо­ щью макрогеометрических признаков предполага­ ет их разделение на однородные и неоднородные изломы. К однородным изломам относят те, у ко­ торых поверхность характеризуется морфологиче­

ски одинаковым рельефом. К формированию од­ нородного излома приводит разрушение лишь весьма хрупких материалов, например высокоуг­ леродистых сталей. В большинстве случаев раз­ рушение металлов и сплавов отличается неодно­ родностью строения изломов, наличием геометри­ чески различимых зон с разной макроориента­ цией, шероховатостью, цветом и блеском, которые характеризуют разные стадии в развитии повреж­ даемости материала.

Неоднородность строения поверхности разру­ шения может быть обусловлена как гетерогенно­ стью внутреннего строения самого материала (ко­ лебания химического состава, разнозернистость, упругие свойства), так и особенностями напря­ женно-деформированного состояния под действи­ ем внешних сил. Например, в условиях однократ­ ного изгиба в центральной части изломов возмож­ но формирование зон как кристаллического, так и волокнистого строения. При этом на площадках боковых скосов (утяжек) вероятно образование волокнистого дисперсного рельефа.

В случаях осевого растяжения цилиндрических образцов пластичных металлов и сплавов на пря­ мых изломах образуются характерные донышко и скосы. При таких же испытаниях менее пластич­ ных материалов на изломе возникает конфигура­ ция, называемая звездочкой. От чашечного излома она отличается тем, что в рельефе содержит так называемые рубцы — радиально расположенные возвышения в виде гребней, у которых одна стен­ ка почти перпендикулярна, а другая наклонена к основной поверхности разрушения. Образование рельефа такого вида связано с возникновением в центре образца фокуса разрушения и с изменени­ ем объемно-напряженного состояния.

Разрушение образцов в условиях растяжения с изгибом или деталей прямоугольного сечения со­ провождается образованием шевронного узора на изломе. Он характеризуется системой ступенек, имеющих гиперболическую конфигурацию, обра­ зующую рисунок «елочки» или «шеврона» (рис. 3.2.55).

Вершины шеврона обращены к зоне начала разрушения. Шевронные следы увеличиваются в радиальном направлении по отношению к распо­ ложенной внутри материала опасной исходной трещине. В случаях, когда шевронный узор отсут­ ствует, как, например, на изломах среза плоских

Методика Вальнера применима для относитель­ но узкого интервала скоростей разрушения. Это связано с тем, что при скоростях разрушения ме­ нее 0,3 от скорости поперечных звуковых колеба­ ний линии Вальнера вообще не возникают. Поэто­ му в начальной зоне хрупких изломов, называемой зеркалом излома, линии отсутствуют. При скоро­ стях разрушения более 0,5 от скорости попереч­ ных колебаний, когда даже мельчайшие неодно­ родности становятся источниками заметных упру­ гих колебаний, линии становятся очень путаными.

Скорость разрушения очень сильно зависит от качества материала и весьма непостоянна. С ис­ пользованием методики Вальнера было показано, что начало разрушения стеклянной палочки диа­ метром 6 мм происходит со сравнительно малой скоростью. Дальнейший путь трещина проходит с возрастающей скоростью до тех пор, пока послед­ няя не достигнет некоторой стабильной для дан­ ного материала величины. Различие между на­ чальной и конечной скоростями очень значитель­ но: за первые 30 с трещина проходит расстояние, равное всего 0,3 мм, а последующий путь — 5,7 мм — проходит за 10-6 с.

Линии Вальнера могут пересекаться между со­ бой в отличие от усталостных борозд, которые ни­ когда не пересекаются в пределах одного плато (террасы).

Неоднородность макростроения изломов хорошо наблюдается на типичных изломах усталостного разрушения, вызываемого периодическим и мно­ гократным изменением внешней нагрузки. Макро­ скопическим признаком усталостного излома яв­ ляются усталостные линии, образование которых обусловлено периодической остановкой фронта или снижением скорости распространения трещины.

Правильность в расположении линий усталости связывают с периодичностью изменений условий нагружения. В местах расположения усталостных линий отмечается упрочнение металла.

В зависимости от характера нагружения разли­ чают изломы многоцикловой, малоцикловой и коррозионной усталости. Повреждения при мно­ гоцикловой усталости происходят в основном при упругом деформировании. Типичный усталостный излом характеризуется наличием нескольких зон (рис. 3.2.58).

Зона с более ровной и блестящей («притертой») поверхностью включает в себя очаг разрушения и область стабильного развития трещины. Очаг раз­ рушения представляет собой относительно не­ большое место зарождения разрушения, вклю­ чающее в себя фокус излома (микроскопическое место зарождения трещины). Очаги разрушения возникают в основном на поверхности детали или образца в местах концентрации напряжений или расположения различного рода дефектов. В зоне развития усталостной трещины различают приочаговую область и область собственно усталостного разрушения с участком ускоренного развития трещины перед окончательным разрушением (доломом). Приочаговая область характеризуется ма­ лой шероховатостью.

Зона усталостного разрушения отличается дис­ персностью строения, гладкой матовой поверхно­ стью с бархатистым оттенком. Шероховатость по­ верхности уменьшается при снижении амплитуды напряжения и скорости распространения магист­ ральной усталостной трещины.

При рассмотрении на микроуровне выявляются усталостные бороздки, плато, траковые следы и межзеренные фасетки. Участок ускоренного раз­ вития трещины, отражающий переход от области усталостного разрушения к зоне долома, образует более шероховатый микрорельеф, соответствую­ щий возрастанию скорости распространения тре­ щины. При этом имеет место увеличение количе­ ства и глубины вторичных трещин с образованием больших вторичных ступенек сброса, а также ло­ кальное отклонение направления разрушения. Зо­ на долома соответствует заключительной быстрой стадии разрушения, связанной с уменьшением се­ чения образца при росте трещины. В зоне долома высокопрочных или хрупких материалов излом имеет в основном кристаллическое строение. До­ лом вязких металлов и сплавов имеет волокнистое строение.

Разрушение в условиях малоцикловой устало­ сти реализуется при упруго-пластическом дефор­ мировании. Для малоцикловых изломов характер­ ны значительная шероховатость поверхности, от­ сутствие четких границ между отдельными зонами и заметная доля рельефа, имеющего признаки ста­ тического разрушения (рис. 3.2.59).