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

вении очагов, не связанных с дефектами, степень перегрузки, как правило, больше по сравнению с разрушением, при котором на изломе возник один или последовательно несколько очагов.

Последовательность возникновения очагов при макроскопическом исследовании оценивается по густоте усталостных линий и блеску поверхности около очагов. Более густое расположение уста­ лостных линий и больший блеск поверхности означают более медленное распространение тре­ щин, т. е., как правило, более раннее их возникно­ вение по сравнению с другими очагами. Размер усталостной зоны, примыкающей к первоначально возникшему очагу, как правило, больше, чем вблизи очагов, возникших уже в процессе устало­ стного разрушения детали. Однако вследствие сложных условий работы детали от этого правила могут быть отклонения, для обнаружения которых необходимо проведение микрофрактографического исследования.

Макроскопическим признаком в изломе, в наи­ большей степени определяющим уровень нагрузок, принято считать отношение площади усталостной зоны ко всей площади излома. Предполагая со­ хранение условия прочности при однократном на­ гружении, можно ожидать, что в материалах, мало чувствительных к трещине и обладающих значи­ тельной способностью к торможению разрушения, усталостная трещина будет распространяться тем дальше, чем ниже уровень нагрузки и чем меньше необходимое живое сечение детали или образца, способное выдержать эту нагрузку. Однако в ряде случаев такая зависимость не соблюдается. На­ пример, при ударно-усталостном нагружении мяг­ ких сталей (типа стали 35) переменной нагрузкой, приводящей к разрушению через 3 105—6 103 циклов, отношение площади усталостной зоны ко всей поверхности излома может составить 6070 %. В то же время при испытании более твердых сталей (сталь 45, У 12) с меньшими нагрузками и большим количеством циклов до разрушения (более 106) усталостная зона в изломе занимает 6-10% . У инструментальных сталей усталостная зона в изломе занимает всегда очень малую пло­ щадь, несмотря на уровень прикладываемой на­ грузки. Уменьшение площади усталостной зоны, происходящее вследствие малого сопротивления материала к торможению трещины, вызывается хрупким строением зоны долома.

Макроскопические усталостные линии, пред­ ставляющие собой следы фронта распространения разрушения, могут быть двух типов: в виде усту­ пов и в виде зон различной шероховатости.

Усталостные линии типа «уступов» возникают вследствие изменения направления разрушения, главным образом из-за изменения направления действия внешних нагрузок, например при перио­ дическом наложении крутящего момента на пере­ менные изгибающие нагрузки.

Усталостные линии, представляющие собой зо­ ны достаточно резко изменившейся шероховато­ сти, связаны с изменением скорости распростра­ нения разрушения. Перерывы в нагружении или изменения уровня внешней нагрузки, которые, в особенности в эксплуатационных условиях, могут иметь место, приводят к появлению на поверхно­ сти усталостных изломов зон различной шерохо­ ватости. Однако более общей причиной является циклическое чередование замедленной и повы­ шенной скоростей распространения разрушения. По мере распространения трещины увеличивается и средняя скорость ее развития. Это приводит к тому, что микрорисунок на усталостном изломе закономерно изменяется, превращаясь в резкие ступеньки-складки.

При больших эффективных напряжениях раз­ личие в строении усталостной зоны и зоны долома становится менее резким, поэтому граница пере­ хода от постепенного разрушения к кратковре­ менному дорыву выявляется с трудом. Особенно это относится к сплавам на алюминиевой основе. Тем не менее при анализе изломов усталости определение характера разрушения в зоне долома имеет весьма существенное значение. Например, зона долома может иметь волокнистое (пластич­ ное) или кристаллическое (хрупкое) строение. Во­ локнистое строение наблюдается у достаточно мягких пластичных металлов и сплавов, обладаю­ щих низкой чувствительностью к трещине и большой работой разрушения. Примерами таких материалов могут служить конструкционные ста­ ли типа 18ХНВА, 40ХНМА и др. Кристалличе­ ский излом в зоне долома свидетельствует о склонности материала к хрупкому разрушению при наличии в нем трещины. Эта склонность мо­ жет быть вообще присуща данному типу материа­ лов или может явиться следствием дефектного со­ стояния (неправильно проведенная термическая

обработка, перегрев при штамповке). Склонность к хрупкому разрушению может проявиться и при определенных условиях нагружения, например при разрушении хладноломкого материала при низких температурах.

При значительной склонности материала к хрупкому разрушению усталостная зона, как пра­ вило, не занимает в изломе большой площади да­ же при малых нагрузках. Таким образом, заключе­ ние о величине действующих нагрузок по относи­ тельной площади усталостной зоны следует делать, учитывая состояние и свойства материала, лишь по строению излома в зоне долома.

Существенной характеристикой при анализе излома усталости является также место располо­ жения зоны долома. Например, в изломе надре­ занного по окружности цилиндрического образца (или детали), полученном от изгиба при вращении, зона долома располагается в центре сечения при значительных перегрузках и у поверхности образ­ ца — при нагрузках, близких к пределу выносли­ вости. Однако наличие концентраторов другого вида может существенно изменить приведенную схему.

В изломах, полученных при напряжениях, близких к пределу выносливости, как правило, имеется один очаг. Несколько очагов образуется в следующих случаях:

•при наличии концентраторов напряжений, имеющих значительную протяженность, или не­ скольких локальных концентраторов (если мате­ риал при данных условиях нагружения чувствите­ лен к концентрации напряжений);

•при повышенных уровнях переменных на­ пряжений;

•при повышенных для данного сплава температурах (например, для сплава ХН77ТЮР — выше 700°, для сплава ХН70ВМТЮ — выше 800°);

•при значительной по величине дополнитель­ ной статической нагрузке;

•при поврежденном, в частности сильно окис­ ленном и обедненном легирующими элементами

(преимущественно по границам зерен), поверхно­ стном слое.

В основной усталостной зоне складчатый рису­ нок поверхности одинаково ориентирован в пре­ делах одних и тех же микроучастков, но может существенно менять направление от участка к участку. Размер микроучастков не обязательно

совпадает с контурами зерен, но прямо связан с величиной зерна.

На границе типично усталостной зоны и зоны долома располагается переходная область сме­ шанного разрушения.

При наложении постоянной статической со­ ставляющей нагрузки в зоне медленного распро­ странения усталостной трещины в общем случае могут наблюдаться три вида разрушения:

•по телу зерен с наличием признаков, ясно свидетельствующих о превалирующем влиянии повторных нагружений (складчатый рельеф, ло­ кальные усталостные линии);

•по телу зерен типа хрупкого разрушения по плоскостям двойникования (внутрикристаллический скол);

•по границам зерен.

Из указанных видов первый и третий типы раз­ рушения могут наблюдаться в очаге и в зоне, соот­ ветствующей медленному распространению тре­ щины. Второй вид разрушения может иметь место непосредственно в очаге, а в зоне дальнейшего распространения разрушения — лишь совместно с каким-либо из указанных выше типов разрушения.

Разрушение при переменных нагрузках сим­ метричного цикла может иметь различный харак­ тер в зависимости от температуры. Например, раз­

при температурах до 400 °С распространяется по телу зерен, при 500 °С и выше (до 850 °С) — по границам зерен. В сплавах на никельхромовой ос­ нове при переменном нагружении без статической составляющей внутризеренный характер разруше­ ния в начальных зонах изломов сохраняется. Например, в сплаве ХН77ТЮР — до температуры 700 °С, в сплаве ХН70ВМТЮ — до 800 °С, в сплавах ЭИ867 и ЭИ867А — до 900-950 °С. При наложении статической составляющей характер разрушения закономерно изменяется. Вначале в зоне медленного распространения разрушения, а затем с повышением температуры испытания и уровня статической нагрузки и в очаге излома возникает разрушение по границам зерен. Измене­ ние характера разрушения в начальной зоне уста­ лостных изломов, сопровождающееся снижением пределов выносливости, наблюдается также при повреждении поверхностного слоя при окислении. Как правило, у образцов, не подвергнутых предва­

рительному окислению, испытанных на усталость при 900-950 °С, можно наблюдать развитие толь­ ко одной трещины, которая всегда проходит по телу зерна (вдоль двойника или по плоскости скольжения). В поврежденном при окислении по­ верхностном слое трещины усталости зарожда­ лись в большом количестве, как в теле, так и на границах зерен. Главным образом они являлись продолжением окисленных границ зерен. Развитие получали одновременно несколько трещин, что приводило к более быстрому разрушению. Увели­ чение размеров зерна в жаропрочных сплавах, как правило, приводит к снижению усталостной проч­ ности. При асимметричном цикле нагружения анализ изломов показал, что с ростом размеров зерен на поверхности разрушения увеличивается количество участков с типичными признаками разрушения от усталости.

Наличие в материале объемов, имеющих малое сопротивление хрупкому разрушению, на изломах приводит к возникновению участков внутрикристаплического скола и сопровождается заметным снижением долговечности.

Зона долома у деформируемых жаропрочных сплавов может иметь волокнистое или зернистое строение, что соответствует внутриили межкри­ сталлическому разрушению. Зернистое строение зоны долома наблюдается или в случае разруше­ ния при сравнительно низких для данного сплава температурах (например, для сплава ХН77ТЮР при температурах 2СМ-00 °С) или при повышен­ ных температурах, но незначительных напряжени­ ях и большом числе циклов до разрушения (на­ пример, для сплава ХН77ТЮР это температуры до

В случае повышенных температур и высоких на­ пряжений зона долома имеет преимущественно волокнистое строение (для сплава ХН77ТЮР при температуре 700 °С и стперем = 412 МН/м2, число циклов снижается до N = 4 • 105, а зернистый из­ лом составляет 30 %).

Усталостные изломы литых жаропрочных сплавов на никельхромовой основе типа ЖС6-К существенно отличаются от изломов деформируе­ мых сплавов. В литых сплавах очаг излома в виде «глазка», очерченного по эллипсу или по окруж­ ности, отчетливо выявляется лишь в случае его образования при сравнительно высоких темпера­

турах (850 °С и выше). В пределах «глазка» по­ верхность гладкая, блестящая, иногда с кольцевы­ ми усталостными линиями. Расположение фокуса излома в сильной степени зависит от состояния поверхностного слоя. Так, у образцов из сплава ЖС6-К со шлифованной поверхностью, испытан­ ных на переменный изгиб, при симметричном цикле и температуре испытания 850 °С на базе 10 циклов фокус излома располагался непосред­ ственно у поверхности, у образцов с полированной и упрочненной (обкаткой роликами) поверхно­ стью — под поверхностью. В последнем случае на образце возникает, как правило, только один очаг. В случае разрушения при комнатной температуре отчетливо выраженного очага не наблюдается. Очаг и вся зона усталостного развития трещины имеет выраженный бороздчатый рельеф. С повы­ шением температуры испытания складки в уста­ лостной зоне становятся менее выраженными. В ряде случаев непосредственно от очага («глаз­ ка») начинается зона с волокнистым строением с направлением волокон по пути развития разру­ шения. Шероховатость в зоне усталости незначи­ тельна, однако грубее, чем в зоне «глазка». Зона долома как при низких, так и при высоких темпе­ ратурах испытания имеет волокнистое строение и матовый оттенок. В образцах, испытанных при высоких температурах, зона долома отличается от зоны усталостного разрушения в основном лишь более грубой шероховатостью.

При термоциклическом нагружении, так же как при механической усталости, характер разрушения зависит не только от условий испытания, но и от состояния материала. Например, можно наблюдать различный характер разрушения металла (сплав ХН70Ю), изготовленного методом открытой вы­ плавки или методом электрошлакового переплава. В металле, полученном открытой выплавкой, тре­ щины термической усталости распространяются, как правило, по границам зерен. Характер разру­ шения межзеренный при максимальной темпера­ туре цикла 800 °С был преобладающим, а при 1000 °С — единственным. В металле, подвергав­ шемся электрошлаковому переплаву, при макси­ мальных температурах цикла 800 и 1000 °С раз­ рушение в основном проходит по телу зерен. Такое изменение характера разрушения сопрово­ ждается повышением стойкости образцов при термоциклических испытаниях.

Трещины, вызванные коррозионной устало­ стью, по своему характеру аналогичны трещинам, возникающим при коррозии без воздействия внешних переменных нагрузок. Сумма поврежде­ ний, вызванных только переменными нагрузками или только коррозией, как правило, гораздо мень­ ше, чем их совместное действие. Поверхность коррозионно-усталостного излома отличается от типичного усталостного излома тем, что она по­ вреждена коррозией и покрыта следами продуктов химического взаимодействия и сеткой из мелких и

крупных трещин.

Разрушение реальных конструкций может со­ провождаться образованием поверхностей излома большой площади. При анализе разрушения клю­ чевой задачей является определение возможных причин возникновения и установление конкретно­ го механизма (или механизмов) развития повреж­ даемости до опасного уровня, поэтому основное внимание должно быть сконцентрировано на изу­ чении начальных стадий разрушения, которые характеризуются появлением зародышевых тре­ щин в локальных объемах металла.

В решении задачи диагностики разрушения указанные рекомендации позволяют найти ответ на следующие вопросы:

•Каков характер нагрузок, вызвавших разру­ шение (однократные, длительно действующие — постоянные или переменные)?

•Действием каких (чрезвычайно высоких при однократном или повторном нагружении) напря­ жений вызвано разрушение?

•Каков тип нагружения (растяжение, изгиб, кручение и т. д.) и направление действия нагрузки, что устанавливается по макроориентированности

ихарактеру сопутствующих трещин?

•В данной конструкции в какой мере матери­ ал способен противостоять действующим (эффек­ тивным) напряжениям?

•Является ли разрушение «преждевремен­ ным», связанным с влиянием ряда неучтенных конструктивных, технологических или эксплуата­ ционных факторов: различного рода концентрато­ ров напряжений, в том числе при повышенной хрупкости материала, вибрации, низких или высо­ ких температур, трения и эрозии, коррозионноили адсорбционноактивных сред, дефектов в ма­ териале, снижающих прочность и сопротивление

разрушению, податливость нагружающей системы и т. д.?

Использование приведенных принципов и схем, основанных на них, предполагает несколько этапов в проведении макрофрактографического исследования. Вначале на изломе определяют чис­ ло очагов разрушения. Многоочаговое разруше­ ние, выявленное по храповому узору, свидетельст­ вует о высоком уровне напряжений или наличии нескольких отдельных концентраторов напряже­ ний в области очага разрушения. Развитие трещи­ ны от одного очага разрушения свидетельствует о более низком уровне приложенных напряжений и слабой концентрации напряжений. Далее оцени­ ваются форма и расположение фронта растущей трещины и определяются тип нагружения и кон­ центрация напряжений на поверхности. Наконец, по расположению и величине зоны долома судят об уровне номинальных напряжений.

Для изучения механизмов разрушения и уста­ новления кинетики развития повреждаемости тре­ буется проведение микрофрактографического ис­ следования с использованием оптических прибо­ ров высокого разрешения, таких как электронный растровый микроскоп, рентгеновский дифракто­ метр и другие. Результативность их применения во многом зависит от качества подготовки поверхно­ сти изломов к предстоящему анализу.

Литература

1.Владимиров В.И. Физическая природа разру­ шения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с

2.Герасимова Л.П., Ежов А.А., Маресев М.И. Изломы конструкционных сталей: Справ, из­ дание. М.: Металлургия, 1987. 272 с.

3.Энгель Л., Кпингеле Г Растровая электронная микроскопия. Разрушение: Справ. М.: Метал­ лургия, 1986. 232 с.

3.2.5.3. Подготовка излома

кмакро- и микроскопическому анализу

Сцелью получения наиболее объективной пер­ воначальной информации о строении поверхности, образовавшейся в результате аварийной поломки детали или разрушения металлоконструкции, ее,

как правило, оставляют неочищенной в том виде, который соответствовал нештатной обстановке. Для последующего анализа излома применяют следующие методики:

•макроскопическое изучение поверхности разрушения невооруженным глазом или с приме­ нением оптических средств, обеспечивающих не­ большое (до х 10) увеличение и возможность оцен­ ки макрогеометрических параметров;

•микроскопическое исследование поверхно­ сти разрушения с применением электронного мик­ роскопа или электронного зонда, позволяющего определять локальный химический состав в зонах, непосредственно примыкающих к излому;

•анализ как самой поверхности разрушения, так и примыкающих к излому зон с применением других, нежели электронно-оптический, физиче­ ских методов исследования, например, рентгено­ структурного. Он позволяет количественно оха­ рактеризовать искажения кристаллической решет­ ки и связать их со структурно-механическими параметрами разрушения.

Независимо от выбора методик исследования, первый шаг, который следует предпринять до про­ ведения фрактографического анализа, заключается

всохранении поверхности разрушения. Поскольку

впроцессе эксплуатации или испытания обра­ зующиеся изломы подвергались различным сило­ вым, температурным, агрессивным и другим внешним воздействиям, необходимо обратить внимание на сохранность дефектов, послуживших началом развития повреждаемости или возникших на ранних стадиях разрушения металла. Прежде всего, исследуемые детали (или их части) следует хранить в сухом месте. В деталях, которые храни­ лись на открытом воздухе, характерные признаки, приведшие к разрушению, как правило, изменяют­ ся. Если на поверхности излома образца или дета­ ли тонкие особенности рельефа подвергаются ме­ ханическому или химическому воздействию, то осуществление полноценного фрактографического исследования становится трудно осуществимым. При невозможности немедленного проведения изучения свежей поверхности излома следует ис­ пользовать какой-нибудь эффективный метод, по­ зволяющий сохранить поверхность разрушения ювенильной. Например, образцы малых размеров можно хранить в эксикаторах или в вакуумируемой камере. Кроме того, свежие поверхности изломов можно защитить, покрыв их тонкой пленкой лака. При этом макроскопический анализ изломов мож­ но проводить, не удаляя защитную пленку лака. Поверхности деталей, разрушившихся в процессе

эксплуатации, можно защитить, покрыв их свежим маслом или тавотом, т. к. эти вещества не вступа­ ют в химическую реакцию с металлической по­ верхностью. В дальнейшем покрытия следует уда­ лять до проведения макро- и микроскопических фрактографических исследований.

Следующим, не менее важным, является этап пробоотбора. Зачастую исследование всей поверх­ ности разрушения не представляется возможным, а в ряде случаев и не является необходимым. По­ этому при визуальной оценке состояния поверхно­ сти разрушения следует определить преимущест­ венные направления распространения трещины. Следует помнить, что многие локальные трещины, расположенные в различных плоскостях, в про­ цессе развития повреждаемости объединяются. Для определения преимущественного направления развития излома могут быть использованы наблю­ дения за видом исследуемой поверхности: наличие или отсутствие всякого рода слоев ржавчины, сле­ дов соприкосновения или удара посторонним предметом. В большинстве случаев заключитель­ ную стадию развития разрушения можно обнару­ жить по интенсивному растрескиванию поверхно­ сти излома или по срезанному выступу (острой кромке).

Если преимущественное направление развития излома известно, то для исследования достаточно отобрать три объекта: из зоны начала разрушения, из середины и из области, отвечающей стадии долома. При этом нередко область долома имеет большое значение, поскольку она является наибо­ лее свежей и поэтому лучше сохранившейся ча­ стью излома. Образец, вырезанный из зоны, отве­ чающей начальному участку излома, обязательно должен включать и объем металла, прилегающий к месту возникновения очага повреждения. Все участки, намеченные для отбора проб, следует документировать, делая эскизы или фотографии. Последующие операции, вызванные необходимо­ стью изготовления проб подходящего размера, не должны повреждать поверхности, намеченные для исследований, а также влиять на структурно-меха­ ническое состояние материала. Даже искры, воз­ никающие при разрезке деталей с помощью наж­ дачных камней, также могут вызвать серьезные нарушения в морфологии поверхностей разруше­ ния и привести к локальному оплавлению отдель­ ных фрагментов поверхности. Поэтому следует

отдавать предпочтение механическим способам препарирования металла, используя малые подачи режущего инструмента и применяя охлаждающие

растворы.

Заключительной операцией в подготовке об­ разцов является очистка исследуемых поверхно­ стей от загрязнений (табл. 3.2.5.6). Окислившееся и закоксовавшееся масло или грязь снимают лас­ тиком: чернильным — на изломах стальных дета­ лей и простым — на деталях из легких сплавов. Наиболее эффективным способом очистки любых поверхностей, в том числе изломов, является про­ мывка с использованием ультразвуковых диспер­ гаторов. В качестве среды, в которой производит­ ся ультразвуковая очистка, используют водные растворы, применяемые при производстве часов. Для удаления твердых частиц (пыли) и остатков масел с поверхности образцов часто применяют спирт, ацетон или эфир. Каждая ультразвуковая обработка приводит к удалению с поверхности излома включений, обладающих слабой адгезией с металлической матрицей, как, например, сульфи­ ды марганца. Поэтому можно рекомендовать изго­ товление как минимум двух образцов от каждого места пробоотбора. Один из них (резервный) сле­ дует сохранять с неочищенным изломом. В случае необходимости он может быть дополнительно ис­ следован в исходном состоянии, а затем повторно после очистки в ультразвуковой ванне.

В связи с тем, что в образовании оксидного или коррозионного слоя участвуют атомы основного металла, последующее удаление этого слоя в про­ цессе очистки одновременно приводит к уничто­ жению некоторых деталей поверхности основы. Степень указанного искажения зависит от соот­ ношения толщины электрохимического слоя и глубины элементов на поверхности разрушения. Например, когда толщина коррозионного слоя ма­ ла по сравнению с глубиной рельефа на поверхно­ сти разрушения, удаление коррозионного слоя не окажет заметного влияния на результаты фрактографического анализа. В случае, когда фрактографические особенности сами по себе являются не­ глубокими, например усталостные бороздки на изломе высокопрочной стали, удаление электро­ химического слоя приведет к серьезному измене­ нию их глубины. В итоге бороздки усталости во­ обще будет трудно различить.