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

Величина Glc характеризует энергию, необхо­ димую для образования единицы поверхности трещины в условиях нормального по отношению к приложенной нагрузке раскрытия. Характеристика К\с является коэффициентом интенсивности на­ пряжений в вершине трещины в момент начала ее нестабильного роста. Коэффициент К\с может быть определен экспериментально, например по методике Ирвина с использованием уравнения

КХс=а,л/я7,

где / — длина боковой трещины или половина длины внутренней трещины; ас — напряжение, соответствующее началу нестабильного роста тре­ щины.

Параметры G\c и К\с связаны между собой со­ отношением:

Здесь Е — модуль нормальной упругости; о — коэффициент Пуассона. В испытаниях по опреде­ лению вязкости разрушения формальное условие вязко-хрупкого перехода имеет вид

В случае, когда рс < л, доля вязкого разрушения в изломе составляет менее 50 %, а при рс > л вязкое разрушение преобладает, и величина К\с быстро растет. Критерий рс = л не зависит от того, какой причиной вызван хрупко-вязкий переход: измене­ нием температуры испытания или толщины (ши­ рины) образца. Как видно, макрогеометричские, морфологические и деформационно-силовые кри­ терии находятся в достаточно сложной взаимосвя­ зи, в которой определяющая и связующая роль отводится внутреннему строению материала. При диагностике разрушения с учетом структурного фактора необходимо найти ответы на следующие вопросы:

• по какой кристаллографической плоскости или иному структурному элементу происходит разрушение?

•какие микромеханизмы разрушения приво­ дят к образованию наблюдаемой поверхности из­ лома?

•какова степень локальной пластической де­ формации, которая предшествует разрушению?

Ответы на поставленные вопросы совместно с результатами макрофрактографического анализа поверхности излома позволяют с большей объек­

тивностью и лучшей достоверностью устанавли­ вать причины разрушения конструкции или детали.

Благодаря развитию методов электронно-мик­ роскопического анализа понимание механизмов разрушения в металлах и сплавах существенно продвинулось вперед. В связи с тем, что глубина резкости и разрешение электронных микроскопов намного превосходят параметры световых микро­ скопов, были выявлены и систематизированы но­ вые особенности в строении поверхностей разру­ шения. Они вошли неотъемлемой частью в совре­ менные научные представления физики, механики и материаловедения о природе прочности и пла­ стичности твердых тел.

При микроскопических электронно-фрактогра- фических исследованиях большинства технически важных металлов и сплавов оптимальными счи­ таются увеличения от х250 до х 10 000. До опреде­ ленного времени большую часть фрактографических изысканий осуществляли с применением просвечивающих электронных микроскопов (ПЭМ). Поскольку проникающая способность электронов ограниченна, наблюдение поверхности разруше­ ния в ПЭМ требует приготовления реплик (отпе­ чатков) с поверхности разрушения, которые про­ пускают высокоэнергетический пучок электронов. Наиболее часто применяются угольные реплики в связи с их прочностью, химической инертностью, устойчивостью при прохождении электронного пучка и электроннографической «бесструктурностью». Оптимальная толщина угольной пленки не более 20 нм. Несмотря на высокое оптическое раз­ решение, реализуемое с помощью отпечатков, ме­ тод реплик чрезвычайно трудоемкий и к настоя­ щему времени имеет' ограниченное распростране­ ние. В установлении и анализе причин разрушений достигнут значительный прогресс благодаря при­ менению растровой электронной микроскопии (РЭМ). При проведении исследований основное преимущество РЭМ заключается в том, что раз­ рушенный образец можно наблюдать непосредст­

Ориентированность ямок наблюдается во всех изломах. Она не всегда может совпадать с направ­ лением макроразрушения, поскольку отражает на­ правление развития повреждаемости в локальном микрообъеме. Например, разрушение литых мате­ риалов может сопровождаться образованием ямок, ориентация которых обусловлена направлением кристаллизации металла. Разрушение, вызванное сочетанием изгиба и растяжения, также может привести к излому с ямками удлиненного вида на плоскостях, перпендикулярных направлению дей­ ствия нагрузки. Основное различие между этими удлиненными ямками и ямками параболической формы заключается в том, что лишь первые ука­ зывают на одно и то же направление действия на­ пряжения на обеих половинах поверхности изло­ ма. Важно, что эти ямки показывают направление развития разрушения «назад» к исходной трещине.

Вне зависимости от фундаментальных разли­ чий, связанных с кристаллической структурой и химическим составом сплава, стадия коалесценции микропор является ключевой в развитии по­ вреждаемости и общей для большинства материа­ лов. Даже аморфные полимеры разрушаются в со­ ответствии с этим механизмом. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют, что разрушение хрупких частиц, развитие повреждае­ мости материалов вблизи межфазных границ меж­

ду частицей и матрицей, взаимодействие дислока­ ционных ансамблей и другие явления, вызванные приложением внешней нагрузки, претерпевают стадии зарождения и накопления микропор и мик­ ротрещин. Обнаруживаемый размер несплошностей оценивают в 0,1 мкм. Поскольку физической причиной их возникновения является напряженнодеформированное состояние в локальном микро­ объеме, а сам размер мал, микропоры и микротре­ щины следует рассматривать как деформационные дефекты кристаллического строения материала. Их не следует путать с технологическими дефек­ тами, например порами, которые образуются при сварке, литье в формы или спекании порошков.

При увеличении уровня локальных напряжений поры растут и объединяются с образованием ши­ рокого фронта трещины. Когда этот растущий де­ фект достигает критических размеров, происходит полное разрушение образца или детали. Даже в состоянии нестабильного (самопроизвольного) роста подрастание трещины происходит путем повторяющихся скачков через стадии образования и коалесценции пор перед фронтом магистральной трещины.

Лабораторными экспериментами было показа­ но, что энергоемкость разрушения возрастает с увеличением глубины и протяженности ямок, на­ блюдаемых в изломе (рис. 3.2.73).