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

Количественная обработка профиля бороздча­ того микрорельефа предполагает измерение сле­ дующих параметров:

•величины шага (S) бороздок — расстояния между серединами соседних выступов или впадин, которые наблюдаются в пределах зон распростра­ нения трещины, установленных при качественном макроскопическом исследовании излома;

•протяженности выявленных зон как расстоя­ ния от очага разрушения (или от предшествующей зоны) до границы перехода к зоне с другим релье­

фом;

• расстояния (/) от очага разрушения до анали­ зируемого участка излома в направлении линии, перпендикулярной фронту развития трещины.

При количественной аттестации поверхности усталостного разрушения может возникнуть необ­ ходимость в проведении стендовых усталостных испытаний образцов, вырезанных из металла экспертизной детали или заготовки с идентичным внутренним строением. Такие испытания позво­ ляют осуществить «силовую привязку» исследуе­ мой поверхности к условиям разрушения через величины АК (размах коэффициента интенсивно­ сти напряжений) и N (число циклов развития тре­ щины). Испытания проводят при таких значениях размаха коэффициента интенсивности напряже­ ний, которые на начальном этапе второй стадии усталости обеспечивают скорость (V) роста тре­

dN

вития усталостной трещины — по шагам усталост­ ных бороздок, отнесенных к одному циклу нагру­ жения. Величина АК определяется как разность коэффициентов интенсивности напряжений, соот­ ветствующих максимальному и минимальному напряжениям в цикле нагрузки: АК = Ктт-К тт.

Методика проведения исследования поверхно­ сти усталостного разрушения рекомендует при­ держиваться следующих правил.

2.Начинать изучение поверхности необходимо

скачественного макроскопического анализа с це­ лью выбора мест и направлений последующих из­ мерений, а также выявления зон и установления их границ.

3.Измерение шага усталостных бороздок нуж­ но проводить в направлении от очага разрушения в сторону зоны долома вдоль линии, перпендику­ лярной фронту развития трещины. В случае слож­ ной конфигурации фронта трещины направление для измерений шага бороздок и количество на­ правлений выбирают в каждом случае отдельно.

4.Количество локальных участков, на которых производится измерение шага усталостных бороз­ док, и осреднение результатов измерений опреде­ ляют, исходя из размеров усталостной зоны и раз­ броса значений шага бороздок. При монотонном характере изменения шага бороздок интервалы могут составлять 5-10 % от протяженности иссле­ дуемого участка излома.

5.Количество и размеры микроучастков, в пре­ делах которых производятся измерения шагов S бороздок, следует увеличивать, если рассеяние результатов измерений сопоставимо с самой изме­ ряемой величиной. Каждый микроучасток должен содержать не менее двух блоков с усталостным рельефом, а каждый блок — не менее пяти бороз­ док. На анализируемом участке средний шаг Scp усталостной бороздки определяется как среднее арифметическое от деления протяженности блока на число усталостных бороздок в блоке.

6.Общая длина трещины усталости рассчиты­ вается путем последовательного суммирования расстояний, на которые в камере микроскопа (РЭМ) смещается исследуемый излом в процессе

измерений.

7. По данным, полученным при микрофрактографическом исследовании, строят графики зави­ симости шага S усталостных бороздок от длины / усталостной трещины. График S = f(l) характери­ зует скорость распространения усталостной трещины и используется для определения дли­ тельности (в циклах) ее развития. Анализ полу­ ченной зависимости позволяет судить о характере нагружения (стационарный или нестационарный)

Характеристики ls, IR и 1с и соответствующие пороговые значения ДК (если известны начальные условия нагружения) используются для определе­ ния длительности роста усталостной трещины критической длины на стадии образования одной бороздки за один цикл воздействия нагрузки.

При вычислении напряжений применяется формула

где коэффициент Y рассчитывают для данной де­ тали или изделия.

Качественно об уровне действующего напря­ жения свидетельствуют:

•число очагов разрушения, наблюдаемых на изломе. Большое число очагов наблюдается, как правило, при большом уровне напряжения;

•малая протяженность зоны усталостного раз­ рушения;

•наряду с участками усталостного разрушения наличие зон с микрорельефом статического раз­ рушения;

•вид плато, на котором расположены усталост­ ные бороздки. При высоких напряжениях плато более крупные, чем при низких напряжениях;

•соотношение протяженностей зон, в преде­ лах которых определены соответствующие скоро­ сти распространения трещины: большая доля зоны ускоренного развитая трещины свидетельствует о высоком уровне действующих напряжений.

При микроскопическом рассмотрении изломов третий вид повреждаемости материалов — межзеренное разрушение — распознается сравнитель­ но легко. В данном случае трещина распространя­ ется преимущественно вдоль границ зерен. Возни­ кающая морфология поверхности излома отражает трехмерность зерен.

Межзеренное разрушение обусловлено проте­ канием ряда процессов. Среди них выделяют:

•зарождение и слияние микропор вокруг включений или частиц второй фазы, расположен­ ных вдоль границ зерен;

•образование зернограничных трещин и несплошностей, связанное с неблагоприятным дей­ ствием напряжений, в том числе в условиях не­ равномерных температурных полей;

•нарушение связи между сопряженными зер­ нами из-за присутствия межзеренных сегрегаций, вредных примесей, включений;

•процесс коррозионного растрескивания под напряжением, связанный с химическим растворе­ нием вдоль границ зерен.

Зернограничное разрушение может возникнуть также в результате затрудненной аккомодацион­ ной пластической деформации между соседними зернами вследствие недостаточного числа незави­ симых систем скольжения.

Рассмотренные основные признаки микромеха­ низмов разрушения и образующихся при этом микрорельефов на поверхностях изломов сведены в табл. 3-2.5.7.

Из приведенных особенностей в микрорелье­ фах изломов металлов и сплавов видно, что внутризеренному хрупкому микромеханизму разруше­ ния соответствуют фасетки скола со ступеньками, язычками и речным (ручьистым) узором. К осо­ бенностям квазискола относятся фасетки квазискола, гребни, ступеньки и язычки, образованные при разрушении вдоль границ, сформированных в результате предшествующей микропластической деформации. Микромеханизм вязкого разрушения характеризуется зарождением и слиянием равно­ осных или вытянутых пор.

Межзеренное разрушение (особенно в тугоплав­ ких кубических объемноцентрированных металлах при низких температурах) обусловлено слабостью

этого является склонность к образованию сегрега­

трещин. Кроме того, границы зерен являются мес­ тами преимущественного выделения неметалличе­ ских включений, прежде всего оксидов, которые также могут служить источниками высоких ло­ кальных напряжений, инициирующих возникно­ вение хрупких трещин.

При высоких температурах (выше 0,5Г™) даже в случае очень чистых сплавов разрушение также часто имеет четко выраженный межзеренный ха­ рактер и возникает вследствие высокотемператур­ ной деформации скольжением по границам зерен с зарождением и ростом пор на границах.

Разрушение в условиях усталости характеризу­ ется микрорельефом с бороздками. Но поскольку на изломе могут наблюдаться также признаки хрупкого и вязкого разрушения, оно отнесено к виду смешанного разрушения.

Приведенные примеры количественной обра­ ботки изображений изломов усталости отражают основную современную тенденцию в развитии фрактографии с помощью растровых электронных микроскопов. Она состоит в переходе от качест­ венного описания изломов и структур к количест­ венному. В совершенствовании методов исследо­ вания с помощью РЭМ перспективным направле­ нием является использование методов стереологии

истатистики при проведении измерений и обра­ ботке результатов, определении размеров объек­ тов в третьем (высотном) направлении с оценкой параметров шероховатости и вычислением про­ странственной размерности рельефа, автоматиза­ ции процедуры анализа с помощью анализаторов изображений. Конструкции предметных столиков

идержателей образцов, позволяющих манипули­ ровать исследуемой пробой в трех направлениях координатных осей, обеспечивают получение изо­ бражений без паразитного искажения (параллак­ са). Системы автоподстройки корректируют пока­ зания увеличений РЭМ при изменении фокуси-

ровки или ориентации анализируемой поверхно­ сти образца.

Разрешающие возможности растровой элек­ тронной микроскопии достигают 3-10 нм в режи­ ме вторичных (SE) и 100 нм в режиме отраженных (BS) электронов, что позволяет обнаруживать и классифицировать многие особенности в макро- и микрорельефе поверхностей разрушения.

Литература

1.Ежов А.А., Герасимова Л.П. Дефекты в металлах: Справ.-атлас. М.: Рус. ун-т, 2002. 359 с.

2.Иванова В.С., Шанявский А.А. Количествен­ ная фрактография. Усталостное разрушение. Челябинск: Металлургия, 1988. 400 с.

3.Методические рекомендации МР 189 «Расчеты

ииспытания на прочность. Метод оценки со­ противления металлических материалов уста­ лостному разрушению по шагу усталостных бороздок». М.: ВНИИНмаш, 1980. 51 с.

4.Фрактография и атлас фрактограмм: Справ. / Под ред. Дж.А. Феллоу; Пер. с англ, под ред. М.Л. Бернштейна. М.: Металлургия, 1982.

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

Среди структурно чувствительных методов ис­ следования внутреннего строения металлов и сплавов центральное место принадлежит просве­ чивающей электронной микроскопии (ПЭМ). На­ ряду с другими оптическими методами он прочно вошел в практику работы академических и отрас­ левых научно-исследовательских лабораторий. В современной модификации, как и дифракцион­ ная электронная микроскопия, метод ПЭМ ис­ пользуется для изучения тонких слоев (фольг) ме­ таллов и сплавов в режиме «на просвет». Благода­ ря этому возможно наблюдать и анализировать изображения микро- и мезоструктуры материала, а также дифракционных картин. Эффективный минимальный размер исследуемого участка оцени­ вается в 10-20 нм, а прямое электронно-оптическое увеличение достигает 5 105—1 106 при величине ускоряющего напряжения 100 к В -1 МВ. Стабиль­ ность поддержания увеличения оценивается в 10”6

К настоящему времени приобретены немалый опыт и определенные знания в изучении структу­ ры металлов и сплавов с помощью света, рентге­ новского излучения и рассеяния электронных пуч­ ков разных энергий. С их помощью были усовер­ шенствованы методики получения необходимых образцов (фольг), разработаны новые приемы об­ наружения и анализа особенностей внутреннего строения, количественной интерпретации и на­ глядного представления результатов.

В подготовленном издании авторы стремились доступно, но по возможности строго изложить сведения методического характера, которые необ­ ходимы при изучении металлических материалов с помощью фольг. Поэтому вопросы, касающиеся теории формирования изображений в электрон­ ном микроскопе, а также проведения исследова­ ний с помощью реплик (отпечатков), не рассмат­ риваются.