1 Механизм роста трещины и разрушения
Само по себе образование трещин редко приводит к разрушению. Когда трещина из-за усталости материала или из-за коррозии увеличивается до определенного размера, окончательное разрушение будет либо вязким, либо хрупким. Поскольку разрушение сколом обычно связано с малыми пластическими деформациями, его называют хрупким разрушением. Но термин «хрупкое разрушение» часто обобщают и применяют ко всем разрушениям с малыми пластическими деформациями, несмотря на то, что в своей завершающей стадии разрушение является вязким. Такая терминология может легко привести к путанице.
Исследования механизмов разрушения в значительной степени опираются на электронную микроскопию. Наука, связанная с описанием и объяснением процессов разрушения с помощью электронных микроскопов, называется электронной фрактографией.
Электроны могут быть пропущены через слой материала толщиной лишь в несколько сотен или тысяч ангстрем. Поэтому с помощью электронной микроскопии в проходящем пучке исследовать разрушенную поверхность нельзя, а ее форму следует перенести на тонкую, прозрачную для электронов реплику. Наиболее широко используемая технология копирования (рис. 1) включает в качестве промежуточного этапа изготовление реплики из пластмассы. Пластмассу в жидкой форме помещают на разрушенную поверхность (рис. 1, а).
Рис. 1. Двухэтапное изготовление реплик для электронной фрактографии
Поверхность должна быть полностью освобождена от влаги, чтобы пластмасса могла заполнить самые маленькие выемки. После затвердения пластмассу отделяют от поверхности разрушения, помещают в вакуумную камеру и испарением двух угольных электродов наносят тонкий слои угля (рис. 1, б). Испарение некоторых тяжелых металлов, таких, как платина, оттеняет картину и увеличивает контраст. После этого пластмассу растворяют в ацетоне (рис. 1, в), а освобожденная угольная реплика наносится на медную сетку, которая поддерживает тонкую угольную пленку в микроскопе.
Из-за наличия множества мелких неровностей угольная реплика обладает определенной прочностью и жесткостью. Понять это помогает рис. 2, на котором одна и та же поверхность разрушения рассматривается под различными углами, что достигается поворотом образца в электронном микроскопе. Эта технология позволяет с помощью стереографических измерений определить топографию поверхности разрушения.
Рис. 2. Две фрактограммы поверхности усталостной трещины в алюминиевом сплаве:
а — угол поворота образца равен нулю;
б — угол поворота образца равен 33.
Чтобы придать реплике большую прочность, ее поддерживают опорной медной сеткой. При малом увеличении микроскопа становятся видны ячейки этой сетки (рис. 3).
Рис. 3. Разрушение сколом стали. Размер внутренней части ячейки сетки составляет 80 мкм
Изучение механизмов разрушения требует также исследования средствами электронной микроскопии структуры металлов. В этом случае металл должен быть сделан прозрачным для электронного пучка. Это достигается изготовлением из металла средствами технологии электрополировки чрезвычайно тонкой фольги (толщиной 500–1500 Å). При прохождении электронного пучка через металл в местах большой плотности энергия пучка уменьшается, поэтому маленькие частицы внутри фольги будут изображаться как темные области. В местах, где регулярная кристаллическая решетка нарушена, т. е. на границах дислокаций и зерен, электронный пучок отклоняется. Следовательно, на изображении дислокация будет представлена темной линией (рис. 4).
С появлением электронного микроскопа со сканирующим лучом появилась возможность наблюдать поверхность разрушения непосредственно, без реплик. Электронный луч высокой интенсивности сканирует по поверхности разрушения. Возбуждение этими первичными электронами приводит к испусканию с поверхности разрушения других электронов (вторичных). Эти вторичные электроны дают изображение поверхности разрыва, которое делается видимым с помощью катодно-лучевой электронной трубки, сканирование в которой производится так же, как и сканирование электронного луча. На рис. 5 показаны изображения одного и того же участка поверхности разрушения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (а) и микроскопа в проходящем пучке (б) с использованием угольной реплики.
Конечно, каждый из микроскопов имеет свои недостатки. Поскольку возникает сомнение относительно достоверности реплик, одним из наиболее важных достоинств сканирующего микроскопа является то, что он позволяет обходиться без реплик. Из микрофотографий видно, что изображения, полученные с одинаковых мест с помощью обоих микроскопов, согласуются друг с другом. К этому же заключению можно прийти, сравнив микрофотографии поверхностей разрушения, представленные на рис. 5. Изображения, полученные с помощью сканирующего микроскопа, имеют большую глубину, в то время как изображения, полученные с помощью микроскопа в проходящем пучке, более детальны.
Рис. 4. Электронная микрофотограмма сплава Al — Zn — Мg в проходящем пучке:
А — частицы; В — дислокации;
по линии С—С—С проходит граница кристаллического зерна.
Рис. 5. Электронные микрофотограммы одного и того же участка реплики.
Соответствующие точки обозначены одинаковыми буквами.
Вязкое разрушение сплава Al — Cu — Mg