20.01.2015

Макрофрактография

Учитывая известное поведение материала, поверхность излома уже по его положению в пространстве можно отнести к действующим напряжениям, при определенных критических напряжениях, наоборот, ход излома характеризует материал как хрупкий или вязкий. Так, макрофрактографически, т.е. при оценке излома простым глазом, уже можно увидеть подчиненность напряжениям или свойствам материала (рис. 4.2.1).
Силовые разрушения

У хрупкого материала излом появляется в основном перпендикулярно главному нормальному напряжению, т.е. излом от нормального напряжения происходит благодаря преодолению сил сцепления между кристаллическими плоскостями. Если материал обладает пластичностью, то сначала появляются скольжения и только при исчерпывании этих систем скольжения и при создании напряжений, необходимых для преодоления сил сцепления, происходит затем разделение в направлении напряжения основного сдвига.
Образование излома от нормального напряжения или от напряжения сдвига, т.е. хрупкого излома или вязкого разрушения, зависит не только от свойств материала, но и также от толщины детали. При больших поперечных сечениях у вязкого материала вначале может возникнуть динамическая трещина как скол от напряжения сдвига, причем перед вершиной развивающейся трещины увеличивается концентрация напряжения. Она описывается коэффициентом интенсивности напряжения К и зависит от деформационной способности материала и от напряженного состояния в детали. С распространением трещины в поперечном сечении возрастает торможение деформации в вершине трещины благодаря переходу от плоского напряженного к плоскому деформированному состоянию.
Так как затем напряжения в вершине трещины пластически уменьшаются в меньшей мере, то в этом месте возрастает напряжение. Когда накопленная упругая энергия G достигает сопротивления R трещины материала, трещина распространяется нестабильно, т.е. без повышения внешней силы, действующей на детали или пробе. Таким образом, условия для хрупкого излома существуют тогда, когда при удлинении dl трещины длиной l расход упругой энергии dG достигает сопротивления трещины dR:
Силовые разрушения

Критическое значение для нестабильного распространения трещины, т.е. для опасности внезапного выхода из строя хрупкой детали, указывается с помощью критического коэффициента интенсивности напряжения Kc, H*мм-3/2:
Силовые разрушения

где σc — напряжение в конструкционной детали; Gc — критическое значение упругой накопленной энергии; E — модуль упругости; M — коэффициент, учитывающий форму и расположение трещины, а также действие пластической зоны, возникшей в вершине при ее росте (ср. испытание материала).
При данном состоянии материала в зависимости от толщины детали при растяжении внешний вид излома различен. Излом от напряжения сдвига оказывается при увеличении поперечного сечения детали хрупким разрушением с выступами сдвига и, наконец, заканчивается изломом от нормального напряжения (рис. 4.2.2). Излом шатуна от растяжения, возникший из-за разъедания поверхности, демонстрирует повреждение по всей толщине. Излом представляет собой разрушение от нормального напряжения с выраженными ступенями сдвига (рис. 4.2.3).
Микрофрактография

Микрофрактографический анализ поверхности излома лучше всего подходит для отображения условий зарождения и распространения трещин. У вязкого материала при большом удлинении в структуре образуются сначала раковины (поры, микропоры); они увеличиваются, стенки их удлиняются до нарушения целостности материала (рис. 4.2.4). При этом возникает характерная ячеистая (сотовая) структура, причем исходная точка ячеек проявляется в местах торможения деформации вследствие взаимодействия дислокаций или нагромождения дислокаций на слабо деформируемых структурных составляющих (рис. 4.2.5). Из формы ячеек можно локально и дифференцированно сделать вывод о вызывающих излом нагрузках, благодаря чему дополнительно к макрофрактографической характеристике поверхности излома создается важный критерий для анализа перенапряжений (рис. 4.2.6; см. рис. 4.2.4, 4.2.5).
Силовые разрушения

При ограниченной деформируемости пластические зоны материала, характеризующиеся ячейками, ограничиваются лишь небольшими участками. При возрастающей нагрузке на границах этих пластических зон образуются такие высокие концентрации напряжения, что появляются локальные участки нестабильности и соответственно локально ограниченные, похожие на хрупкий излом, распространения трещин. Такой вид распространения трещин проявляется в виде дорожек, похожих на розетку, в которых быстро распространяется разделение, но материал еще в состоянии снова задерживать распространяющуюся трещину, так что для дальнейшего увеличения трещины снаружи необходимо новое поступление энергии. Описанные процессы четко видны в розеточном изломе (рис. 4.2.7, 4.2.8).
Силовые разрушения

Хрупкое разрушение материала проявляется микрофрактографически в том, что при распространении трещины пластические процессы, т.е. введение в действие систем скольжения, больше не существуют, а кристаллиты (зерна) разделяются вдоль их кристаллографических плоскостей при преодолении сил сцепления между атомами (рис. 4.2.9, 4.2.10). При этом фронт трещины проходит через материал, и этот фронт нельзя больше выявить пластически. При формах проявления разделений по рис. 4.2.4, 4.2.10 речь идет о транскристаллитных изломах, так как поверхность излома проводит каждый раз через отдельные кристаллиты (лат. trans — через).
Для выяснения характера и причин перенапряжения микрофрактография сегодня незаменима.
Последовательный и систематический порядок действий при анализе перенапряжений основывается на логической связи результатов исследований различными способами, причем металлография, макро- и микрофрактография занимают важное место. На примере круглого образца, разрушенного в направлении поперечного сечения, можно продемонстрировать, как при нескольких возможных причинах перенапряжения можно установить точную причину при помощи критериев из различных методов исследования.
Силовые разрушения

В выбранном примере по правилам макрофрактографического протекания разрушения (см. рис. 4.2.1) разделение в направлении поперечного сечения возможно при хрупком изломе при испытании на растяжение или вязком изломе при испытании на скручивание. Для дальнейшего определения напряжений, вызывающих излом, необходимы микрофрактографические признаки излома, которые позволяют четко установить хрупкий или вязкий излом (рис. 4.2.11).
При помощи микрофрактографического анализа поверхности излома можно определить при протекании перенапряжений также причинное и сопутствующее действие дефектов материала и изменений в нем. Повышение хрупкости вследствие наличия водорода или благодаря сегрегации границ зерен проявляется в межкристаллических изломах, причем на вид межкристаллического охрупчивания указывают дополнительные признаки. На примере рис. 4.2.12 волосяные линии характеризуют на плоскостях границ зерен и поры охрупчивание водородом как причину межкристаллического излома.
Силовые разрушения

Силовые разрушения