Фрактография в материаловедении

В условиях развитой межзеренной деформации микропоры могут возникать вблизи стыка кристаллитов А, В и С (рис. 7).

Вакансионная модель образования пор. Деформация ползучести, особенно при высоких температурах и низких напряжениях, связана не с движущимися дислокациями, а происходит вакансионным путем и является результатом направленного массопереноса. Диффузионные потоки вакансий вдоль границ зерен больше транскристаллитных потоков. Это стимулирует зернограничную деформацию и образование трещин и микропор на стыке кристаллитов. Межзеренное проскальзывание вдоль границы со ступенькой способствует образованию микропор.

Микропоры могут образовываться около частиц избыточных фаз, которые чаще всего располагаются на границах зерен. С увеличением поверхностной энергии границы матрица – фаза и уменьшением размера частиц избыточной фазы вероятность образования микропор возрастает. Образование микропор по механизму стока вакансий наблюдается при радиационном облучении.

Рис. 7. Схема зарождения трещины в стыке трех зерен за счет межзеренной деформации [3]

Кроме рассмотренных, возможны и другие механизмы зарождения пор и трещин. Способ образования зародышевых дефектов зависит от типа кристаллической решетки металла и характера микроструктуры. Дальнейшее поведение пор и трещин, определяющее многие механические характеристики материала, зависит от условий нагружения, под действием которых объемные дефекты развиваются.

2.1. Развитие трещины

Вязкое и хрупкое разрушения включают в себя две стадии:

1) зарождение зародышевой трещины;

2) распространение трещины.

По механизму зарождения трещин они принципиально не различаются. Качественное различие между ними связано с энергоемкостью и скоростью распределения трещин. При хрупком разрушении скорость очень велика, она достигает 0,4–0,5 скорости распространения звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется в основном с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

Энергоемкость вязкого разрушения значительно больше, потому что при развитии вязкой трещины пластическая деформация идет не только вблизи ее вершины, но и по значительному объему детали или образца. В результате работа, необходимая для продвижения трещины, здесь значительно больше, чем при развитии хрупкой трещины, когда пластическая деформация локализована в узком слое у ее вершины.

Вторая стадия разрушения является наиболее важной, поскольку именно она в основном определяет сопротивление материала разрушению. По Я.Б. Фридману, процесс разрушения на стадии развития трещины включает следующие этапы:

1) инкубационный, на котором скорость распространения трещины постепенно возрастает;

2) период торможения, характеризующийся замедлением роста трещины;

3) стационарный, когда скорость развития трещины постоянна;

4) ускоренный, иногда идет лавинообразный период роста трещины, с все возрастающей скоростью вплоть до полного разрушения тела.

Первые три периода соответствуют так называемой докритической стадии развития трещины, когда процесс разрушения еще можно контролировать, а четвертый – закритической стадии распространения трещины, когда окончательное разрушение становится уже трудно управляемым и часто необратимым.

Подразделение второй стадии процесса разрушения на до- и за-критическую подстадии имеет принципиальное значение для инженерной практики. Если до недавнего времени конструкция с любой трещиной считалась непригодной для эксплуатации, то теперь при конструировании основным становится принцип «безопасного повреждения», который допускает эксплуатацию при наличии трещин на докритической стадии их развития.

Если поверхность разрушения проходит внутри зерен, то разрушение называют внутризеренным (транскристаллитным), а если по границам зерен – то межзеренным (интеркристаллитным). Часто встречается и смешанное разрушение.

Межзеренное разрушение развивается в том случае, когда границы чем-то ослаблены, например, неметаллическими включениями.

Межзеренное разрушение, как правило, является хрупким. Оно вызывается, например, повышенной концентрацией примесей, способствующей образованию частиц хрупкой фазы на границах зерен. Если такая фаза оказывается более хрупкой по сравнению с матрицей, то хрупкое разрушение выделившихся частиц нарушает сплошность границ, что и приводит к межзеренному разрушению. В некоторых случаях пограничное охрупчивание может быть связано с сегрегациями примесей и без образования частиц второй фазы. Тенденция к межзеренному разрушению усиливается по мере уменьшения скорости деформации.

Трещина может зародиться на границе зерен, но распространяется по телу зерен – такое разрушение называют внутризеренным.

3. Разрушение путем среза и отрыва

По ориентировке микроскопической поверхности различают разрушение отрывом и разрушение срезом: при отрыве эта поверхность перпендикулярна направлению наибольшего растягивающего напряжения, а при срезе наклонена к нему под углом ? 45° (табл. 2). Отрыв происходит под действием нормальных напряжений и обычно наблюдается при хрупком разрушении, а срез происходит под действием касательных напряжений и характерен для вязкого разрушения. Однако и под действием касательных напряжений может происходить хрупкое разрушение, называемое в этом случае сколом. Скол свойственен неметаллам и некоторым малопластичным литым сплавам.

Траектории макроразрушения путем отрыва и среза при разных способах нагружения приведены в табл. 2. Между разрушением путем отрыва и путем среза имеется существенное различие. Отрыв принципиально может быть осуществлен без предварительной макропластической деформации. Срез вызывается касательными напряжениями, которые вызывают пластическую деформацию, и потому, как правило, срезу предшествует пластическая деформация.

Во многих случаях различие между отрывом и срезом становится затруднительным и спорным. Одно из затруднений заключается в том, что часто микрохарактер разрушения не совпадает с макрохарактером; другая трудность состоит в постепенности (неодновременности) процесса разрушения. Только начало излома происходит в исходном напряженном состоянии, а развитие и завершение излома – в условиях изменяющегося из-за развития трещин и сопутствующих этому дополнительных процессов деформации, напряженного и деформированного состояния. Судят о характере разрушения по начальным стадиям разрушения (ориентировка и распределение начальных трещин, строение очага разрушения), по стадиям распространения разрушения и по зоне долома.

У всех металлических монокристаллов может наблюдаться разрушение путем среза, но только после предшествовавшей, обычно довольно значительной, пластической деформации. Ввиду того что у кристаллов с кубической структурой скольжение происходит одновременно по нескольким плоскостям, разрушение путем среза проще количественно изучать у кристаллов с гексагональной структурой (Mg, Zn, Cd), которые при комнатных температурах обладают единственной плоскостью сдвига. Влияние предшествующего наклепа на сопротивление срезу и отрыву может быть различным в зависимости от направления деформации и способа нагружения.

Таблица 2

Схемы разрушения путем отрыва и среза при различных механических испытаниях (по Я.Б. Фридману)

У монокристаллов может наблюдаться значительное по величине как повышение, так и понижение сопротивления отрыву в зависимости от направления деформации.

Разрушение поликристаллов является усредненным проявлением процесса разрушения отдельных зерен (кристаллитов) подобно процессу развития упругой и особенно пластической деформации.

4. Виды изломов

4.1. Исследование макростроения изломов

Исследование макростроения изломов устанавливает:

• вид и характер разрушения металла по признакам, характеризующим качество металла;

• структурные элементы поверхности разрушения, отличающиеся от оптимального строения излома;

• дефекты структуры, приводящие к уменьшению свойств (неметаллические включения);

• макронесплошности, имеющиеся в металле (флокены, поры, расслоения);

• величину дендритов, ликвационных неоднородностей.

С помощью количественного анализа определяют количество, размеры и распределение элементов строения поверхности, отличающихся от оптимальных, а также степень их отрицательного воздействия на свойства металла.

При проведении макроскопического анализа излом оценивают и классифицируют по следующим основным признакам: ориентация поверхности разрушения; макрогеометрия; степень пластической деформации; шероховатость, цвет, блеск.

Ориентация поверхности излома определяется характером нагружения, действием нормальных и касательных напряжений, вызывающих разрушение.

Макроскопическое исследование строения изломов в большинстве случаев позволяет определить характер разрушения (хрупкое, вязкое) и вид нагружения, при котором произошло разрушение (кратковременное, длительное, усталостное и др.).

Исследование строения изломов называется фрактографией, а методы исследования – фрактографическими.

Анализ строения изломов имеет большое научное и практическое значение по следующим причинам:

1. В строении излома находит четкое отражение процесс разрушения, и поэтому анализ строения изломов является единственным методом, с помощью которого после окончания разрушения можно получить сведения о протекании этого процесса.

2. Излом выявляет зоны, где наиболее неблагоприятно сочетаются условия нагружения и свойства материала, его способность к локальному разрушению, так как излом – это след магистральной трещины, оказавшейся решающей для разделения тела.

3. Строение излома отображает локальные условия разрушения в тонкой, примыкающей к поверхности излома зоне, характеристика вида излома (хрупкий или вязкий) оценивает степень пластической деформации, прошедшей в процессе разрушения в тонком слое вблизи поверхности раздела тела.

4.2. Понятия и термины, используемые при описании поверхностей разрушения

Излом – поверхность раздела, возникающая при разрушении объекта.