13. Анализ структуры изломов

13.1. Общие положения

Изломом называют поверхность полностью разрушенного образца или детали при различных способах механического нагружения: растяжении, сжатии, изгибе, кручении, а также при различных комбинациях нагрузок. Вид излома образцов из одного материала зависит от характера приложения нагрузки, например, хрупкие или пластичные изломы при однократном нагружении, усталостные – при действии повторных нагрузок, изломы термической усталости – при одновременном действии нагрузки и температуры (повышенной или пониженной), при действии нагрузок и внешней среды (коррозионной или адсорбционной) и ряда других факторов.

Исследование структуры изломов называется фактографией. Анализ структуры изломов дает сведения о процессе разрушения, которые часто не могут быть получены другими средствами. Поэтому фактографические исследования занимают особое место среди физических методов, позволяющих установить связь состава и структуры материала с его прочностью по причинам:

- излом отражает все стадии процесса разрушения;

- излом позволяет определить наиболее благоприятные зоны с точки зрения условий нагружения и способность материала к локальному сопротивлению разрушению по следу магистральной трещины;

- строение излома (хрупкий, вязкий, квазихрупкий) позволяет оценить степень микроскопической деформации вблизи поверхности разделения тела.

Вид излома может характеризовать и способ нагружения, так как статические, динамические, усталостные и ударные нагрузки имеют специфику строения изломов.

Для фактографических исследований применяют следующие методы:

- макро- и микрофрактографию;

- измерение и фотометрирование геометрии поверхности разрушения;

- рентгеновские, электрохимические, магнитные и другие методы локального исследования фазового состава.

Признаком хрупкого излома является отсутствие заметной пластической деформации, гладкие, ровные кромки излома без скосов или с небольшими скосами, размеры которых растут с ростом деформации. Чаще скосы находятся вблизи зоны долома. Фокус – очаг хрупкого излома находится, как правило, вблизи поверхности (наиболее слабого места). Обычно фокусов много. Расположение фокусов и само их наличие говорит о степени неоднородности процесса разрушения. В начале трещины излом более гладкий, чем в более отдаленных местах развития трещины, где веером расходящиеся рубцы становятся все грубее и шире.

Пластичный (вязкий) излом характеризуется волокнистостью. Разрушение вытянутых волокон сопровождается образованием матовых, чаще темных площадок. Пластичный излом не имеет кристаллического блеска.

Особенностью изломов при ползучести является межзеренное разрушение. Изломы при усталости содержат зоны: очага, усталостного разрушения, долома.

Существует, по меньшей мере, четыре вида разрушения:

- при непрекращающейся пластической деформации;

- отрыв перпендикулярно плоскости плотнейшей упаковки;

- межкристаллитный излом без внутризеренного разрушения;

- срез, как результат сдвиговой деформации.

Фрактограмма – как фотография процесса разрушения, позволяет определить вклад каждого из механизмов и видов разрушения.

Для вязко разрушенных материалов характерен волокнистый – чашечный излом, который зарождается в сильно деформированных участках перед фронтом излома и распространяется путем локального отрыва очагов разрушения, как показано на рис. 10.3 а. Размеры чашек зависят от размера зерна (в случае динамических нагрузок), от уровня предварительной пластической деформации, количества включений. В плоскости действия максимальных касательных напряжений (в шейке) возможно образование удлиненных чашек, как показано на рис. 10.3 б.

По виду излома можно определить тип кристаллической решетки. Чашечный излом наиболее вероятен для ОЦК металлов с выделениями частиц второй фазы. В случае 100% сужения шейки – почти наверняка ГЦК металлы.

Поверхность хрупкого транскристаллитного излома характеризуется речным узором, показанным на рис. 11.1 б. Если вторичное разрушение идет не сколом, а за счет пластической деформации, то на изломе появляются «язычки» (грибки). В случае больших разориентаций зерен трещина останавливается, а скол продолжается путем зарождения новых трещин. Есть основания считать, что направление течения совпадает с направлением разрушения.

Слабое сцепление по границам зерен может вызвать хрупкое интеркристаллитное разрушение, когда трещина не скалывает хрупкие включения, а отделяет их на поверхности примерно одинаково, как видно из рис 11.1 в. Поверхности межзеренного разрушения характеризуются линиями следов выхода дислокаций к границе, что подтверждает один из механизмов образования хрупкой трещины.

Расщепление по плоскостям скольжения – «вязкий скол» проявляется в виде больших, слегка изогнутых поверхностей с отдельными следами линий скольжения, причем их расположение соответствует максимальным касательным напряжениям.

Визуальный осмотр разрушенного образца так же дает интересную информацию. Наличие купола и конуса говорит о смене предварительного пластического разрушения на хрупкое, которое началось изнутри и закончилось на поверхности, в отличие от чисто пластического (100% сужения).

Микроскопическое исследование поверхности может дать информацию о развитии деформации и по следам скольжения, экструзии, трещинообразовании.

На характер разрушения оказывают влияние не только структура сплава, но и способ деформации, температуры испытаний. Так повышение номинального напряжения при циклических испытаниях увеличивает размер зоны долома в усталостном изломе. Примеры влияния способа усталостного нагружения на вид излома приведены в таблице.

Влияние способа усталостного нагружения на вид излома

Вид нагрузки	Высокое номинальное напряжение		Малое номинальное напряжение
	Без надреза	С надрезом	Без надреза	С надрезом
Растяжение
Двусторонний изгиб