Фрактография в материаловедении

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;