Фрактография в материаловедении

• 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.

Макростроение (макрорельеф) излома – набор элементов поверхности разрушения, используемых для идентификации излома и различимых при визуальном рассмотрении или с небольшим увеличением (= 50x).

Макростроение (на примере усталостного излома лопатки компрессора) приведено на рис. 8. На изломе хорошо видны усталостные линии.

Рис. 8. Макростроение (макрорельеф) излома

Схема излома и очаг разрушения приведены на рис. 9 а, б.

Зона излома – участок поверхности разрушения, характеризующийся строением, отличным от строения других частей излома.

Очаг разрушения (рис. 9, а, б) – место зарождения разрушения, оцениваемое на изломе.

Рубцы (рис. 9, б-2) – линии на изломе, представляющие собой следы слияния отдельных, близко расположенных соседних трещин, распространяющихся в одном направлении (как правило, от очага разрушения).

Зона долома (рис. 9, б-5) – участок излома, соответствующий конечной стадии разрушения.

Рис. 9. Схема и очаг разрушения:

1 – очаг разрушения; 2 – ступеньки и рубцы; 3 – усталостные линии; 4 – зона ускоренного развития трещины; 5 – зона долома

Магистральная трещина – трещина, приводящая к окончательному разрушению.

Ступенька (рис. 9, б) – след слияния двух трещин, распространяющихся в различных направлениях, при образовании магистральной трещины.

Усталостные линии (рис. 9, б-3) – линии на усталостном изломе, близкие по форме к концентрическим, образующиеся в процессе роста усталостной трещины и представляющие собой расходящиеся от очага разрушения отметки фронта трещины на определенной стадии ее развития.

Расслоение – (рис. 10) несплошности, образующиеся вдоль границ структурных элементов, ориентированные по направлению деформации.

Микростроение (микрорельеф) излома – набор элементов поверхности разрушения, используемых для идентификации излома, разрешаемых методами световой, электронной микроскопии (при увеличении 50x).

Фасетка – элемент поверхности разрушения с четкими границами, лежащий в одной или близких плоскостях.

Фасетка скола (рис. 11 а, б) – фасетка, образующаяся в результате разрушения по определенным кристаллографическим плоскостям (плоскостям скола), в пределах которой разрушение развивается в одном направлении.

Рис. 10. Расслоение:

а – растровый электронный микроскоп (РЭМ), x3000; б – РЭМ, x15000.

К характерным элементам строения относятся ручьистый узор, язычки. Наличие фасеток скола свидетельствует о внутризеренном хрупком разрушении.

Рис. 11. Фасетка скола:

а – просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ); б – РЭМ, x500, x5400. Стрелкой показано направление разрушения