Лабораторная работа № 10 изучение изломов в материалах методом фрактографии

Цель работы: ознакомиться с методом фрактографии при изучении изломов различных металлов и сплавов

Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы: набор фрактограмм различных изломов материалов.

Теоретические сведения

Закономерности строения изломов в целом зависят от закономерностей процесса разрушения. В связи с этим, излом изучают, во-первых, для оценки металлургического качества материала. Такой дефект обработки, как перегрев, оценивают в конструкционных сталях по наличию камневидного, а в быстрорежущих сталях нафталинистого изломов; рыхлоты, плены достаточно надежно выявляют в изломах литейных материалов и т. п. Определение температурных интервалов хладноломкости или отпускной хрупкости тоже можно отнести к изучению изломов в связи с качеством и составом материала.

Анализ изломов всегда целесообразен для выяснения причин разброса механических свойств при испытаниях. Выяснение действительных причин разброса механических свойств материала при среднем уровне, удовлетворяющем техническим условиям, - это один из путей существенного повышения ресурса и надежности работы материалов в конструкциях.

Фрактографию применяют также при изучении механизма и кинетики разрушения. В этом случае излом в первую очередь связывают с условиями нагружения и параметрами процесса разрушения: характером напряженно-деформированного состоянии, скоростью распространения трещины, видом и схемой приложения нагрузок и т. д.

Различают изломы при однократном нагружении, изломы при длительном действии постоянных (статических) нагрузок, изломы при усталости.

К изломам при однократном нагружении относятся:

- вязкие;

- хрупкие.

К изломам, полученным при длительном нагружении постоянных нагрузок относятся изломы при:

- замедленном разрушении;

- коррозионном растрескивании;

- разрушении от ползучести.

К изломам, полученным при усталости относятся изломы при:

- повторно-статическом нагружении (малоцикловая усталость);

- коррозионной усталости;

- высоких температурах;

- термической усталости.

Вязкие изломы. Влияние на механические свойства материала изменения химического состава, режимов термической обработки, горячей деформации и других факторов в первую очередь проверяют по результатам кратковременных испытаний на растяжение при комнатной температуре гладких образцов, когда возникают вязкие (пластичные) изломы.

При таких исследований фрактографический анализ может дать весьма ценные сведения.

Для однократного нагружения возрастающей вплоть до временного сопротивления разрушению нагрузкой, т. е. при отсутствии преждевременного разрушения, характерным является внутризеренное распространение трещины.

Вязким изломам свойственна неоднородность строения.

Макроскопически излом при вязком разрушении характеризуется волокнистостью, матовой, сильно шероховатой поверхностью, когда разрушение распространяется перпендикулярно направлению действия максимальных растягивающих напряжений, или имеет шелковистый вид, когда оно совпадает с направлением действия касательных напряжений.

Следует иметь ввиду, что термин «волокнистый» излом применяют для двух различных понятий:

- при разрушении сильно деформированных, вытянутых в волокно в процессе нагружения зерен материала, поверхность излома при этом имеет шероховатость в виде каверн (ямок);

- при разрушении вдоль волокна деформированных в процессе изготовления изделий, в изломе наблюдаются вытянутые строчечные неровности, повторяющие волокнистую макроструктуру материала (изломы типа шиферных).

Для вязкого излома характерным является ямочное микростроение.

Такое строение объясняется тем, что при достижении предельных состояний в локальных объемах на участках, представляющих собой препятствия для непрерывности деформации, зарождаются микропустоты.

Часто это границы зерен, субграницы, частицы избыточной и упрочняющей фаз, границы фаза-матрица, участки скопления дислокаций, в гомогенных материалах – место пересечения плоскостей скольжения и т. п.

Микростроение изломов при разрушении по механизму ямочного разрыва представлены на рис.2.

Ямки, наблюдаемые при увеличении оптического микроскопа (см. рис. 2, а), - это крупные углубления с более или менее узкими перемычками между ними.

а б в

г д

Рис. 1. Макрофрактограммы: а,в – оптические,г, д– электронные сплавов ВТ5Л (а, в, г) и ВТ21Л (б, д)

а б в

г д е

ж

ж з и

Рис. 2. Микростроение изломов при разрушении по механизму ямочного разрыва: а – ямочный рельеф сплава АК4-1Т1;б – ямки без следов скольжения у сплава ВТ23; в– следы скольжения на стенках ямок сплава В93;г– серпентинное скольжение у сплава АК4-1Т1;д –параболические ямки у сплава ВТ15;е –ориентированные ямки у сплава ЖС6У;ж– смесь мелких и крупных ямок у сплава ВАД23; з– чередование ямочного рельефа у стали типа Марейджинг;и – ямочный рельеф на границе зерен у сплава ВАД23

Практически на всех изломах ямки имеют ориентированность. Направление вытянутости ямок показывает направление разрушения в микрообъеме, которе не совпадает с направлением макроразрушения (см. стрелку рис. 2, д).

Ориентированность ямок наблюдается в материалах с ориентированной макроструктурой (рис. 2, е). Незакономерная смесь крупных и мелких, а также глубоких и менее глубоких ямок представлена на рис. 2, ж.

Неоднородность в виде определенного чередования микрозон с различными микрофрактографическими характеристиками, например, крупные ямки, окруженные в виде ореола мелкими (рис. 2, з). Межзеренный ямочный разрыв характеризуется более мелким рельефом (см. рис. 2, и), чем внутризеренный.

Центрами зарождения разрушения являются не только частицы избыточных (рис. 3), но и упрочняющих фаз.

а б

Рис. 3. Субзеренное разрушение в области фазового старения сплава В93: а– полностью,б– частично

Электронные фрактограммы стали 30Х2ГСН2ВМ представлены на рис. 4.

а б

Рис. 4. Электронные фрактограммы стали 30Х2ГСН2ВМ: а –при ударном изгибе;б - при статическом изгибе

Излом емкости от однократной нагрузки при наличии коррозионных повреждений показан на рис. 5.

Рис. 5. Излом емкости от однократной нагрузки

Преждевременное разрушение детали из сплава МЛ5 показано на рис. 6.

а б

Рис. 6. Преждевременное разрушение детали из сплава МЛ5:

а– исходная трещина;б– неправильная запрессовка втулки

Хрупкие изломы. Практически в любом материале, как бы он ни был пластичен при статических испытаниях, может произойти хрупкое разрушение, если в нем при нагружении одновременно образуется множество активных дефектов – несовершенств кристаллической решетки, дислокаций.

Дефектное состояние различных материалов проявляется в возникновении специфических хрупких изломов, таких, как нафталиновый, камневидный, черный, флокены в изломах и др.

Хрупкое разрушение может иметь как внутренний, так и межзеренный характер, приводя к образованию кристаллического или зернистого излома. При хрупком внутризеренном разрушении образуются кристаллические фасетки, которые выглядят как очень гладкие блестящие участки (рис. 7, а).

а б в

Рис. 7. Хрупкие фасетки: а – магнитный сплав;б – сталь 35ГЛ;

в– гранулированный титановый сплав

На рис. 7, б показано, как образован рисунок-рельеф.

Это типичный складчатый рисунок или в виде расходящихся лучей или характерный ручьистый узор (рис.7, в).

Характерный излом образцов из стали У7 представлен на рис. 8.

Рис. 8. Изломы образцов из стали У7

Электронная фрактограмма стали 38ХМЮА при ударном нагружении представлена на рис. 9. Границы наклона (рис. 10, а) и соединение фасеток (рис. 10 ,б) по границам зерна титанового сплава ВТ18/ВТ21Л.

Рис. 9. Электронная фрактограмма стали 38ХМЮА при ударном нагружении

а б

Рис. 10. Электронная фрактограмма сплава ВТ18/ВТ21Л:

а- раницы наклона при разрушении;б– соединение фасеток по границам зерна

Фрактограмма излома стали ШХ15 при ударном нагружении показана на рис. 11, а стали 35ГЛ при ударном изгибе – на рис. 12.

Рис. 11. Фрактограмма излома стали ШХ15 при ударном изломе

Рис. 12. Фрактограмма излома стали 35ГЛ при ударном изгибе

Эксплуатационные изломы для сплава Д16Т, В95Т показаны на рис. 13.

Рис. 13. Эксплуатационные изломы для сплавов Д16Т, В95Т

Эксплуатационные изломы для сплава АК4-1Т1 показаны на рис. 14.

Рис. 14. Эксплуатационные изломы для сплава АК4-1Т1 и микроструктуры перегретой зоны и искусственно произведенный излом

Полухрупким изломам присущи микроскопические отметки на изломе в виде «пера», например, для сплава ВТ18 как показано на рис. 15.

Рис. 15. Полухрупкий излом у сплава ВТ18

Изломы при замедленном разрушении.

Замедленным (задержанным) разрушением называют разрушение системы, наступающее с течением времени при статической нагрузке ниже предела прочности без влияния повышенной температуры и коррозионных активных сред.

Наибольшая склонность к замедленному разрушению проявляется в деформированном материале в высотном направлении волокна.

Возникновению излома замедленного разрушения способствует наличия на поверхности детали хрупкого слоя, образовавшегося в результате насыщения газами или другими элементами (наводороживание, науглероживание сталей, титановых сплавов и т. д.) или чрезмерного наклепа.

Часто решающим фактором является действие внутренних растягивающих напряжений, возникающих при сварке, закалке, механической обработке. Возниконовению заме5дленного разрушения способствуют факторы, увеличивающие концентрацию напряжений: риски от механической обработки, дефекты поверхности, недостаточные радиусы в галтельных переходах. На склонность к замедленному разрушению сталей, содержащих водород, значительное влияние оказывает прочность и структура: чем выше прочность, тем больше отрицательное влияние водорода на механические свойства сталей.

При замедленном разрушении могут наблюдаться как множественные, так и единичные трещины. Характер трещин (внутризеренный или межзеренный) зависит от класса и структуры материала. Так, алюминиевые сплавы замедленно разрушаются по границам зерен (то же наблюдается и у магниевых сплавов), стали – часто по телу зерен тили границам субзерен; в титановых сплавах наблюдалось приграничное и внутризеренное развитие трещин.

На рис. 16-24 показаны разрушения и трещины в различных сплавах при замедленном разрушении.

Рис. 16. Трещины при замедленном разрушении

в сплаве системы Al-Zn-Mg

Рис. 17. Замедленное разрушение гладких образцов

из стали Х15Н5Д2Т

а б

в г

Рис. 18. Электронная фрактограмма разрушение детали из стали Х15Н5Д2Т: а – макроизлом;б– в очаге;

в – в доломе;г – воспроизведенный излом

а б

Рис. 19. Разрушение пластин из стали 30ХГСНА:

а – излом;б– ветвление трещины

Рис. 20. Трещины в детали из сплава ОТ4-1:

а– очаги разрушения;б– начальная зона излома;

в – ход трещины

б в

Рис. 21. Разрушение емкости из сплава ВТ14:

а – фрагментальное отделение;б– макростроение излома;в - микростроение излома

Рис. 22. Замедленное разрушение детали из

алюминиевого сплава В96Ц

Рис. 23. Разрушение корпуса маслонасоса из сплава АК8

Рис. 24. Замедленное разрушение болта из стали 40ХНМА

Изломы при коррозионном растрескивании.

Коррозионное растрескивание, или коррозия под напряжением – это процесс образования и развития трещин в результате действия статических напряжений (внешних или внутренних) и коррозионной среды.

Для алюминиевых дисперсно-упрочняемых сплавов наибольшая склонность к коррозионному растрескиванию проявляется в стадии фазового старения.

Для сплавов системы Al-Zn-Mg это объясняется наличием зоны свободной от выделений.

В ряде случаев склонность к коррозионному растрескиванию можно связать с интенсивным распадом по границам субзерен, что может быть причиной возникновения на них высокой концентрации напряжений.

Это наблюдается, например, в сплаве АК6 на участках с внутризеренным разрушением с образованием мелкоямочного рельефа ( рис. 25).

Склонность к коррозии под напряжением в значительной степени зависит от чистоты материала, размера зерна и текстуры.

Так, в стали Н17К12М5Т в состоянии после горячей прокатки и старения разрушение на стадии медленного развития трещины распространялось практически вдоль оси приложения растягивающей нагрузки, а однократный долом проходил перпендикулярно ей .

Разрушения детали из сплава АК6, а также с надрезом из стали Н17К12М5Т в состоянии горячей прокатки, после закалки и при коррозии под напряжением представлены на рис. 26-28.

Рис. 25. Трещина в сплаве системы Al-Zn-Mg

Рис. 26. Разрушение детали из сплава АК6: а – трещины межкристаллитной коррозии;б– макростроение излома;в – межзеренное разрушение;г – усталостные полоски при развитии трещины

а б

Рис. 27. Изломы образцов с надрезом из стали Н17К12М5Т:

а – в состоянии горячей прокатки;б – после закалки + старение

Рис. 28. Изломы стали Н17К12М5Т при коррозии под напряжением: а, в– зона медленного разрушения;

б, г- долом

Изломы при повторно-статическом нагружении.

Повторно-статическое нагружение (малоцикловая усталость) оказывает существенное влияние на несущую способность материалов в конструкциях. Разрушения такого типа встречаются в силовых установках, деталях систем управления, сосудах давления и т. д. Малоцикловая усталость связана с действием высоких напряжений, поэтому изломам присущи особенности строения. характерные для изломов в зонах, примыкающих к долому. Их отличает многоочаговость и расположение зоны долома, близкое к центру сечения образца (при изгибе вращающегося образца). Рассматриваемые изломы характеризуются наличием заметных следов пластической деформации, особенно, на участках окончательного разрушения.

На рис. 29 и 30 на примере излома сплава Д16Т и АК4-1Т1 показаны особенности изломов повторно статического нагружения, при котором уменьшение частоты нагружения при неизменном напряжении приводит к увеличению размеров плоских микроплощадок, так называемых плато, на которых расположены усталостные микрополоски, т. е. с увеличением частоты нагружения разрушение приобретает более дробный, локальный характер.

Рис. 29. Изломы сплава Д16Т

а б

Рис. 30. Стадии разрушения в зонах излома сплава АК4-1Т1:

а-полоски-ступеньки;б– рисунок в виде следа колеса

Усталостные разрушения представлены на рис. 31-36.

б

d

в

Рис. 31. Усталостное разрушение детали из сплава Д1:

а- в месте скопления шлаковых включений;б– в месте скопления интерметаллидов;в– дополнительные очаги при развитии разрушения

Рис. 32. Излом из магниевого сплава ВМ65

Рис. 33. Разрушение детали из стали 30ХГСА:

а– исходная трещина;б– микростроение в исходной трещине;

в- начало развития

Рис. 34. Разрушение штамповой детали из сплава В93

Рис. 35. Усталостный излом в литом сплаве АЛ9

Рис. 36. Деталь из бронзы БрАМц9-2

Изломы при коррозионной усталости.

Разрушение материалов в результате действия повторно приложенных напряжений и коррозионной среды называют коррозионно-усталостным разрушением разрушения типа коррозионного растрескивания и коррозионной усталости имеют общую существенную особенность: на разрушение влияют два фактора – механический и коррозионный.

С увеличением напряжения увеличивается роль механического фактора, с уменьшением напряжения и увеличением агрессивности среды – коррозионного.

Для различных материалов разная среда оказывает различное влияние на усталостные характеристики, характер разрушения и строение изломов.

На рис. 37 показано действие коррозионной среды, приведшее к повреждению детали из сплава ВМ65.

Рис. 37. Коррозионное повреждение поверхности детали

из сплава ВМ65

Коррозионно-усталостное разрушение начинается, как правило, после существенного повреждения поверхности, образования на ней язв, каверн и межкристаллитной коррозии.

Однако, в материалах, мало склонных к очаговой коррозии, при наличии адсорбционн0-активных сред может протекать разрушение, которое относится к категории коррозионно-усталостных.

На изломе отсутствует явно выраженный продукт коррозии, микроусталостные полоски имеют обычный вид.

Коррозионно-усталостные трещины – это в большинстве случаев многочисленные трещины, разветвляющиеся по мере роста и заканчивающиеся пучками, которые напоминают корневую систему растений (рис. 38).

Рис. 38. Коррозионно-усталостные трещины в сплаве

системы Al-Zn-Mg

На рис. 39 показаны примеры коррозионно-усталостных изломов у различных материалов.

В коррозионной среде первая стадия разрушения удлиняется, что обнаруживается также при макроанализе излома по наличию в начальной зоне хорошо выраженной наклонной площадки.

В некоторых случаях наблюдается практически полное разрушении материала по механизму первой стадии.

На фасетках с хрупкими полосками часто наблюдается речной узор.

Наличие микроусталостных полосок, расположенных на поверхности границ зерен, говорит о влиянии повторных нагрузках, приведших к разрушению детали.

Смешанный характер развития трещин – частично по границам, частично по телу зерен – свидетельствует об относительно меньшей доле влияния коррозии на разрушение.

Наличие усталостного рельефа и характер распространения трещины свидетельствует о коррозионно-усталостном разрушении.

Изломы при контактной усталости.

Особый вид разрушения представляет собой контактные усталостные выкрашивания, образующиеся на поверхности металлических изделий при многократном приложении контактных нагрузок и относительном колебательном движении.

Поверхностные контактные разрушения – фреттинг-коррозию или контактную усталость являются не полным разрушением детали на отдельные части, а сочетание очень мелких сколов.

Поэтому усталостное выкрашивание является косвенным фактором, способствующим полному разрушению.

Так, вследствие выкрашивания материала может произойти заклинивание отдельных деталей, целых узлов и их разрушение.

Повреждающее влияние фреттинг-коррозии очень велико при наличии дефектов, вызывающих возникновение внутренних растягивающих напряжений (шлифовочные прижоги) и дефектов, проникающих за упрочненный поверхностный слой (закалочные трещины и т. п.).

Разрушение, при наличии контактной коррозии носит локальный характер, начинается с образования каверн, от которых далее распространяется усталостная трещина; в ряде случаев в местах повреждения образуется целое семейство трещин.

Коррозионно-усталостное разрушение детали из сплава Д16Е показано на рис. 39, а. Хрупкое усталостное разрушение сплава В93 показано на рис. 39, б. Коррозионно-усталостное разрушение заклепок из сплава В94 на рис. 39, в.

Растрескивание материала вблизи основного излома в сплаве АМГ6 на рис. 39, г. Разрушение детали из сплава МЛ5 представлено на рис. 39, д.

а б

в г

д

Рис. 39. Коррозионно-усталостных изломы: а– коррозионно-усталостное разрушение детали из сплава Д16Т;б – хрупкие усталостные полоски с реечным узором у сплава В93; в- коррозионно-усталостное разрушение заклепок из сплава В94;г– растрескивание материала вблизи основного излома в сплаве АМГ6;д – разрушение детали из сплава МЛ5

На рис. 40 представлены типичные изломы от контактной усталости.

Рис. 40. Разрушение детали при контактной усталости

Изломы усталости при высоких температурах.

Усталость при высоких температурах представляет собой сложный процесс, в котором определенную роль играют явления ползучести и повреждения, характерные для длительного статического высокотемпературного нагружения.

Высокотемпературную усталость можно рассматривать как разновидность коррозионной усталости.

В большинстве конструкционных материалов – сталях, алюминиевых, титановых сплавах, в жаропрочных сплавах на никелевой, хромовой, железной основах при температурах, существенно не превышающих рабочие, при отсутствии значительной статической составляющей нагрузки высокотемпературное усталостное разрушение проходит по телу зерен. характер высокотемпературного усталостного разрушения зависит от уровня циклических нагрузок. При малой амплитуде нагрузки (деформация) решающим для разрушения является процесс ползучести. Так, в ά-латуни 70-30 при циклическом кручении при температуре 400 ^○С с амплитудой деформации 3^○ наблюдается межзеренное разрушение.

На рис. 41 представлено изображение усталостного излома сплава ЖС6У.

Рис. 41. Излом детали из сплаваЖС6У

На рис. 42 представлены фрактограммы трещины при высоких температурах в литых сплавах и АМГ6.

Рис. 42. Изломы при высоких температурах

Изломы при термической усталости.

Изломы термической усталости являются результатом действия переменных напряжений, возникающих при температурных изменениях тела. Нагрев и охлаждение детали вызывают неравномерную деформацию, что приводит к возникновению напряжений.

Переменное действие температуры, вызвавшее разрушение, может быть весьма ограниченным, до одного цикла.

Такое воздействие называют термическим ударом.

Закалочные трещины с некоторой условностью могут быть отнесены к трещинам, возникающим вследствие термического удара.

Термическая усталость – это процесс, идущий во времени.

Действие повторных термических напряжений в редких случаях имеет самостоятельное значение.

Значительно чаще термоциклирование накладывается или перемежается с длительным статическим или другим видом нагружения.

Основные характерные особенности явления термической усталости заключается в следующем:

- деформирование происходит в условиях, близких к условиям заданной деформации;

- в течение цикла непрерывно изменяется механическое состояние материала;

- важную роль играют термоструктурные напряжения, накладывающиеся на поле макронапряжений;

- вследствие неравномерности нагревов и охлаждений наблюдается существенная локализация деформации;

- разрушения наступают при значительных знакопеременных пластических деформациях при общем числе теплосмен (циклов), характерном для повторно-статического нагружения.

Количество трещин от термоусталости резко возрастает с увеличением времени эксплуатации детали.

На рис. 43 показаны трещины термоусталости.

Рис. 43. Трещины термоусталости

Правила техники безопасности

1. Проявлять осторожность при осмотре изломов-образцов так, чтобы не поранить пальцы рук.

2. При термоциклировании образцов строго соблюдать меры предосторожности и техники безопасности при работе на нагревательном оборудовании. Печь должна быть заземлена.

3. При необходимом травлении поверхностей образцов следует быть осторожным при использовании химических реактивов, пользоваться защитными резиновыми перчатками и очками во избежание попадания реактива в глаза.

Порядок выполнения работы

1. Изучить метод фрактографии.

2. Сделать зарисовку структур изломов-образцов, которые даны заданием. Определить характер излома, причины его появления.

3. Сделать выводы и рекомендации о недопущении эксплуатации деталей при условиях, приводящих к изломам.

Содержание отчета

1. Краткое описание характеристик изломов.

2. Зарисовки структур различны видов изломов, которые получены методом фрактографии.

3. Выводы.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность метода фрактографии?

2. Чем отличаются вязкие изломы?

3. Чем отличаются хрупкие изломы?

4. Какие факторы определяют изломы при длительном разрушении?

5. Какие факторы определяют изломы при коррозионном разрушении?

6. Какие факторы определяют изломы при разрушении от ползучести?

7. Какие факторы определяют изломы при повторно-статическом нагружении?

8. Какие факторы определяют изломы при контактной усталости?

9. Какие факторы определяют изломы при высоких температурах?

10. Какие факторы определяют изломы при термической усталости?