Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Классификация изломов и их характеристика

А. А. РАЖКОВСКИЙ, А. Г. ПЕТРАКОВА

ФРАКТОГРАФИЯ ИЗЛОМОВ

ОМСК 2011

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

__________________________________

А. А. Ражковский, А. Г. Петракова

ФРАКТОГРАФИЯ ИЗЛОМОВ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний к лабораторной работе

для студентов 4-го курса

Омск 2011

УДК 629.4

ББК 39.22

Р95

Фрактография изломов: Методические указания к лабораторной работе/ А. А. Ражковский, А. Г. Петракова; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. 18 с.

Представлено описание лабораторной работы, в которой рассмотрены теоретические основы фрактографии, основанные на практической и теоретической частях системы классификации изломов, выявления причин и характера разрушения. Изложены способы выявления зон разрушения и протекания процесса возникновения и развития трещин. Приведены сведения о методах определения видов изломов и причинах их образования.

Предназначены для студентов 4-го курса очной и заочной форм обучения, изучающих дисциплины «Дефектообразование в объектах железнодорожного транспорта», «Технология производства и ремонта вагонов».

Рис. 3. Прил.1.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор А. В. Бородин;

канд. техн. наук, доцент В. Б. Масягин.

___________________________

путей сообщения, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………….………………………..........
Лабораторная работа. Фрактография изломов…………………………………
1. Классификация изломов и их характеристика……………………………
1.1. Пластичные (вязкие) изломы……………….……………………………
1.2. Хрупкие изломы………………………………………………………….
1.3. Усталостные изломы……………………………………………………..
2. Основы фрактографии……………………………………………………...
3. Порядок выполнения работы…………………………………………….
4. Содержание отчета………….……...….……….…………………….…...
5. Вопросы для самоконтроля…………………………………………...…..
Приложение. Варианты задания для самостоятельной работы …..………

ВВЕДЕНИЕ

С возрастающими усложнением и ужесточением условий эксплуатации современной техники актуальной проблемой становится определение причин разрушения и дефектообразования, особенно в объектах железнодорожного транспорта. Применение новых материалов и технологий при создании железнодорожной техники влечет за собой необходимость изучения причин ее разрушения.

Среди физических методов изучения связи состава и структуры материала с его механической прочностью особое место отводится исследованию поверхностей разрушения, поскольку излом наиболее четко отражает строение и свойства материала в локальном объеме, в котором протекает процесс разрушения. Несмотря на то, что особенностям изломов в практических исследо-ваниях уделяется значительное внимание, научный подход к изучению этих особенностей еще только разрабатывается. Большое количество работ, посвященных вопросам определения причин и характера изломов, было опубликовано в 70-х – 80-х гг. прошлого столетия. Над этой проблемой работали научные коллективы, которые возглавляли В. Д. Алексеев, В. И. Гри-дюшко, Т. А. Гордеев, Я. Б. Фридман. В настоящее время фундаментальных трудов по данной тематике издается недостаточно, хотя проблема определения причин разрушения объектов железнодорожного транспорта актуальна.

В приложении настоящих методических указаний даны варианты задания для самостоятельной работы студентов по определению вида излома, его характеристик и основных зон. Номер варианта указывает преподаватель.

Лабораторная работа

ФРАКТОГРАФИЯ ИЗЛОМОВ

Цель работы: ознакомиться с основами фрактографии, классифи-кацией и строением изломов при проведении макрофрактографии, научиться исследовать изломы различных видов.

Классификация изломов и их характеристика

Изломом называется поверхность полностью разрушенного материала, возникшая при различных способах механического нагружения. Изломы классифицируются по виду нагружения и по характеру разрушения.

Изломы изучают для оценки металлургического качества материала (рыхлоты, крупные неметаллические включения, плены, расслоения); для оценки материала после проведения термических операций; для выяснения причин разброса механических свойств при испытаниях; при изучении механизма и кинетики разрушения (в целях установления связи структуры материала с его способностью тормозить разрушение: что является микроочагами разрушения, а что практически не оказывает влияния на разрушение); при определении вязкости разрушения; при исследовании причин и характера эксплуатационного разрушения.Поскольку зона разрушения сконцентрирована в малом объеме, т. е. всегда более локальна, чем предшествующая разрушению пластическая деформация, процесс разрушения особенно чувствителен к локальным свойствам и тонкой структуре материала (встречаются трудно объяснимые случаи несоответствия вида излома и характеристик разрушения).

Наиболее общая черта изломов заключается в неоднородности их строения. Неоднородность поверхности излома обусловливается наличием в материале зон с различными составом, структурой и свойствами. Макроскопическая неоднородность выражается в наличии на поверхности разрушения достаточно крупных зон, различающихся макроориентированностью, шероховатостью, характером разрушения. Неоднородные по макростроению зоны имеют различное микростроение. Вместе с тем в пределах макроскопически однород-ных зон, как правило, выявляется микронеоднородность. Следует учитывать и неоднородность напряженного состояния.

По виду нагружения изломы бывают трех типов.

1. Динамические изломы от кратковременной однократной нагрузки (удар, изгиб, растяжение и т. п.).К таким изломам относятся статические и ударные изломы при растяжении, изгибе, кручении. Общим для их образования является постепенное, хотя и происходящее с разной скоростью, в течение всего периода нагружения возрастание внешней нагрузки до значения, соответствующего временному сопротивлению образца или детали в данных условиях нагружения.Изломы однократного нагружения принято подразделять на хрупкие и вязкие (пластичные).Характерные признаки хрупких изломов:типично хрупким является разрушение по механизму внутрикристаллического скола;сотовый рельеф, представляющий собой равноосные, мелкие, почти плоские небольшие по протяженности ямки, следует считать также признаком хрупкого разрушения;характерные признаки вязких изломов:ямочный рельеф;образование трещин из отдельных микропор, которые в процессе раз-вития соединяются в единую трещину.2. Статические изломы от постоянной длительной нагрузки (заневоленные пружины, тросы, резервуары высокого давления и т. п.).Характерной особенностью таких изломов является существенно более низкий уровень напряжения по сравнению с кратковременным нагружением, и поэтому для них свойственно значительно более медленное развитие разрушения в начальной стадии распространения трещин в материалах, при уменьшении скорости деформирования наблюдается общая тенденция к межзеренному разрушению.Состав сплава, структура и чистота, а также размер зерен влияют на скорость перехода от внутризеренного к межзеренному разрушению при изменении скорости деформирования. В сложных сплавах переход происходит быстро и отчетливо, в чистых металлах и простых сплавах (где процессы разрушения осложняются более интенсивной миграцией границ зерен) – значительно медленнее и сложнее. Названный переход, как правило, сопровождается снижением пластичности, особенно макропластичности.На таких изломах, как правило, с большим трудом выявляется локальныйочаг разрушения, это является следствием того, что разрушение начинается почти одновременно из многих центров.

3. Усталостные изломы от многократно повторяющихся нагрузок (знако-переменных) (валы, рессоры, шейки осей и т. п.).

Усталостное разрушение из-за локальности пластической деформации можно отнести к особому виду хрупких разрушений, их характерными признаками являются усталостные микроплоскости (рис. 1).

На практике в большинстве случаев встре-чаются комбинированные изломы в результате сочетания двух и более видов механического нагружения. Поэтому приведенную классифи-кацию следует считать условной.

Помимо рассмотренных выделяют водородное растрескивание (разрушение может происходить с формированием фасеток квазиотрыва, по типу хрупкого разрушения или по границам зерен) и коррозионное растрескивание под напряжением.

1.1. Пластичные (вязкие) изломы

Возникающие в эксплуатации аварийные изломы, как правило, не относят к пластичным, так как возникновение пластичного излома означает, что материал до разрушения выдержал нагрузку, соизмеримую с пределом прочности, т. е. соответствующую расчетной нагрузке, и поэтому преждевременного разрушения, столь опасного при хрупких разрушениях, не произошло. Отсюда следует, что причиной возникновения пластичного излома (см. рис. 1) при эксплуатации являются значительные перегрузки, возникшие либо вследствие резкого нарушения нормальных условий работы, либо вследствие ошибки, допущенной при расчете на прочность, неполного учета реальных условий эксплуатации или резко пониженных свойств материала.

Пластическая деформация существенно усложняет строение излома и проявляется прежде всего в его волокнистости. Разрушение вытянутых волокон происходит с образованием матовых площадок. Пластичный излом вследствие сильной деформации зерен не имеет кристаллического блеска.

1.2. Хрупкие изломы

Хрупким называют излом, возникший при отсутствии макроскопической деформации, он имеет кристаллическое строение. Признаком хрупкого излома является наличие на его поверхности множества гладких блестящих площадок – фасеток (рис. 2). Второй особенностью хрупкого излома являются ровные кромки без скосов или с небольшими скосами по периметру излома.

а б

Рис. 2. Виды хрупких изломов:

а – интеркристаллитный; б – транскристаллитный (пятикратное увеличение)

На хрупком изломе можно различить три зоны:

1 – фокус (очаг) излома, т. е. зона, в которой начинается и из которой затем распространяется трещина. Чаще всего фокус располагается на поверх-ности детали;

2 – зона излома, соответствующая начальной стадии разрушения, когда развитие трещины происходит сравнительно медленно. Обычно поверхность этой зоны более гладкая;

3 – зона долома, соответствующая очень быстрому («лавинному») распространению трещины.

При высокой хрупкости разрушения макростроение излома представляется достаточно однородным (см. рис. 2). Для хрупкого разрушения характерна большая скорость распространения трещины при отсутствии пластической деформации. В зависимости от условий разрушения хрупкие изломы имеют разновидности: камневидный, шевронный, шиферный, нафталинистый.

1.3. Усталостные изломы

Усталостным называют излом, возникший от многократного нагружения при напряжениях значительно ниже предела прочности.

На этих изломах более четко, чем на других, выявляется неоднородность их строения, выражающаяся в наличии различных макроскопических зон (рис. 3):

1 – фокус излома, место, где возникает и откуда развивается разрушение (трещина);

2 – зона разрушения, макроскопическое место зарождения излома;

3 – участок избирательного развития трещины, занимающий обычно почти всю поверхность второй зоны и показывающий направление развития трещины от фокуса;

4 – зона ускоренного развития трещины, образуется перед окончательным разрушением детали;

5 – зона окончательного разрушения (зона долома или отрыва).

5 4 3 2 1

Рис. 3. Усталостный излом стали (трехкратное увеличение)

В зависимости от условий разрушения некоторые зоны (вторая, третья и четвертая) могут быть трудно различимыми.

В процессе развития усталостной трещины в детали, продолжающей находиться под нагрузкой, происходит перераспределение концентраций напряжений. Это способствует образованию так называемых усталостных линий в виде уступов или границ зон различной шероховатости. Ближе к очагу разрушения усталостных линий больше.

В период развития усталостной трещины происходит ее многократное раскрытие и закрытие под действием знакопеременных нагрузок, вследствие чего поверхности излома притираются и становятся более гладкими (как бы шлифованными).

Основы фрактографии

Практическое значение изучения строения изломов заключается в уста-новлении причин и характера разрушения деталей в условиях эксплуатации, что необходимо для разработки мероприятий, предупреждающих повторение подобных событий. Кроме того, строение изломов характеризует качество металлов (структурное состояние, наличие дефектов и т. п.).

Исследование строения различных видов изломов называется фракто-графией. Известны макро- и микроскопическая фрактография. Макроанализ – изучение поверхности разрушения невооруженным глазом или с увеличением до 60 раз, микроанализ – с применением металлографического микроскопа (увеличение до 1000 раз) или электронного микроскопа (увеличение более 2000 раз). Кроме перечисленных существуют и другие методы исследований.

По характеру строения излома в процессе его исследования можно установить следующее:

связь между условием нагружения и свойствами материала (излом рассматривается как показатель причины разрушения);

все стадии процесса разрушения (строение излома показывает, как протекал процесс разрушения);

степень деформации, происходившей в процессе разрушения (харак-теристика вида излома – хрупкий, вязкий и т. п.).

Этапы фрактографического исследования изломов заключаются в следующем.1. Составление схемы разрушения, оценка месторасположения излома и его связь с зоной действия наибольших напряжений, оценка наличия конструктивных концентраторов напряжений, выявление в изломе металлургических дефектов.2. Определение вида и степени макропластической деформации и ее локализации в целом и вблизи излома.3. Определение на поверхности излома наличия разграниченных макроскопически различимых по строению и цвету участков (что будет свидетельствовать о протекании разрушения во времени).4. Выявление наличия на изломе продуктов коррозии, окислов и установление их связи с очагом.5. Выявление наличия трещин вблизи и вдали от излома, оценка их расположения, количества, направления.6. Выявление дефектов структуры.7. Составление заключения, включающего в себя оценку качества материала, характера разрушения, факторов, способствующих разрушению, уровень напряжения, температуры, концентраторы напряжений (риски, отсутствие радиусов перехода, перепад жесткости).

Причиной излома являются чрезмерное нагружение материала и дефекты, которые могут быть обнаружены при макроскопической фрактографии. Исследование макрошлифа позволяет определить форму и расположение зерен в литом металле; волокна в поковках и штамповках; дефекты, нарушающие сплошность металла (газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность (ликвацию) сплава и т. п.

В конструкционных материалах даже при преимущественном наличии какого-либо из изломов разрушение имеет смешанный характер. В сталях часто разрушение в микромасштабе начинается хрупко с образованием фасеток отрыва или квазиотрыва, а продолжается по механизму ямочного разрыва. В алюминиевых сплавах в состоянии фазового старения наблюдается первичное разрушение по границам зерен с формированием сотового рельефа, которое пластично продолжается в зерно.Возникающие в эксплуатации аварийные изломы, как правило, не относятк пластичным, так как возникновение пластичного излома означает, что материал до разрушения выдержал нагрузку, соизмеримую с пределом прочности, т. е. соответствующую расчетной нагрузке, и поэтому преждевременного разрушения, столь опасного при хрупких разрушениях, не произошло. Отсюда следует, что причиной возникновения пластичного излома при эксплуатации являются значительные перегрузки, возникшие либо вследствие резкого нарушения нормальных условий работы, либо вследствие ошибки, допущенной при расчете на прочность, неполного учета реальных условий эксплуатации или резко пониженных свойств материала.Практически в любом материале, как бы он ни был пластичен, при статических испытаниях может произойти хрупкое разрушение. Разрушение в этих случаях состоит из многих, достаточно далеко расположенных одна от другой трещин, последовательно соединяющихся между собой. Ситуация усложняется при неблагоприятном структурном состоянии материала (крупный размер зерна, наличие наклепа), что на изломах проявляется в виде флокенов или участков камневидного или нафталинового излома, которые при визуальном рассмотрении или при небольшом увеличении выглядят как очень гладкие блестящие участки. При рассмотрении последних в оптический микроскоп на этих участках обнаруживается определенный рисунок – так называемый рельеф, это может быть рисунок в виде расходящихся лучей или ручьистого узора, образуется он от сливающихся отдельных микротрещин. Соединение происходит либо хрупко вдоль плоскости отрыва, либо с долей пластической деформации, в этом случае – посредством соединительных ступенек, имеющих вид сглаженных гребней.В общем виде следы слияния отдельных трещин в магистральную трещину проявляются на изломе в виде рубцов и ступенек и в образовании слоистых изломов. При высокой хрупкости разрушения макростроение излома представляется достаточно однородным. Степень хрупкости или пластичности можно выявить лишь электронно-фрактографическим анализом. Проводить эти исследования целесообразно сразу после разрушения, чтобы избежать загрязнения и порчи продуктами окисления и коррозии.Для проведения исследований изломов могут быть использованы такие методы:– реплики, проводимые в просвечивающем электронном микроскопе;– получение реальной поверхности образцов с помощью растрового электронного микроскопа.Реплики представляют собой тонкие «отпечатки» с поверхности материала, прозрачные для электронов и воспроизводящие исследуемую поверхность с максимально возможной точностью и чувствительностью. Реплики отчетливо выявляют топографию (рельеф) поверхности металла.Используются реплики простые (пластиковые или угольные): «пики» и «низменности» в них являются обратными по отношению к рельефу исследуемой поверхности, пластиковые реплики – легко изготавливаются, но сложно отделяются от поверхности: чем толще поверхность, тем легче она снимается, но разрешающая способность будет в этом случае меньше; угольные реплики получаются прямым напылением углерода на поверхность в вакууме, отделение таких реплик производится путем растворения находящегося под репликой металла.Преимущество реплик состоит в высоком разрешении, позволяющем увидеть тонкие детали (небольшие карбидные частицы, линии и полосы скольжения), но метод реплик является недостаточно наглядным.Обычно поверхности разрушения исследуются без специальной подготовки на растровом электронном микроскопе (РЭМе). Только в таких микроскопах отображается топография поверхности образца. Особенностью этих приборов является построение изображения по точкам, изображение формируется с помощью сигнала электронов, эмитированных поверхностью непрозрачного образца с последующим сканированием.С помощью РЭМа можно изучать объекты без специальной длительной подготовки и при больших увеличениях. РЭМ позволяет изучать явления, происходящие на поверхностях (оценивать наличие продуктов окисления, наблюдать модификацию поверхности в результате обработки, а также микровыкрашивания и сколы), в некоторых случаях микрофрактограмма может четко отображать микроструктуру излома.Многообразие задач, которые могут быть поставлены при изучении изломов, исключает возможность единого подхода и единой методики их исследования. Метод исследования выбирается с учетом поставленной задачи и изучаемого объекта.

Порядок выполнения работы

1) Изучить классификацию и характеристику основных видов изломов.

2) Изучить этапы фрактографии и способы исследования изломов.

3) Произвести макроскопическую фрактографию излома согласно своему

варианту (см. приложение).

Содержание отчета

1) Краткое описание основных видов изломов.

2) Краткое содержание фрактографии как способа исследования изломов.

3) Схема рассматриваемого излома с характерными особенностями с ука-занием макроскопическиех зон, характера излома и вероятностной причины разрушения детали, а также с характеристикой качества материала раз-рушенной детали.

Вопросы для самоконтроля

1) Что такое излом?

2) По каким признакам классифицируются изломы?

3) Для чего изучают строение изломов?

4) Назовите основные характеристики видов изломов (вязкий, хрупкий, усталостный).

5) Какие дефекты строения металла можно выявить при изучении изломов?

6) Как вид излома зависит от качества металла детали?

7) В чем заключаются основные этапы фрактографии?

8) Какие методы используются для изучения изломов?

ПРИЛОЖЕНИЕ

Варианты задания для самостоятельной работы