14635

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ

Лабораторная работа

Физика

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ Методические указания к лабораторным практическим работам и КНИРС по специальным дисциплинам для студентов всех металловедческих и материаловедческих специальностей Методические указания содержат терминологию принятую в настояще

Русский

2013-06-08

8.7 MB

72 чел.

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ

Методические указания к лабораторным, практическим работам и КНИРС по специальным дисциплинам для студентов всех металловедческих и материаловедческих специальностей

Методические указания содержат терминологию, принятую в настоящее время для анализа изломов; описание методики получения фрактограмм, методику макро- и микроанализа изломов.

Методические указания предназначены для лабораторного практикума, КНИРС и дипломирования.

Библиогр.: 5назв. Рис.8.

Подготовлено кафедрой «Термообработка и физика металлов».

Уральский государственный технический университет – УПИ, 2007

1. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ

Разрушение -  разделение тела на части под действием напряжений. Процесс разрушения начинается с образования трещин субмикроскопических размеров, их развития и заканчивается макроскопическим разделением тела, то есть это процесс, который развивается во времени и проходит последовательно подготовительную, критическую закритическую стадии [I].

1.1. Терминология

Отрыв и срез:

В  макроскопической  теории  прочности различают два вида разрушений:

1) Отрыв в результате  действия растягивающих напряжений;

2) Срез под действием касательных напряжений.

Отрыв может произойти  без  предварительной макроскопической деформации, в то время как разрушению среза такая деформация всегда предшествует. Поэтому отрыв, как правило, соответствует хрупкому, а срез  вязкому разрушению. Именно на эти два типа подразделяется большинство случаев в металловедении [I].

Хрупкое и вязкое, разрушения отличаются:

1) Величиной пластической деформации перед разрушением.

Перед хрупким разрушением она отсутствует или намного меньше,  чем перед вязким, но четкой количественной границы провести нельзя;

2) Скоростью распространения трещины.

При хрупком  разрушении  она  составляет/(0,4-0,5)  от  скорости распространения звука в металле (~5*103м/с). В случае вязкого разрушения трещина распространяется с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

  1.  Типы разрушений по распространению трещины в поликристалле.

Если трещина в поликристалле распространяется по телу  зерна, то это внутризёренное (транскристаллитное) разрушение.

В случае распространения трещины вдоль границ - межзёренное (интеркристаллитное) разрушение.

При низких температурах межзёренное разрушение обычно наблюдается в хрупких материалах и часто обусловлено наличием на поверхности границ зёрен частиц хрупких фаз и сегрегаций примесей.

Такое разрушение может происходить и при повышенных температурах в условиях интенсивного развития межзёренной деформации.

2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ

Любое исследование разрушений начинают, как правило с визуального осмотра излома, а затем проводят более детальное изучение поверхности разрушения с помощью лупы или стереомикроскопа с небольшим увеличением (макроанализ изломов). Результаты этих наблюдений регистрируются, их учитывают при последующем анализе.

Следующий этап исследования, позволяющий получить более полные и подробные сведения о структуре поверхности разрушения, проводятся с использованием электронных микроскопов, обладающих большой глубиной резкости и высокой разрешающей способностью (микроанализ). При этом выявляется сложное строение изломов, отражающее многообразие микромеханизмов разрушения.

2.1. Растровый электронный микроскоп (РЭМ)

РЭМ состоит из следующих систем:

- электронно-оптической;

- вакуумной;

- системы, управляющей пучком.

В РЭМ можно получить увеличение от 5 до 240000, разрешающая способность примерно 100 А.

Принципиальная схема РЭМа, используемого во фрактографических исследованиях, показана на рис. 1.

Электронная пушка 1 (в верху колонны), эмитируя электроны из нагретой нити и ускоряя их, создает постоянный поток электронов, направленный вниз по колонне. Для оптимальной работы прибора используют ускоряющее напряжение от 20 до 25 кВ.

Конденсорные линзы 3,4 фокусируют поток электронов в тонкий пучок (зонд), образующий на поверхности образца пятно минимальной величины. Разрешающая способность РЭМ определяется диаметром этого пятна.

Устройство растрового электронного микроскопа:

1 – электронная пушка; 2 -  пучок электронов; 3 – первая конденсорная линза; 4 – вторая конденсорная линза; 5 – генератор развертки; 6 – катушки двойного отклонения; 7 – объективная линза; 8 – образец;

9 – детектор электронов; 10 – усилители сигналов; 11 – Вакуумная система; 12 – Электронно-лучевая пушка.

Рис. 1.

При попадании сфокусированного пучка первичных электронов на поверхность излома возникает несколько сигналов: эммитируются отраженные и вторичные электроны, рентгеновское излучение, часть потока электронов проходит через образец, а часть поглощается. Детектор 9 улавливает электроны, покидающие  поверхность  образца, сигнал усиливается и используется для  управления  яркостью  пятна электронно-лучевой трубки.

Изображение создаётся путём подключения сканирующего генератора 5 к отклоняющим  катушкам 6 в колонне электронного микроскопа и к отклоняющим пластинам принимающей электронно-лучевой трубки 12.

С помощью одной или двух электронно-лучевых трубок получают конечное изображение. Одна электронно-лучевая трубка предназначена для визуального наблюдения, а другая для фотографирования.

Давление в колонне не должно превышать 10-4 мм рт. ст. [2].

2.2.Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)

Основные узлы ПЭМа схематически показаны на рис. 2. Основой ПЭМ является источник  электронов 1 (пушка), которая  испускает поток электронов от нагретой нити в камеру. Давление в камере 10-4 мм рт. ст.

Поток электронов проходит через центральное  отверстие   анода 2, затем через конденсор 4, состоящий из  двух  магнитных  линз, которые фокусируют пучок на образце.

Поток  электронов  проходит  через  магнитные    линзы    6,7,8 (объективную, промежуточную, проекционную), формируя последовательно три изображения, каждое из  которых  увеличено  по отношению к предыдущему, что обеспечивает  получение  общего увеличения от 210 до 300000.

Полученное увеличенное изображение наблюдают либо непосредственно на флюоресцентном экране, либо на фотопластинке._

Ускоряющее напряжение находятся в диапазоне от 20 до 120 кВ [2].

Как РЭМ, так и ПЭМ имеют свои преимущества и недостатки. Ни один из этих микроскопов не перекрывает полного диапазона возможностей другого.

РЭМ позволяет давать достоверное толкование особенностей строения поверхности разрушения, обеспечивая непосредственное изучение излома. Недостаток РЭМ - искажение размеров деталей изломов при наклоне образца.

Достоверность фрактограмм, получаемых с помощью ПЭМ, зависит от того, насколько верно реплика воспроизводит топографию излома,

Наблюдение в РЭМ и соответствующие фотографии дают трехмерный эффект, который при наблюдении в ПЭМ отсутствует.

В РЭМ при использовании наклонного и поворотного столика могут быть изучены все поверхности образца сечением до 25 мм. Реплики, используемые в ПЭМ, обычно охватывают  участок  не  более чем квадрат со стороной 3 мм.

Устройство просвечивающего электронного микроскопа:

1 – источник электронов; 2 – анод; 3 – диафрагма; 4 – конденсатор; 5 – образец; 6 – объективная линза;

7 – промежуточная линза; 8 – проекционная линза; 9 – изображение.

Рис. 2.

3.МАКРОАНАЛИЗ ИЗЛОМОВ

Излом - поверхность раздела, возникающая при разрушении объекта.

Макростроение излома - набор элементов поверхности разрушения, используемых для Идентификации излома и различимых при визуальном рассмотрении или с небольшим увеличением (< 50) [3].

3.1. Хрупкий излом.

Хрупким можно считать такое разрушение, которое характеризуется малой энергоёмкостью и развивается автокаталитически при достижении определенного напряжения, не требуя его дальнейшего увеличения.

Хрупкое разрушение происходит путём образования и распространения «хрупкой» трещины (которая зарождается в результате микропластической деформации) при низких номинальных напряжениях, причём рост трещины на определённой стадии становится неуправляемым, то есть запасённой упругой энергии достаточно и для образования новых  поверхностей, и для пластической деформации прилегающих объёмов.

Таким образом, хрупкое разрушение можно представить как последовательный разрыв сил межатомного взаимодействия по плоскости, перпендикулярной действующему нормальному напряжению [4].

Признаком хрупкого разрушения является кристаллический излом, поверхность разрушения которого состоит из блестящих плоских участков [3].

3.2. Вязкий излом.

Вязкому разрушению - уделяют меньшее внимание, чем хрупкому. Это связано с его меньшей опасностью при техническом использовании металлических материалов, так как развивается оно с меньшей скоростью.

Вязкому разрушению предшествует значительная макропластическая деформация, так как оно развивается при напряжениях, превышающих предел  текучести, и суммарная энергоёмкость процесса велика. Скорость роста «вязкой» трещины мала, а сам процесс её роста невозможен без пластической деформации [4].

Характерным признаком вязкого разрушения является волокнистый излом, имеющий матовую шероховатую поверхность, как правило, с признаками пластической деформации [3].

3.3. Смешанный излом.

Разрушение, во многих случаях может быть смешанным, то есть обладать чертами вязкого и хрупкого разрушения одновременно: в изломе, имеющем волокнистую структуру и матовый оттенок, присутствуют и блестящие кристаллические участки, характерные для хрупкого разрушения.

Смешанный излом может наблюдаться, например, в низколегированных сталях в диапазоне температур перехода.

4. МИКРОАНАЛИЗ ИЗЛОМОВ.

При малых увеличениях детали фрактограмм помощью РЭМ,  очень похожи на особенности разрушения,  видимые невооружённым глазом. Однако при высоких увеличениях выявляются тонкие детали,  нуждающиеся в классификации и соответствующем описании для установления связи вида фрактограмм с действующим механизмом разрушения.

4.1. Хрупкое разрушение.

4.1.1. Внутризёренный скол.

При разрушении сколом путь разрушения соответствует некоторой внутризёренной (транскристальной) плоскости, которая является кристаллографической плоскостью.

На рис. 3 представлен снимок поверхности разрушения образца, обнаруживающей детали рельефа, типичные для скола. Очевидно, что плоскость разрушения меняет свою ориентировку от зерна к зерну. Изменение направления от зерна к зерну приводит к ветвлению трещины вдоль различных плоскостей и в результате к хаотическому общему виду поверхности разрушения.

Однако помимо плоскостей скола (фасеток скола) можно идентифицировать и другие детали, типичные для скола. На рис. 3 различимы ручьистые узоры, представляющие собой ступеньки между различными локальными фасетками скола одной и той же общей плоскости скола. Ступеньки ручьистых узоров обычно представляют собой результат пересечения трещиной либо плоскостей скола, либо винтовых дислокаций, которые располагаются на пути распространения фронта трещины; стремясь к минимуму энергии разрушения, они объединяются подобно ручьям в направлении распространения трещины. Таким образом, следуя за ручьистым узором, можно определить направление распространения трещины.

Вторая важная деталь рельефа разрушения сколом, часто обнаруживаемая в железе и низкоуглеродистой стали, носит название язычков. Язычки наблюдаются на фасетках скола и представляют собой очень тонкие отщепления металла треугольной или трапециевидной формы. Эти отщепления обычно имеют чётко выраженные кристаллографические направления. Такие детали рельефа обусловлены сколом вдоль микродвойников, образованных пластической деформацией в вершине главной распространяющейся трещины [2].

4.1.2.Межзёренное разрушение.

Межзёренное разрушение происходит в случае распространения трещины вдоль границ. Оно может идти путём катастрофического хрупкого расщепления границ или расщепления, сопровождаемого слиянием микропор по границам раздела зёрен. Межзёренное хрупкое разрушение обычно представляет собой результат сегрегации термически активированных примесей, которые обеспечивают расщепление зёрен вдоль гладких плоских границ раздела.

Межзёренное разрушение может быть обусловлено, например, водородным охрупчиванием либо возникать при растрескивании в результате коррозии под напряжением.

Межзёренное разрушение идентифицируют по наличию зернограничных фасеток, в виде многоугольников, и рассматривают как основной механизм разрушения, если такие фасетки составляют статистически значимую часть поверхности разрушения [2]. Типичный пример межзёренного разрушения приведён на рис. 4. Кроме того, когда разрушение идёт вдоль границ  зёрен,  полностью  отсутствуют ручьистые узоры.

4.2. Вязкое разрушение

Резкое разрушение обычно считают конечным результатом зарождения и роста пор. Поры образуются вблизи распространяющейся трещины и присоединяются к её вершине. Процесс такого присоединения является фактически своеобразной формой образования внутренней шейки, когда материал между порами и вершиной трещины (как и между самими порами, удалёнными от вершины) деформируется до тех пор, пока не потеряет способность выдерживать нагрузку. Фрактографическим признаком вязкого излома является наличие ямочного микрорельефа [5].

Микропоры часто зарождаются на поверхностях раздела между матрицей и частицами, такими как карбиды, дисперсные выделения и включения, а также на несовершенствах типа микропористости и микротрещин. В условиях трёхосного напряжённого состояния впереди вершины трещины эти микропоры растут и распространяются вплоть до момента слияния, оставляя позади себя на поверхности разрушения полусферические полости, известные как «ямки».

На рис. 5 показана поверхность вязкого разрушения. Очагами зарождения микропор были неметаллические включения, в этом случае частицы сульфида марганца. Частицы располагались в центре ямок.

Ямки подразделяют на три группы: равноосные, ямки сдвига и ямки отрыва. Однако на фрактограммах равноосные  ямки  не  всегда выглядят точно равноосными, так как в РЭМ для обеспечение хорошего контраста часто используют углы наклона от 30 до 45°,  из-за  чего может искажаться внешний вид ямок.

Зона боковых скосов ударного образца Шарпи или разрывного образца будет обнаруживать хорошо различимую сетку овальных ямок, вытянутых в одном и том же направлении - направлении сдвига при деформации перед разрушением. Все эти ямки параллельны направлению сдвига.

Ямки отрыва образуются в результате внецентренного напряжённого состояния. Обнаружено, что внецентренное напряжённое состояние возникает, например, при ударных испытаниях, когда на надрез действует расклинивающая сила. Слияние микропор обусловлено отрывом и раскрытием трещины под действием приложенной нагрузки. В результате образуются вытянутые ямки, известные как ямки отрыва, которые имеют вид парабол развёрнутых в направлений зарождения трещины [1].

Размеры и форма ямок вязких изломов редко бывают однородными. В технических материалах может наблюдаться широкий диапазон размеров ямок. На рис. 6 поверхность разрушения содержит как крупные ямки, так и сеть мелких ямок.

4.3..Квазискол.

В сталях, закалённых на мартенсит и отпущенных на температуры, отвечающие выделению дисперсных карбидов, размер и ориентировку плоскостей скола внутри бывшего аустенитного зерна в некоторых случаях трудно определить. Вместо истинных плоскостей скола слабо различимы фасетки скола меньшего размера, которые инициированы карбидными частицами или большими включениями.

Эти небольшие фасетки скола рассматривают как плоскости квазискола, так как, хотя они и похожи на фасетки скола с ручьистыми узорами, исходящими из мест зарождения трещин, до последнего времени не удалось чётко идентифицировать их кристаллографические направления [2].

Фасетки квазискола на поверхности разрушения показаны на рис. 7. Плохо  различимые  фасетки  квазискола  соединены  между собой гребнями отрыва и неглубокими ямками. Гребни предстовляют собой вытянутые участки, возвышающиеся  над  поверхностью разрушения, образовавшиеся в результате пластической деформации и разрушения перемычек между другими элементами излома.

4.4. Механизмы смешанного разрушения.

Разрушения которые одновременно осуществляется под действием двух или более механизмов, обычно называют, разрушением «смешанного типа».

Причины  возникновения  разрушений по смешанному механизму столь же многообразны, как  изломы в которых они наблюдаются. Разрушение смешанного типа обычно означает, что взаимодействующее влияние каких-то факторов заставили разрушение отклониться от одного определённого механизма. Рассмотрим некоторые примеры.

Скол в сочетании со слиянием микропор представляет собой сочетание механизмов разрушения, которые могут возникать в низколегированных сталях в диапазоне температур вязкохрупкого перехода. Пример сочетания фасеток скола и ямочного рельефа показан на рис. 3,4.

Внутризёренный скол в сочетании с межзёренным разрушением возможен тогда, когда эффективные напряжения расщепления по границам зёрен и внутризёренного скола приблизительно равны.

Слияние микропор в сочетании с межзёренным разрушением наблюдается в высокопрочных конструкционных материалах с высокой вязкостью, таких как титановые сплавы и сталь. В металлах, где межзёренное разрушение является предпочтительным, но не единственным путём трещины, остальной материал может .разрушаться путём слияния микропор. Пример разрушения этого типа приведен на рис. 8.

        Внутризеренной разрушение                              Вязкое разрушение стали

         стали 08Г3Н3МАФ х 800                                           05Г2С2 х 800

                             Рис.3                                                                 Рис.6

           Межзеренное разрушение                            Квазискол в стали

            сплава ВТ-22 х 150                                              40ХТР х 400

                         Рис. 4                                                               Рис.6

                Вязкое разрушение                       Сочетание вязкого с межзеренным

                стали 20Г1Ф х 800                         разрушением в сплаве ВТ-9 х 1000

                         Рис.5                                                             Рис.8

Задания по работе

Задание 1. Изучить полученные образцы и выявить наиболее важные детали излома. Исследование разрушенных образцов начать с визуального осмотра, а затем провести более детальное изучение изломов с помощью лупы или стёреомикроскопа с небольшим увеличением ~10 раз. Определить виды изломов, обосновать свои предположения о характере и причине разрушения.

Задание 2. Изучить предложенные фрактограммы, полученные с помощью РЭМ. Выявить основные типы рельефа разрушения и описать их. Сделать выводы относительно характера и причин разрушения.

Задание 3. Провести анализ изломов. Построить зависимость процента волокнистой составляющей от температуры испытаний. Определить температурный порог хладноломкости по величине хрупкого квадрата.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

1. Золоторевский В.С. Механические испытания и свойства металлов. М.: Металлургия,1983. 302с.

2. Фрактография и атлас фрактограмм: Справ. изд.: Пер. с англ. Под ред. Феллоуза Дж. М.: Металлургия, 1982, 489с.

3. РД 50-672-88. Расчёты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов. М.: Изд-во стандартов, 1989. 20 с.

4. Бернштейн М.Л., 3аймовский В.А. Механические свойства металлов М.: Металлургия, 1979. 492с.

5.Гольдштейн М.И.,  Литвинов В.С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. М.: Металлургия, 1986. 311с.

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ

Составители Денисова Иделина Кузьминична

Пышминцев Игорь Юрьевич

Емельянов Андрей Александрович

Редактор И.В. Коршунова


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17899. Науково-технічний потенціал і його роль в розвитку сучасного світового господарства 78.5 KB
  Лекція 7. Науковотехнічний потенціал і його роль в розвитку сучасного світового господарства 1. Загальне поняття і критерії оцінки науковотехнічного потенціалу Дія науковотехнічного прогресу на розвиток економіки і всіх сфер діяльності людського суспільства в су...
17900. Загальне поняття галузевої структури і роль сучасної промисловості в світовому господарстві 46 KB
  Лекція 8. Загальне поняття галузевої структури і роль сучасної промисловості в світовому господарстві 1. Загальне поняття галузевої структури Структура економіки багатопланове поняття розглядати яке можна з різних точок зору та яке показує співвідношення різних ...
17901. Сучасний стан і перспективи розвитку в головних галузевих комплексів світової економіки 105 KB
  Лекція 9. Сучасний стан і перспективи розвитку в головних галузевих комплексів світової економіки 1. Паливноенергетичний комплекс ПЕК його структура і тенденція розвитку Галузі ПЕК відносяться до капіталомістких галузей. У промисловості розвинених країнах де пред...
17902. Чинники, які впливають на міжнародні економічні позиції країни 58.5 KB
  ЕКОНОМІЧНА БЕЗПЕКА КРАЇНИ Лекція 10. Чинники які впливають на міжнародні економічні позиції країни Будьяка нація є складовою частиною світу. Якби не було прагнення яке можуть проявляти окремі країни якби не було бажання переважної більшості інших країн створити у ...
17903. Економічна безпека країни 75.5 KB
  Лекція 11. Економічна безпека країни 11.1. Поняття економічної безпеки Економічна безпека це стан національної економіки що забезпечує задоволення життєво важливих потреб країни в матеріальних благах незалежно від виникнення в світовій економічній системі або усере...
17904. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ НАЛОГОВОГО МЕНЕДЖМЕНТА 336 KB
  Тема № 1 Теоретические и организационные основы налогового менеджмента. План 1. Сущность налогового менеджмента как необходимого элемента налогового права. 2. Фискальный мониторинг. 3. Государственный налоговый менеджмент. 4. Корпоративный налог
17905. Учет плательщиков налогов 113.5 KB
  Тема № 2 Учет плательщиков налогов Организация учета плательщиков налогов Государственный реестр физических лиц плательщиков налогов. 3. Порядок подачи документов СПД для взятия их на учет учет плательщиков Учет плательщиков НДС. АРМ Учет ...
17906. Контрольная деятельность налоговых органов 167 KB
  Лекция №6. Контрольная деятельность налоговых органов. План. 1. Контроль налоговых органов в сфере косвенного налогообложения. Камеральная проверка деклараций по НДС2 Документальная проверка НДС6 Направления реформирования НДС11 Проверка правил...
17907. Контроль начисления и уплаты налога на прибыль 131.5 KB
  Тема №7 Контроль начисления и уплаты налога на прибыль. План Особенности камеральной проверки декларации по налогу на прибыль. Документальная проверка налогообложения прибыли предприятия. Аудит валовых доходов. Аудит валовых расходов. Аудит