Краткие теоретические сведения

Излом – поверхность, образованная после прохождения трещины через все сечение образца или детали.

Излом – это поверхность, образовавшаяся в результате разрушения твердых тел (после прохождения трещины через все сечение образца или детали).

По природе силовых воздействий изломы подразделяются:

1. Изломы, полученные только от механической нагрузки.

2. Изломы, полученные от совместного воздействия механической нагрузки и химически активных сред.

3. Изломы, полученные от термических напряжений.

По характеру силовых воздействий изломы подразделяются:

1. Изломы, полученные при однократных видах нагружения, в том числе:

- изломы от однократного статического нагружения (растяжение, сжатие, кручение и т. д.);

- изломы от однократного динамического нагружения (ударное, высокоскоростное импульсное и т. д.);

- изломы от однократного длительного нагружения при испытаниях, например, на ползучесть, коррозию под напряжением и т. д.

2. Изломы, полученные при многократных (циклических) видах нагружения (ударно-статические, мало- и многоцикловые усталостные, ударно-циклические, коррозионно-усталостные, термоусталостные и т. д.).

Фрактография – это наука, изучающая строение из­ломов.

Изучение строения изломов невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30-50 раз) называют макрофрактографией. Изучение изломов при больших увеличе­ниях (как правило, в электронных микроскопах) микрофрактографией. Поскольку вид излома в определенной мере представляет со­бой своеобразную фотографию процессов, которые происходили при разрушении исследуемого объекта, фрактография является одним из основных источников информации о причинах и характере разрушения, о качестве металла и способности сопротивляться при­ложенным нагрузкам.

Изломы, полученные при однократных видах нагружения

По характеру разрушения различают следующие основные виды изломов: вязкие, хрупкие, квазихрупкие, вязко-хрупкие и смешанные.

Вязкое разрушение. Вязкое разрушение всегда сопровождается большой пластической деформацией материала на стадии зарождения и распространения трещины. Поэтому вязкие изломы имеют большую шероховатость, темный матовый цвет и волокнистое строение (рис. 1). Вбли­зи поверхности изломов имеется утяжка (сужение или «шейка») вследствие про­текания макроскопической пластической деформации образца или детали.

Рисунок 1 – Общий вид вязких изломов

Как пра­вило, вязко разрушаются материалы с ГЦК решеткой, а также, в определенных условиях, материалы с ОЦК решеткой, например, мяг­кие стали при комнатной и повышенных температурах.

Вязкое разрушение начинается с образования пор, которые при дальнейшем увеличении нагрузки соединяются (рис. 2а), образуя характерный ямочный микрорельеф, наблюдаемый на поверхности вяз­ких изломов в электронном микроскопе (рис. 2б).

Вязкое разрушение относится к энергоемкому разрушению, т. к. большая часть энергии затрачивается на пластическую деформацию материала. Поэтому вязкий излом свидетельствует о высоком уровне нагрузки, предшествующей разрушению, и о хорошем сопротивлении материала развитию трещины.

а)	б)
Рисунок 2 – Схема вязкого разрушения с образованием ямочного микрорельефа (а) и ямочный микрорельеф вязкого разрушения стали (б), х1000

Хрупкое разрушение. Хрупкое разрушение относят к одному из самых опасных видов разрушения. Оно происходит при небольших наг­рузках с очень высокой скоростью. Скорость хрупкой трещины сос­тавляет примерно 0,4 от скорости распространения звука в металле. Сопротивление макропластической деформации практически отсутст­вует. Поэтому хрупкие изломы имеют небольшую шероховатость, свет­лый цвет, кристаллическое строение с металлическим блеском (рис. 3). Утя­жка вблизи поверхности изломов практически отсутствует (величина относительного сужения не превышает 1,5%). При хрупком разрушении металл из-за потери пластичности плохо сопротивляется распространению трещины, поэтому ненадежен в эксплуатации.

Рисунок 3 – Общий вид хрупких изломов

К основным причинам, вызывающим охрупчивание металлических материалов, следует отнести:

1. Низкие температуры эксплуатации (в основном для материалов с ОЦК и ГПУ решеткой, испытывающих хладноломкость).

2. Высокие скорости нагружения (удар, взрыв и т. д.).

3. Наличие в образце или детали концентраторов напряжения (острых надрезов, трещин и т, д.).

4. Большая толщина детали (масш­табный фактор).

5. Структурное состояние материала (например, от­пускная хрупкость, наличие примесей по границам зерен и т. д.).

Все пе­речисленные факторы, кроме некоторых случаев структурного состояния, создают жесткое напряженное состояние материала, зат­рудняющее пластическую деформацию и охрупчивающее материал.

Хрупкое разрушение подразделяют на транскристаллитное по механиз­му скола (трещина распространяется по телу зерна) (рис. 4а), и интеркристаллитное (межзеренное) по границам зерен (рис. 4б).

Транскристаллитный скол происходит путем отрыва; на поверхности излома при большом увеличении видны фасетки скола (рис. 4в). Так чаще всего разрушаются материалы с ОЦК решеткой (например, стали). Межзеренное хрупкое разрушение наблюдается в тех случаях, когда границы зерен ослаблены, например, вследствие расположенных на них выделений или загрязнений. Так могут разрушаться материалы как с ОЦК, так и с ГЦК решеткой (рис. 4г).

а)	б)
в)	г)
Рисунок 4 – Схемы внутризеренного (транскристаллитного) (а) и межзеренного (интеркристаллитного) (б) хрупкого разрушения, а также соответствующие микрорельефы изломов стали 45 (в) и Н32Т3 (г). Увеличение: в, г – х1000

Квазихрупкое разрушение. Квазихрупкое (квазивязкое) разрушение по своему механизму близко к вязкому и содержит признаки предшествовавшей пластической деформации, хотя по своей энергоемкости является скорее хрупким, чем вязким, т. к. обладает низким сопротивлением разрушению. Такое разрушение называют квазисколом с образованием розеточного излома. Розеточный излом с плоскими или слегка изогнутыми поверхностями или фасетками образуется за счет слияния отдельных трещин (рис. 5а). Каждая трещина распространяется концентрически. При этом округлый фронт трещин под действием пластической деформации расширяется и образуется пора в виде линзы. При слиянии трещин образуются острые гребни, называемые гребнями отрыва. Микрорельеф поверхности излома, образовавшейся в результате квазискола, показан на рисунке 5б.

Участки квазискола часто смешиваются с ямками отрыва при вязком разрушении, что указывает на схожую природу этих видов разрушения.

Разрушение в интервале вязко-хрупкого перехода (вязко-хруп­кое разрушение). При понижении температуры испытания многие ма­териалы с ОЦК решеткой испытывают хладноломкость, т. е. переходят из пластичного состояния в хрупкое. Для большинства материалов такой переход наблюдается в неко­тором интервале температур, называемом интервалом вязко-хрупкого перехода. В этом интервале температур характеристики сопротивления материала развитию трещины (ударная вязкость КСU и процентное содержание вязкой составляющей в изломе В) изменяются S-образно (рис. 6).

	Рисунок 5 – Схема образования (а) и характерный микрорельеф (б) квазискола. 1 – поверхность сдвига; 2 – отрывные гребни. б – х1500
Рисунок 6 – Схема вязко-хрупкого перехода

Различают нижнюю (Т^н_хр) и верхнюю (Т^в_хр) критические темпе­ратуры хрупкости (рис. 6). За Т^н_хр принимают температуру, при которой на поверхности изломов образуются первые участки вязкой составляющей; за Т^в_хр – температуру, при которой вся поверхность излома становится вязкой. Верхняя и нижняя критические температуры хрупкости играют большую роль при оценке работоспособности материала в интервале вязко-хрупкого перехода.

Изломы, полученные в интервале вязко-хру­пкого перехода, назы­вают вязко-хрупкими. Они содержат одновременно как хрупкую, так и вязкую составляющие. В зависи­мости от структуры испытуемого металла вязко-хрупкие изломы мо­гут содержать сосредоточенные области вязкого и хрупкого разру­шения (сосредоточенное разрушение) или рассредоточенные области (рассредоточенное разрушение) (рис. 7).

Следует заметить, что вяз­ко-хрупкое разрушение не сле­дует относить к особому виду разрушения. Оно представляет собой лишь переходное (промежуточное) состояние от вязкого к хрупкому.

а)	б)
Рисунок 7 – Общий вид сосредоточенного (а) и рассредоточенного (б) вязко-хрупких изломов стальных образцов

Смешанное разрушение имеет место при разрушении материалов с ГЦК-решеткой, например, аустенитных сталей и некоторых цветных сплавов в условиях плоской деформации (при низких температурах, высоких скоростях нагружения и т. д.), а также при разрушении некоторых закаленных инструментальных сталей. Полученные изломы имеют матовую или «бархатную» поверхность; они ровные, без губ среза или имеют небольшие губы среза (рис. 8а) и небольшую шероховатость. Металлический блеск отсутствует.

При микрофрактографическом исследовании таких изломов можно обнаружить практически все виды микрорельефа: ямочный, квазискол, межзеренное вязкое разрушение и т. д. (рис. 8б). Причем, имеет место различное сочетание вышеперечисленных микрорельефов, а сами вышеуказанные микрорельефы не всегда ярко выражены. Так, например, при смешанном разрушении участки ямочного микрорельефа могут состоять из неглубоких мелких ямок, свидетельствующих о невысокой локальной пластической деформации материала.

а)	б)
Рисунок 8 – Общий вид (а) и микрорельеф (б х300) смешанного разрушения аустенитной стали