Фрактография в материаловедении

Ангелина Ковалева, 2014

В учебном пособии описаны виды разрушения металлических материалов. Даны понятия и термины, используемые при описании всех видов разрушения. Приведены классификация видов изломов металлов, анализ строения изломов, полученных при разовом и многократном нагружении, длительном нагружении, а также при повышенных и высоких температурах. В учебном пособии представлены приложения с иллюстрациями микро- и макрофрактограммы изломов, а также описаны зарождение и развитие трещины и дефекты в изломах. Предназначено для магистрантов и аспирантов по дисциплине М2.В1 «Фрактография в материаловедении» укрупненной группы 150000 – «Металлургия, машиностроение и материалообработка» по направлению 150400.68 – «Металлургия».

Введение

Изучение излома — самый простой и доступный способ оценки внутреннего строения металлов. Метод оценки изломов, несмотря на кажущуюся грубость оценки качества материала, применяется довольно широко в различных отраслях производства и научных исследованиях. Оценка излома во многих случаях может характеризовать качество материала.

Излом может быть кристаллическим или аморфным. Аморфный излом характерен для материалов, не имеющих кристаллического строения (стекло, канифоль, стекловидные шлаки).

Металлические сплавы, в том числе сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы, цинк и его сплавы, дают зернистый, кристаллический излом.

Каждая грань кристаллического излома является плоскостью скалывания отдельного зерна, поэтому излом показывает нам размеры зерна металла. Изучая излом стали, можно видеть, что размер зерна может колебаться в очень широких пределах: от нескольких сантиметров в литой, медленно остывшей стали до тысячных долей миллиметра в правильно откованной и закаленной стали. В зависимости от размера зерна излом может быть крупнокристаллическим и мелкокристаллическим. Обычно мелкокристаллический излом соответствует более высокому качеству металлического сплава.

Если разрушение исследуемого образца проходит с предшествующей пластической деформацией, зерна в плоскости излома деформируются и излом уже не отражает внутреннего кристаллического строения металла; в этом случае излом называется волокнистым. В одном образце, в зависимости от уровня его пластичности, в изломе могут быть волокнистые и кристаллические участки. По соотношению площади излома, занятого волокнистыми и кристаллическими участками при данных условиях испытания, можно оценивать качество металла.

Хрупкий кристаллический излом может получаться при разрушении по границам зерен или по плоскостям скольжения, пересекающим зерна. В первом случае излом называется межкристаллитным, во втором — транскристаллитным. Иногда, особенно при очень мелком зерне, трудно определить природу излома. В этом случае излом изучают с помощью лупы или бинокулярного микроскопа.

В последнее время развивается отрасль металловедения по фрактографическому изучению изломов на металлографических и электронных микроскопах. При этом находят новые достоинства старого метода исследований излома, применяя к нему понятия фрактальных размерностей.

Под разрушением понимают разделение тела на части либо появление макроскопической трещины или поры.

Момент разрушения часто связывают с достижением напряжений, деформаций или работой деформаций критических значений. Под разрушением принято понимать процесс необратимого нарушения сплошности тела и разделение его на отдельные части.

Разрушение рассматривают как процесс, состоящий из ряда последовательных стадий, которые включают зарождение трещин субмикроскопических размеров, их последующее развитие и заключительное формирование макроскопической магистральной трещины, заканчивающийся разделением материала на части.