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».

1. Виды разрушения

1.1. Механизмы разрушения материалов

Существуют различные классификации видов разрушения. В случае однократного воздействия монотонно нарастающей нагрузки возможно разрушение двух основных видов: хрупкое и вязкое.

На практике чаще имеет место смешанное разрушение, одновременно обладающее чертами и хрупкого, и вязкого разрушения. Иногда признаки указанных типов разрушения могут проявляться в определенной последовательности (например, разрушение начинается как вязкое, а заканчивается как хрупкое).

Разрушение называют вязким, если ему предшествовала значительная пластическая деформация, и хрупким, если пластическая деформация незаметна или же не превышает 1–2 %. Первоначально считали, что хрупкое разрушение происходит после упругой деформации, но затем было экспериментально доказано, что в металлах любому разрушению предшествует пластическая деформация, хотя бы и очень маленькая.

При хрупком разрушении, когда микропластическая деформация не выявляется, в микрообъемах всегда можно найти следы пластической деформации в виде линий скольжения. Считают, что при хрупком разрушении металлов развитию трещины сопутствует локальная пластическая деформация в тонком приповерхностном слое трещины. Такое разрушение называют квазихрупким.

Деление разрушения на хрупкое и вязкое весьма условно, так как при такой классификации трудно охватить все стороны явления на макро — и микроуровне.

С позиций макроскопической картины хрупкое разрушение вызывается действием относительно небольших растягивающих напряжений (обычно не превышающих предел текучести). В этом случае для протекания и завершения хрупкого разрушения не требуется подвода энергии извне (т. е. повышения действующей нагрузки), а достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся конструкции.

Принципиально иная ситуация возникает в условиях протекания вязкого разрушения. Оно развивается под действием напряжений, которые не только превышают предел текучести, но и непрерывно растут по величине (хотя действующее усилие может при этом даже снижаться вследствие уменьшения «живого» сечения нагруженного материала).

Таблица 1

Классификация основных видов механического разрушения

Хрупкое разрушение сопровождается незначительной пластической деформацией, предшествующей разрушению. Вязкому же разрушению предшествует значительная макроскопическая деформация, так как оно развивается при напряжениях, превышающих предел текучести, и суммарная энергоемкость процесса оказывается большой.

Я.Б. Фридман классифицирует разрушение по разным признакам (табл. 1).

Для обоих видов разрушения характерным является возникновение зародышевых трещин и их последующее распространение. По механизму образования трещины хрупкое и вязкое разрушения принципиально между собой не различаются. Вместе с тем склонность к тому или иному виду разрушения материала определяется тем, с какой скоростью возникшая трещина будет затем развиваться. При хрупком разрушении трещина растет с очень высокой скоростью, достигающей 0,4–0,5 скорости распространения звука в разрушаемом материале. В то же время скорость роста «вязкой» трещины очень мала.