Виды изломов и механизмы их образования

В зависимости от качества металла, условий эксплуатации детали или вида и режимов нагружения при испытаниях образцов изломы бывают вязкие, хрупкие, смешанные, усталостные. Рассмотрим строение и характерные признаки различного вида изломов.

Вязкий (волокнистый) излом при визуальном наблюдении (или в стереомикроскопе) имеет пепельно-серый или темный цвет, сильно шероховатую матовую поверхность. На рис. 3.1 – 3.3 показаны изломы образцов, вырезанных из поковок (обечаек) стали 10ГН2МФА, ис-

пытанных на ударный изгиб в интервале температур вязко-хрупкого перехода (ВХП). При понижении температуры наблюдается уменьшение доли вязкой составляющей от 100% (правый образец на рис. 3.1) до 10% (правый образец на рис.3.3). Доля макроскопически хрупкого излома соответственно растет. Хрупкий излом сосредоточен в центре. Вязкая составляющая присутствует под надрезом, на периферии излома с противоположной от надреза стороны, по бокам (эти участки называются «губы среза», ориентированные под углом около 45⁰ к плоскости хрупкого излома).

Вязкий излом при наблюдении в РЭМ представляет собой множество ямок разного размера и глубины с острыми краями; на дне ямок часто наблюдаются неметаллические включения (Рис.3.4). Образованию вязкого ямочного разрушения всегда предшествует значительная пластическая деформация и упрочнение металла. Тип кристаллической решетки последнего (ОЦК, ГЦК, ГПУ) в образовании ямочного излома особой роли не играет.

Механизм вязкого ямочного разрушения можно представить следующим образом (Рис.3.5). По действием постоянно приложенной нагрузки, на стадии, когда металл достигает предельной степени упрочнения при деформации, осуществляемой под действием касательных напряжений по дислокационному механизму, дальнейшая деформация становится невозможной. На этом этапе нагружения начинается разрушение. Вначале нарушается когезивная связь (межатомная связь между атомами соседних фаз на межфазной границе) металла матрицы с имеющимися в его структуре включениями. Из-за нарушений сплошности поперечное сечение уменьшается и нагрузка сосредотачивается вокруг этих включений, где начинают расти поры (перемычки между соседними включениями вытягиваются и утоняются по механизму Набарро-Херинга). Другой вариант - нарушается не когезивная связь металла с имеющимися в структуре металла включениями, а происходит разрушение самих включений. Далее действует тот же механизм разрушения.

Вязкое разрушение может быть малоэнергетическим, когда металл насыщен большим количеством крупных включений (как на рис.3.4) и предельная степень упрочнения за счет движения и взаимодействия дислокаций достигается быстро. Пример такого разрушения – вязкое межзеренное разрушение, когда на границах зерен сосредоточено большое количество включений, например, в случае вырожденной эвтектики. Высокоэнергетическое вязкое разрушение (Рис.3.6) реализуется в случае, когда включения располагаются редко и имеют значительный разброс по величине. Вначале образуются ямки на наиболее крупных включениях. На них вырастают глубокие поры. Затем по мере упрочнения перемычек, начинают образовываться ямки на мелких включениях. Объем металла, затронутого процессом вязкого разрушения в этом случае во много раз больше, чем в первом.

В рассмотренных выше случаях вязкого разрушения, когда поверхность излома, в общем, перпендикулярна линии действия нормальных напряжений, в изломе превалируют равноосные ямки. На участках среза, где излом приблизительно расположен под углом 45⁰ к линии действия нормальных напряжений (губы среда на образцах для ударного изгиба или цилиндрических образцов для растяжения, ямки – вытянутые (Рис. 3.7).

Хрупкий (кристаллический) излом появляется под действием нормальных напряжений в условиях стесненности пластической деформации (как правило, при наличии концентраторов напряжений) и характеризуется блестящими плоскими фасетками на поверхности разрушения, образовавшимися в результате разделения кристалла по кристаллографическим плоскостям. Поверхность такого разрушения при наблюдении в РЭМ кардинально отличается (Рис. 3.8) от вязкого ямочного. На представленном хрупком изломе малоуглеродистой стали видны кристаллографически плоские участки, разделенные ступеньками. Такое разрушение получило название хрупкого разрушения сколом по плоскостям спайности. Направление ступенек указывает направление движения трещины скола. Наискосок сверху-вниз проходит граница двух ферритных зерен с разной ориентацией плоскостей спайности.

Разрушение сколом свойственно неорганическим материалам с ионной и ковалентной межатомной связью. Хрупкое разрушение по плоскостям спайности характерно и для металлов с ОЦК- кристаллической решеткой, испытывающих вязко-хрупкий переход при понижении температуры. В зоне макроскопически хрупкого излома на рис. 3.1 – 3.3 превалирует именно такой тип разрушения. Такое же разрушение свойственно и некоторым ГПУ- металлам (Be, Zn, Cd).

Любые кристаллические объекты обладают ани зотропией (различием) свойств в разных направлениях. Плоскости спайности – это кристаллографические плоскости, по которым может происходить скол – сравнительно легкое разделение кристалла на части. Это кристаллографические плоскости с наибольшей плотностью атомов: расстояние между ними - наибольшее по сравнению с другими. Для ОЦК- метал лов – это плоскости типа (100) (Рис.3.9), для ГПУ-металлов – плоскости (1000) (Рис.3.10). В ГЦК-металлах плоскости спайности отсутствуют.

Хрупкое разрушение по плоскостям спайности происходит неожиданно и сопровождается резким звуковым эффектом (треск). При этом отдельные части образца или изделия могут разлетаться в разные стороны с большой скоростью. Как правило, хрупкому разрушению предшествует стадия вязкого разрушения.

Разрушение путем скола по плоскостям спайности можно обнаружить при наблюдении поверхности хрупкого излома в стереомикроскопе. Участки скола выглядят как очень гладкие блестящие участки, на которых заметен определенный рисунок в виде характерного ручьистого рельефа (Рис. 3.11). Такие участки называются фасетками скола. После наводки на резкость в фокусе остается только небольшая часть излома с фасетками скола. В РЭМ ручьистый рельеф виден значительно более отчетливо и на значительно больших участках, чем в световом микроскопе, ввиду высокой глубины резкости. Так, на рис. 3.12 хорошо видны направления и связь «ручьев» в различно ориентированных атомных плоскостях соседних кристаллов.

Межзеренное разрушение в общем случае яв ляется малопластичным. Наиболее очевидный его признак заключается в наличии рельефа, соответствующего огранке зерен или кристаллитов. Такое разрушение хорошо выявляется при наблюдении объемной картины излома в стереомикроскопе. Различают межзеренное вязкое и межзеренное хрупкое разрушение.

Межзеренное вязкое разрушение фактически является частным случаем вязкого ямочного разрушения. Например, при образовании вырожденной сульфидной звтектики в малоуглеродистых сталях на границах ферритных зерен образуется сетка мелких округлых сульфидов, а феррит эвтектики сливается с ферритом матрицы (Рис.3.13а), При этом его свойства одинаковы как на границах, так и в теле зерна. Однако, при деформации под действием растягивающих напряжений, упрочнение феррита на границах зерен будет начинаться раньше и развивается быстрее, чем в теле зерен, так как ввиду уменьшения поперечного сечения феррита из-за наличия включений, его способность к деформации на границах исчерпывается раньше. После достижения такого момента, когда пластичность феррита на границах зерен исчерпывается, происходит декогезия по границам включение-матрица и в перемычках между частицами по механизму, рассмотренному выше, начинают расти поры (Рис.3.13б), которые затем сливаются, образуя мелкоямочный рельеф разрушения, развивающийся по граням зерен (Рис. 3.14). Такой тип разрушения свойственен отливкам и сварным швам. При этом роль границ зерен играют границы дендритных кристаллов (Рис.3.15).

Межзеренное хрупкое разрушение развивается по другому механизму. В данном случае металлическая матрица значительно прочнее, чем границы зерен и основную роль в разрушении играет когезивная связь между включениями и матрицей или между зернами, границы которых обогащены водородом или сегрегациями примесей, уменьшающими их прочность. Пластическая деформация здесь играет вспомогательную роль и в строении излома не проявляется. При межзеренном хрупком разрушении прекрасно видны элементы огранки зерен, морфология включений на границах (Рис.3.16). При анализе междендритного хрупкого разрушения сварных швов можно наблюдать границы дендритов, морфологию и распределение включений, образующихся на последней стадии кристаллизации (Рис.3.17).

Смешанные типы разрушения.

Чаще всего распространение трещин происходит с участием различных механизмов разрушения, которые реализуются последовательно или одновременно. Так, на показанных на рис 3.1 -3.3 изломах образцов после испытаний на ударный изгиб, при увеличении расстояния от надреза последовательно сменяются различные механизмы разрушения и виды излома. Вначале, под надрезом развивается вязкое ямочное разрушение (Рис. 3.6), которое сменяется хрупким разрушением сколом по плоскостям спайности (Рис.3.12). Так как трещина скола распространяется с очень большой скоростью, боковые зоны образца разрушаются путем среза с образованием вытянутых ямок (Рис.3.7) уже после хрупкого разрушения центральной части образца. В последнюю очередь происходит вязкий долом периферийные зоны, где в процессе изгиба вначале действовали напряжения сжатия.

Внутри зоны макроскопически хрупкого разрушения не вся поверхность излома представляет собой участки скола по плоскостям спайности. Так, трещины хрупкого разрушения сколом обычно распространяются из одного очага в близких к параллельности расходящихся плоскостях (см. например, рис.3.8; 3.12). Перемычки между трещинами скола, распростра-

няющимися в параллельных плоскостях, чаще всего разрушаются срезом. Так на рис.3.18 показана схема поперечного сечения образца в зоне хрупкого излома. Две параллельные трещины скола распространяются сверху вниз. Перемычка между ними разрушается срезом с образованием вытянутых ямок. На рис. 3.19 приведена фрактограмма такого разрушения. Слева и справа – две параллельные трещины скола; между ними – вертикальная полоса зоны среза с вытянутыми ямками (как на рис.3.7). Прилегающие к зоне среза, участки плоскостей скола могут деформироваться и вытягиваться. Так, на правой фасетке скола (рис.3.19) видно изменение направления перемычек, свидетельствующее о деформации излома.

На рис. 3.20 показан очаг хрупкого разрушения сколом, который представляет собой хрупко разрушившееся инородное включение. От него веером во все стороны распространяется разрушение сколом по плоскостям спайности. На рис.3.21 показано распространение хрупкого разрушения в ст. . Магистральная

трещина прошла по границе хрупкого включения (в центре) по механизму декогезии. Рядом, справа, небольшой участок разрушением срезом, подобный приведенному на рис.3.19. На рис. 3.22 приведена фрактограмма хрупкого разрушения в ст. ; в центре – участок хрупкого межзеренного разрушения по механизму декогезии. На межзеренной границе хорошо видна морфология неметаллических включений. Участок хрупкого межзеренного разрушения расположен внутри зоны хрупкого разрушения сколом. При повышении температуры внутри интервала вязко-хрупкого разрушения доля межзеренного разрушения растет.

На рис. 3.23 приведена фрактограмма междендритного хрупкого разрушения сварного шва. Участки хрупкого разрушения сколом присутствуют на самой междендритной границе (слева) и справа от зоны междендритного разрушения. На рис. 3.24 последовательно сменяют

друг друга (слева направо) хрупкое межзеренное разрушение, скол по плоскостям спайности, срез в виде вытянутых ямок.

На рис. 3.25 представлено смешанное разрушение антикоррозионной наплавки. В центре, а также сверху и снизу представлены разрушившиеся плоские включения хрупкой Ϭ – фазы в виде растрескавшихся полос. Здесь произошло разрушение по механизму декогезии по границам скоплений включений Ϭ – фазы с матрицей. Между этими полосами произошло вязкое ямочное разрушение аустенита.

Квазискол. На макроуровне выглядит в виде светлых пятен, характерных для макроскопически хрупкого разрушения (Рис. 3.26). В РЭМ хорошо прослеживается ручьистый рельеф, характерный для хрупкого разрушения сколом по плоскостям спайности. Однако, «ручьи» не прямолинейные, а как бы сглаженные. Главное различие – механизм разрушения. При разрушении сколом рост трещины происходит при большом запасе упругой энергии. Релаксация этой энергии происходит путем хрупкого разрушения с образованием трещины скола по плоскостям спайности и сопровождается резким звуковым эффектом. При квазисколе динамический эффект отсутствует; запас упругой энергии несущественен. Трещина распространяется медленно без привязки к кристаллографи ческим плоскостям.

В соответствии с современными представлениями образование трещин по механизму квазискола связано с большим насыщением локальных участков металла (скопления неметаллических включений, расслоения, горячие микротрещины и т.д.) растворенным водородом. Такие участки называются коллекторами водорода. Последний, может растворяться в больших количествах, переходя из молекулярного в атомарное и далее в ионное состояние. В таком состоянии – это протон, имеющий исчезающе малый размер. Протоны в больших количествах могут фиксироваться в небольших междоузлиях матрицы. При этом межатомные связи в металле, насыщенном водородом ослабляются. В определенных условиях протоны могут возвращать электроны из обобщенного электронного облака металлической матрицы, восстанавливая атомарное, а в коллекторах и молекулярное состояние. Размер частиц водорода при этом резко (на порядки) увеличивается. Возникают очень большие локальные внутренние напряжения, которые приводят к разрушению окружающих участков. Подвижность протонов больше, чем у атомарного водорода и на несколько порядков выше, чем у атомов углерода или азота. Поэтому, в разрушившиеся участки быстро поступает новая порция водорода и дефект продолжает расти, пока содержание водорода больше критической величины.

Такая ситуация в сталях наблюдается при температурах ниже 200⁰С. Если количество растворенного в металле водорода ограничено, на коллекторах начинают расти флокены. Если же существует источник неограниченного поступления водорода, происходит дальнейшее разрушение изделия по механизму водородного охрупчивания.

Флокены – тонкие произвольно ориентированные трещины, распространяющиеся, как правило, в одной макроскопической плоскости, и имеющие в изломе вид овальных или круглых блестящих или матовых пятен; чаще вс его они встречаются в легированной стали (хромоникелевой). В центре флокена, как правило, расположен очаг в виде небольшой горячей трещины (Рис.3.27) или скопления неметаллических включений (Рис.3.30), от которого веерообразно расходятся так называемые ручьи (Рис.3.26, 3.29). Флокены, обнаруживаемые в сварных соединениях называют термином «Рыбий глаз» (Рис.3.31). Они образуются чаще всего на линии сплавления, на которой уровень дефектности повышенный.

Характер разрушения при циклическом нагружении. Очень много изделий в процессе эксплуатации подвергаются действию циклических нагрузок. При этом, зачастую, даже при сравнительно небольших нагрузках (заметно ниже предела текучести) может происходить разрушение, называемое усталостным разрушением. Усталостная трещина развивается в течение длительного времени, определяемого числом циклов нагружения. Момент начала разрушения (появления усталостной трещины) зависит от многих факторов. В первую очередь – это наличие в изделии концентратора напряжения. В изделии с концентратором напряжения стадия зарождения трещины значительно меньше, чем стадия распространения трещины.

Схема строения усталостного излома приведена на рис. 3.32. На чистом изломе всегда различим очаг разрушения и зона стабильного роста усталостной трещины. Часто видны лучи (рубцы), исходящие из зоны зарождения трещины. Также хорошо различим долом (1), который происходит по механизму вязкого (Рис.3.35) или хрупкого (Рис.3.33, 3.34) разрушения. Такое строение излома характерно и для эксплуатационных разрушений и для образцов для циклических испытаний. На рис. 3.35 приведен излом ротора турбогенератора. Хорошо виден очаг разрушения, зона развития трещины с концентрическими линиями остановки трещины и вязкий долом.

Зона развития усталостной трещины имеет свои специфические черты, отличающие ее от трещин, образующихся при однократном приложении нагрузки. На рис. 3.37 приведен характерный вид зоны стабильного развития усталостной трещины, характеризуемый наличием усталостных бороздок – множества параллельных линий, являющихся следами остановки трещины. В этой зоне трещина развивается по внутризеренному механизму. Вид излома мало зависит от микроструктуры материала.

Зарождение усталостной трещины происходит на имеющихся дефектах макро- или микроструктуры, являющихся концентраторами напряжений. Как правило, это самый крупный дефект, располагающийся в наиболее напряженном месте конструкции. Таким дефектом может быть галтель, риска, приповерхностное скопление неметаллических включений, структурная неоднородность и т.д.

Механизм зарождения трещины при многоцикловой и малоцикловой усталости отличается. В случае малоцикловой усталости дефект способствует повышению уровня внутренних напряжений при приложении циклической нагрузки. Напряжение здесь может превысить предел текучести и начинается локальная пластическая деформация, которая в конце концов приводит к образованию усталостной трещины.

При многоцикловой усталости уровень напряжений в испытываемом изделии значительно ниже предела текучести. По этой причине достижение предельной степени деформации, при которой начинается пластическое течение, затруднительно даже при наличии дефектов. В данном случае, повреждаемость формируется следующим образом:

При действии возвратно-поступательных циклических нагрузок в металле происходит медленный разогрев металла. Причиной разогрева является внутреннее трение (неупругие гистерезисные явления в циклически нагруженном металле). Эффект разогрева усиливается при росте частоты приложения нагрузки и ослабляется в результате теплоотвода в металле от зоны повышенных температур. При появлении искусственного концентратора напряжений происходит локализация эффекта разогрева металла. Но и в области концентратора напряжений эффект разогрева неравномерен и очень сильно локализован. Его основными источниками являются структурные дефекты металла: инородные включения, ослабленные границы зерен, внутренние несплошности. В результате нагрева предел текучести в этой локальной зоне уменьшается, так как такое снижение свойственно металлам при повышении температуры. Здесь начинается пластическая деформация, ограниченная размером очень маленькой зоны разогрева, так как за ее пределами металл находится в упругой области. Эта зона называется циклической пластической зоной. В ней пластическая деформация стеснена размерами этой зоны, тогда как при статическом нагружении пластическая деформация может распространяться на все сечение, т.е. стесненности деформации нет.

Вначале происходит разрушение дефектного участка (чаще всего - это расслоение по границе скопления включений с матрицей). Затем, в результате перегрузки на границе образовавшейся первичной несплошности, образуется вышеупомянутая циклическая пластическая зона, по периметру которой происходит разрушение по вязкому механизму. Локальный концентратор напряжений, зона разогрева, а с ней и циклическая пластическая зона, смещаются вперед, цикл повторяется. Образуются округлые полосы разрушения вокруг первичного дефекта, повторяющие его профиль, и являющиеся следами остановки трещины. Между этими полосами на поверхности излома присутствуют так называемые усталостные бороздки (Рис.3.37), которые образуются при продвижении усталостной трещины за один цикл нагружения. Фактически усталостная бороздка - это вытянутая вдоль фронта трещины ямка вязкого разрушения. По мере развития трещины живое сечение постепенно уменьшается, уровень напряжений и, соответственно, размер циклической пластической зоны увеличивается. Растет и ширина бороздок.

Макроскопически поверхность усталостного излома перпендикулярна направлению действия максимальных растягивающих напряжений, действующих в образце или изделии. На микроскопическом уровне образующийся полосчатый рельеф поверхности усталостного разрушения не отражает зеренного строения металла. Тем не менее, внутри каждого зерна распространение трещины происходит в направлении плоскостей наиболее легкого скольжения. В результате на соседних участках наклон поверхности разрушения меняется, отражая изменение расположения этих плоскостей (см. схему на рис.3.38). Между такими плоскостями соседних зерен могут образовываться перемычки. Совокупность таких перемычек образует расходящийся от очага разрушения шевронный узор, подобный существующему при разрушении сколом. По направлению шевронов легко найти очаг распространения трещины.

При определенном размере уже разрушившейся части, уровень нагрузок в оставшемся сечении становится достаточным для образования ямок на неметаллических включениях (Рис.3.39), характерных для вязкого разрушения при однократно приложенной нагрузке. Здесь появляются также вторичные трещины, ориентированные вдоль фронта трещины и расположенные под большим углом к поверхности излома. Наступает стадия ускоренного роста трещины, на которой могут одновременно действовать два механизма разрушения. При пониженных температурах, соответствующих интервалу ВХП, в изломе могут появляться участки межзеренного разрушения и даже скола по плоскостям спайности.

Долом происходит по вязкому механизму при температурах выше интервала вязко-хрупкого перехода и по смешанному или хрупкому – при более низких температурах.