Дефекты прокатанного металла

Рис. 2.10. Закаты в толстолистовом (H-120мм) прокате стали 12ХМ в нижней части верхней поверхности листа.

Лабораторная работа №3

ПРАКТИКА ПРОВЕДЕНИЯ МАКРО-

И МИКРОФРАКТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Цель работы: Научиться определять характер разрушения по изломам. Ознакомиться с методами макро- и микрофрактографического анализа, c процессом и методами подготовки изломов; научиться использовать стереомикроскоп МБС-9 для наблюдения объемного изображения излома; изучить возможность использования растрового электронного микроскопа для анализа микрофрактографических особенностей разрушения.

Оборудование и материалы: Стереомикроскоп МБС-9; видеопроектор для коллективного просмотра фрактограмм; коллекция металлических образцов с различными типами разрушения; инструментальный микроскоп для измерения характерных зон на поверхностях разрушения.

Задания: 1. Ознакомиться с методами макро- и микрофрактографического анализа. 2. Освоить методы подготовки изломов. 3. Выяснить, какую информацию можно получать, исследуя поверхности разрушения. 4. Описать характер и механизмы разрушения предложенных для анализа образцов. 5. Сделать фотографии характерных видов изломов. 6. Составить отчет по работе.

Общие сведения

В результате приложения механических нагрузок, сопровождающихся образованием и развитием трещин, а затем и полным разрушением, нагружаемые детали или образцы разделяются на две (а иногда и большее количество) части с образованием поверхностей раздела, которые называют изломами.

Исследование строения изломов называют фрактографией, а методы их исследования - фрактографическими. Особенно важно применение фрактографии в качестве способа обнаружения дефектов при изучения и установлении причин разрушения. Такие исследования получили наименование «Фрактографический анализ». Его возможности связаны с тем, что разрушение выявляет наиболее слабые места конструкции, которые определяют очаг появления трещины и траекторию ее распространения. С этой целью проводят технологические испытания на изгиб или растяжение специально вырезанных образцов натурных размеров. Наиболее часто такие испытания осуществляют при анализе свойств сварных соединений.

При фрактографическом анализе выявляют очаг разрушения и характерные виды поверхностей разрушения. К ним относятся: вязкое и хрупкое разрушение, усталостный излом, разрушение путем среза. При анализе в стереомикроскопе можно выявить межзеренное разрушение (камневидный излом), дендритное строение излома слитка или сварного шва. В очаге часто выявляются следы подплавления, скопления шлаковых включений, флокены, крупные поры и другие особенности. По виду поверхности излома можно судить о направлении развития трещины и ее остановках.

Наиболее опасным является хрупкое разрушение, которое влияло на жизнь людей с самих истоков человеческого существования. Доисторический человек использовал хрупкое разрушение для придания формы каменным орудиям труда; он ощущал на себе его менее благотворные последствия в случае перелома конечностей. Добыча камня, придание ему формы, подгонка камней в строительных сооружениях, т. е. все существенные процессы древнего строительства, так же как и искусство ваяния, всецело зависят от умения управлять хрупким разрушением. И в наши дни многие процессы в промышленности и строительстве, например, обработка материалов, связаны на определенном этапе с хрупким разрушением.

Однако происхождение большинства исследований связано с менее благоприятными проявлениями хрупкого разрушения, главным образом с внезапным катастрофическим выходом из строя конструкций в результате неожиданного хрупкого разрушения их составных частей. История техники, начиная с середины девятнадцатого столетия и даже несколько более раннего времени, изобилует подобными примерами. Например, в течении второй половины девятнадцатого и первой четверти двадцатого столетий в США было зарегистрировано большое количество случаев разрушений, связанных с мостовыми конструкциями, нефтепроводами, газгольдерами, водопроводными магистралями, водными резервуарами, оружием малого и большого калибров, рельсовыми путями и прочим железнодорожным оборудованием, а также многими другими подобными конструкциями, находившимися под действием как активных, так и пассивных нагрузок.

В зависимости от реальных условий эксплуатации – качества материала деталей конструкций, наличия поверхностных и внутренних дефектов, характера действующих напряжений – σ_экспл, вибраций, рабочей температуры - детали могут разрушаться при напряжениях значительно меньших, чем предел их прочности σ_в (табл. 2.1).

Таблица 2.1- Характеристика прочности материалов с учетом реальных условий их эксплуатации

Материал	Характеристика предельного состояния материала	σэкспл / σв
Углеродистые стали	Предел прочности	1,0
Предел текучести	0,5‑0,9
Предел выносливости на базе 107 циклов гладких образцов	0,3‑0,7
С концентрацией напряжений	0,2‑0,5
При наличии мелких поверхностных трещин	0,1‑0,3
В условиях фреттинг-коррозии	0,2‑0,4
Жаропрочные сплавы	Предел длительности прочности на базе 10 ч	0,3‑0,7
Сопротивление термической усталости на базе 104 циклов	0,3‑0,5

Для исследования причин эксплуатационных повреждений фрактографический анализ, т.е. изучение характера излома разрушившихся конструкций, начал применяться уже с 50-х годов 20-го века. Однако, по мере накопления знаний о характере и механизмах разрушения, их связи со структурой материала, этот метод начал широко использоваться и в заводской практике крупных энергомашиностроительных и металлургических предприятий.

В настоящее время фрактографический анализ применяется, в основном, для:

- изучения закономерностей процесса разрушения, его механизмов, влияния структурных факторов и др. при проведении научно-исследовательских и экспертизных исследований;

- установления причин эксплуатационных повреждений, выявления очага и характера повреждаемости;

- выявления характера и морфологии дефектов, образующихся в заготовках в процессе технологических переделов;

- оценки качества материала в соответствии с имеющейся нормативно-технической документацией.

Изломы можно классифицировать по виду и условиям нагружения, по характеру разрушения. По виду нагружения различают изломы, возникшие от однократно приложенных нагрузок (статические кратковременные или длительные, ударные) и от циклических нагрузок. Условия нагружения определяются действием температуры, при которой происходит разрушение, наличием коррозионно-активной среды наличием внутренних напряжений или запаса упругой энергии в системе, ее податливостью и др. Под характером разрушения понимают: а/ степень участия в процессе разрушения пластической деформации (хрупкое или вязкое, усталостное); б/ механизм распространения трещины (межзеренный, ямочный, скол по плоскостям спайности, расслоение, образование усталостных бороздок и пр.).

Приведенная классификация является, в значительной степени, условной, главным образом из-за неоднородности строения изломов, которая связана и с условиями нагружения и с неоднородностью структуры, изменением напряженно-деформированного состояния материала в процессе развития трещины и изменением внешних условий в процессе разрушения.