Фрактография в материаловедении

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.

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.