Что можно установить по виду излома

Макроанализ по виду излома

Излом – поверхность, образующаяся после разрушения образца или изделия. Различают изломы хрупкий (например, у керамики, закаленных сталей); вязкий со следами местной пластической деформации на поверхности излома; усталостный – после разрушения в результате многократного нагружения. Анализ и правильное “чтение” изломов играют важную роль при установлении причин аварий и поломок. Макроскопический анализ структуры изломов называется фрактографией.

По виду излома можно судить о величине зерна металла или сплава, наличии перегрева, причине разрушения (усталостный излом), о наличии расслоения, рыхлости и др. Изломы бывают кристаллические (зернистые), волокнистые и смешанные, продольные и поперечные.

Вязкий (волокнистый) излом обычно наблюдается после пластической деформации образца с появлением шейки перед разрушением. Волокнистый излом имеет место в отожженных доэвтектоидных сталях, а также в сталях, улучшенных термической обработкой (закалка полная, отпуск высокий). Вязкие изломы не имеют кристаллического блеска, характеризуют доброкачественную структуру металла (рис.1,а).

Хрупкие (кристаллические) изломы. Хрупкому разрушению подвержены закаленные стали, поверхности изломов состоят из множества блестящих площадок. Различают следующие разновидности хрупких изло­мов: транскристаллический (проходит по телу зерна), межкристалличес­кий (интеркристаллический), крупнозернистый (грубозернистый, крупно­кристаллический), мелкозернистый (мелкокристаллический), нафталинистый, камневидный, шиферный, черный, усталостный.

Нафталинистый — транскристаллический излом, по внешнему виду на­поминающий блеск нафталина, встречается у быстрорежущих сталей при нарушении режима термической обработки.

Камневидный излом — межкристаллический, имеющий крупнозернистое строение, появляется в сталях в процессе перегрева при горячей меха­нической обработке, признак недоброкачественности структуры.

Шиферный (слоистый) излом — характеризуется древовидным расположением волокон в продольных изломах стали. Встречается в среднеуглеродистых сталях, загрязнен­ных неметаллическими включениями и перенасыщенных газами.

Черный излом является следствием выделения графита из сталей с высоким содержанием углерода и кремния после длительного отжи­га при низких температурах или закалки с отпуском при температуре 700°С.

Рис.1. Строение вязкого (а), хрупкого (б) и усталостного (в) изломов

Усталостный излом встречается в деталях, работавших при циклических нагрузках (рельсы, оси, валы, шестерни, штоки, клапанные пружины и др.). На изломе поверхности разграничиваются на очаг разрушения (риски, забоины, трещины, неметаллические, газовое включения), зону посте­пенного развития усталостной трещины и зону излома. Усталостная трещина, развиваясь, постепенно ослабляет поперечное сечение детали. He пораженное трещиной сечение не может противодействовать нагрузке на деталь и разрушается. Зона излома может иметь признаки или хрупкого, или вязкого разрушения (рис.1,в).

Излом с закалочной трещиной имеет два характерных участка: тем­ный — окисленная поверхность закалочной трещины и светлый — мелкозернистый хрупкий излом. Закалочная трещина возникает при чрезмерно высокой скорости охлаждения стали. Образование попереч­ной закалочной трещины в рельсе связано с местным нагревом рельс до закалочной температуры при буксовании колеса локомотива и последующим очень быстрым отводом тепла.

Нагревание буксы вызывает излом шейки оси (рис.2). В сечении излома отломившейся части выделяются следующие слои: 1 слой – основной металл, 2 слой имеет крупнозернистую структуру и явные следы скручивания металла, 3 слой – “сердцевина”, более темная по цвету.

Рис. 2. Характерные признаки излома шейки оси в результате нагревания буксы:

а – отломившаяся часть; б – оставшаяся часть.

Источник

Макроанализ по виду излома.

Внутренние дефекты, которые могут привести к разрушению изделия, выявляются при изучении изломов.

Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разрушения металла.

Непосредственно по виду излома можно установить характер разрушения металлического изделия, которое может быть хрупким, вязким или усталостным.

Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в хрупком изломе можно видеть форму и размер зерен металла, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

При этом излом может проходить как по границам зерен (межкристаллический), так и по зернам металла (транскристаллический).

Вязкий излом имеет волокнистое строение. Форма и размер зерен металла при вязком изломе сильно искажены, так как разрушение в этом случае сопровождается значительной пластической деформацией.

Признаками вязкого разрушения являются:

— наличие значительной пластической деформации перед разрушением;

— разрушение путем среза, т. е. плоскость разрушения находится под некоторым углом к приложенным внешним нагрузкам;

— разрушение по телу зерна;

— поверхность излома имеет матовый оттенок и волокнистое строение.

К признакам хрупкого разрушения относятся:

— отсутствие предварительной пластической деформации перед разрушением;

— разрушение путем отрыва, когда плоскость разрушения перпендикулярна приложенным внешним нагрузкам;

— разрушение по границам зерен;

— поверхность зерен имеет блестящий, кристаллический оттенок.

Таким образом, вязкое состояние металла менее опасно, т. к. разрушение в этом случае можно предсказать и предотвратить. Хрупкое разрушение более опасно, т. к. оно происходит с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.

Основными факторами, влияющими на переход металла из вязкого в хрупкое состояние, являются следующие:

б) концентрация напряжений;

в) низкие температуры;

г) скорость нагружения;

д) масштабный фактор.

Одноосное напряженное состояние возникает при растяжении гладких образцов до образования шейки. Это напряжение менее опасно с точки зрения хрупкого разрушения. Двухосное растяжение возникает при нагружении ёмкостей внутренним давлением. В этом случае появляются как σ₁, так и взаимно перпендикулярное σ₂, условия работы материала уничтожаются. Но наиболее опасным является трехосное растяжение, возникающее в местах концентрации напряжений, когда появляются и σ₁ и σ₂ и σ₃ (рис. 1 ).

Рис. 1 Различные напряжённые состояния:

Концентрация напряжений – это возрастание напряжений вблизи отверстий, галтелей, шпоночных канавок, трещин и других внутренних и внешних дефектов материала. При наличии концентраторов напряжения в металле перераспределяются таким образом, что их максимальная величина находится на вершине концентратора (рис. 2).

Рис.2 Схема распределения напряжений в образцах с концентраторами

Концентрация напряжения К тем больше, чем острее дефект и больше его длина, что выражается следующей формулой (1):

, (1)

Это означает, что если такая предельно острая трещина (r=1000A) доросла до 1мм, то в её вершине напряжение в 6000 раз больше среднего напряжения по всему сечению. Вот почему при ремонте размороженного двигателя или лобового стекла мотоцикла просверливают отверстие в вершине трещины, увеличивая тем самым радиус r и снижая пиковые напряжения. По этой же причине высокопрочные чугуны с округлой формой графита более качественны, менее хрупки по сравнению с серыми чугунами с чешуйчатой формой графита.

Отсюда вывод, если в изделии нельзя избавиться от концентраторов напряжений (отверстий, заклёпок, галтелей и др.), то нужно увеличить радиус r в вершине концентратора.

Основная опасность выбора и оценка материала для работы при низких температурах заключается в следующем. Если в основу конструкционного расчета заложены свойства материалов при комнатной температуре или на основании результатов испытания гладких (ГОСТ) образцов при низких температурах, то имеется, на первый взгляд, дополнительная гарантия надёжности работы материала при пониженных температурах. И это справедливо, если иметь ввиду, что почти все прочностные характеристики с понижением температуры испытания растут (рис.3, кривая 1). Однако при работе материала в конструкции материала практика показывает обратное (рис. 3, кривая 2).

Изделие при низких температурах хрупко разрушаются при напряжениях значительно ниже тех, которые получены при испытаниях гладких образцов. В этом случае не учитывается уменьшение характеристик пластичности и вязкости и на основе этого резкого увеличения чувствительности материала к концентраторам напряжений, неизбежно присутствующих в изделиях. Гладкие образцы концентраторов не имеют.

Поэтому для оценки надёжной работоспособности материала в конструкции при низких температурах необходимо в лабораторных условиях испытывать не гладкие (ГОСТ) образцы, а образцы с концентраторами, которые дают хорошую сходимость результатов испытания с поведением материала в изделиях.

Скорость приложения нагрузки влияет на переход металла из вязкого состояния в хрупкое однозначно. Чем выше скорость деформирования металла, тем легче он охрупчивается.

Рис. 3 Влияние температуры на разрушающее напряжение материала:

1— гладкие (ГОСТ) образцы; 2— изделия

Для оценки этого состояния проводятся испытания на ударную вязкость, под которой понимают способность материала к поглощению механической энергии вплоть до разрушения.

Масштабный фактор заключается в следующем. Чем крупнее изделие, тем больше вероятность нахождения в нём дефектов металлургического, технологического или эксплуатационного происхождения. А дефекты – это концентраторы напряжений.

Усталостный излом образуется в результате длительного воздействия на металл циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Излом состоит из трёх зон: зарождения трещины, собственно усталостного распространения трещины и долома. Механизм усталостного разрушения следующий. Усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты. Первая зона плоская и гладкая. Увеличиваясь при работе детали, трещина образует зону собственного усталостного распространения с характерными концентрическими бороздками или дугами и мелкозернистым, фарфоровидным изломом. Зачастую она имеет отдельные участки гладкой притертой поверхности. Долом происходит внезапно, когда ослабленное трещиной сечение детали не способно выдержать прикладываемой механической нагрузки. Долом бывает вязким или хрупким.

Источник

Изломы деталей

Излом является конечным результатом разрушения материала детали, что приводит к ее расчленению под действием нагрузки. Обычно на поверхности излома можно различить пять характерных зон:

1) фокус излома – малая локальная зона, близкая к точке возникновения начальной трещины. Обычно фокус излома располагается на поверхности детали в местах концентрации напряжений или поверхностных дефектов. Если в теле детали были внутренние дефекты или деталь подвергалась поверхностному упрочнению, фокус излома может располагаться внутри детали;

2) очаг разрушения – небольшая зона, прилегающая к фокусу излома. При больших напряжениях может быть несколько очагов разрушения. На поверхности излома эта зона имеет наибольшие блеск и гладкость. Усталостные линии на очаге разрушения обычно отсутствуют;

3) участок избирательного развития соответствует зоне развития трещины. Здесь видны характерные усталостные линии, волнообразно расходящиеся от очага разрушения. Форма усталостных линий зависит от формы детали и характера нагружения. Направления развития трещины могут отклоняться от первоначального. При этом образуются зародыши трещин, развивающиеся в другом направлении. От их слияния образуются вторичные ступеньки и рубцы;

4) участок ускоренного развития является переходной зоной между участками усталостного развития трещины и зоной долома. Эта зона образуется в течение нескольких циклов, предшествующих окончательному разрушению;

5) зона долома характеризуется признаками макрохрупкого разрушения. Внешний вид излома позволяет определить причину его возникновения и динамику развития повреждения. Широкое распространение получила классификация по характеру разрушения.

Вязкое разрушение

Внешний вид

Имеет волокнистое строение, без кристаллического блеска (неровные участки рассеивают свет, поэтому поверхность излома кажется матовой). Характерным признаком является наличие боковых скосов по краям излома.

Характер развития

Сопровождается интенсивной пластической деформацией материала детали. Первичные изломы редко бывают вязкими. Относительно медленно развивающаяся вязкая трещина либо заблаговременно обнаруживается, либо из-за чрезмерной пластической деформации деталь еще до разрушения перестает выполнять свои функции.

Причина возникновения

Происходит при воздействии значительных кратковременных сил, возникающих при заклинивании механизма или нарушении технологического режима работы. Может иметь место при длительном действии сил, вызывающих напряжения, превышающие предел текучести материала детали.

Хрупкое разрушение

Внешний вид

Имеет ярко выраженное кристаллическое строение у недеформируемых материалов и гладкое от сдвига у мягких материалов. Кромки изломов гладкие, ровные, без скосов или с небольшими скосами. Скос на хрупком изломе указывает место долома (окончания разрушения).

Характер развития

В большинстве случаев начинают развиваться в зонах концентрации напряжений (в местах приварки элементов жесткости, пересечения сварных швов, у отверстий и галтелей, в зонах резкого изменения толщины). Очагами часто являются дефекты сварки (горячие и холодные трещины, непровары, подрезы, шлаковые включения, поры, расслоения металла).

Причина возникновения

Происходит внезапно при однократном приложении силы или под действием повторных ударных сил при малой степени местной пластической деформации.

Усталостное разрушение

Внешний вид

Выделяются: зона усталостного разрушения, имеющая мелкозернистое строение, с фарфоровидной или шлифованной поверхностью; зона статического разрушения – с волокнистым строением у пластичных металлов и крупнозернистым у хрупких.

Характер развития

Возникает в процессе постепенного накопления повреждений в материале детали, находящейся под действием переменных напряжений, которые приводят к образованию микротрещин, их развитию, появлению трещин и окончательному разрушению детали.

Причина возникновения

Является одним из основных видов повреждения деталей от действия циклических нагрузок.

«Усталостный излом является наиболее часто встречающейся причиной при внезапных отказах оборудования. Определение условий возникновения усталостного разрушения по виду излома является основным методом анализа внезапных отказов оборудования и дает возможность предупреждать аналогичные отказы в дальнейшем».

Явно выраженные внешние признаки усталостного разрушения на поверхности изломов наблюдаются только у стальных деталей. У деталей, изготовленных из цветных сплавов (магниевых, алюминиевых), во многих случаях бывает трудно установить по поверхности излома характер разрушения. Это объясняется тем, что строение усталостного излома зависит от степени перегрузки: при малых перегрузках трещина усталости развивается медленно, при высоких – быстро. При медленном развитии трещины усталости – вид поверхности излома приближается к виду блестящей (шлифованной) поверхности и резко отличается от зоны мгновенного разрушения. На поверхности излома видны кольцевые линии. При быстром развитии трещины усталости – зоны почти не отличаются одна от другой и могут не иметь кольцевых линий. При действии циклических напряжений одного знака, например, только раскрывающих усталостную трещину, строение зоны усталости будет более крупнозернистым, чем при действии знакопеременных напряжений. В связи с этим в первом случае зона усталости может слабо отличаться от зоны долома. Усталостный излом детали из крупнозернистого цветного или жаропрочного сплава более грубый, а излом детали из мелкозернистой стали выглядит более гладким.

Особенности зарождения трещин и характер продвижения линии фронта трещины зависят от вида и характера нагружения (рис. 1):

а) растяжение вызывает локальную деформацию или «шейкообразование». Поверхность трещины формируется плоскостями разделения, наклоненными под углом 45° к направлениям нагрузки. Образующиеся изломы типа «чаша-конус» характеризуются появлением во время разрушения в центральной части сечения начальной трещины, от которой в разные стороны расходятся более или менее четко выраженные рубцы (излом чашей). При термообработке меняется размер чаши относительно всего сечения детали. При этом с повышением твердости размер дна чаши увеличится;

б) отказы из-за сжатия происходит в двух основных формах: сжатие бруса и изгиб (выпучивание);

в) можно выделить два вида разрушений при сдвиге: срез бруса и изгиб (коробление). При срезе бруса две половины трещины скользят одна по другой, поверхность подвергается трению, в результате чего трещина заглаживается или происходит задир поверхности. Направление задира показывает направление приложения силы среза;

г) кручение – это форма сдвига. Две половины разрушенного металлического образца сохраняют некоторый остаточный изгиб. Поверхность трещины часто имеет вид такой же, как и при растяжении, и наклонена под углом скручивания;

д) моменту изгиба оказывают сопротивление растягивающие и сжимающие напряжения. Разрушение материала при этом аналогично образованию трещин при растяжении с внешней стороны изгиба и сжатии с внутренней стороны изгиба.

(а)	(б)
(в)	(г)
Рисунок 1 – Зависимость излома от характера нагружения: а) чашечный излом при растяжении; б) косой излом при изгибе; в) изгиб при вращении (при умеренных напряжениях и локальном концентраторе – шпоночном пазе); г) изгиб при вращении (при высоких напряжениях и слабом концентраторе по окружности)

Детали с повышенным пределом прочности (например, закаленные болты) или с поверхностным упрочнением, находящиеся под статической нагрузкой, через некоторое время после первоначального нагружения иногда разрушаются, несмотря на сравнительно низкие значения действующих напряжений. Здесь имеет место так называемое «замедленное разрушение», причина которого заключается в неравномерном развитии пластической деформации в микроструктуре стали. Поверхность излома при замедленном разрушении имеет макрохрупкий характер и располагается перпендикулярно направлению максимальных растягивающих напряжений. Факторами, увеличивающими вероятность замедленного разрушения, являются дефекты конструкции и монтажа, некачественная термическая обработка, наличие концентраторов напряжений, наводороживание в процессе нанесения гальванических покрытий и так далее.

Длительное действие нагрузки при повышенной температуре материала детали обычно вызывает малопластичные изломы (рис. 2). При высоких температурах поверхность излома грубозернистая с крупными неровностями. Цвет поверхности темный, так как она покрыта окисной пленкой. Вблизи излома обычно наблюдается растрескивание металла.

Рисунок 2 – Излом при длительной нагрузке в условиях повышенной температуры

Дефекты закалки (рис. 3) также являются распространенной причиной, приводящей к изломам (табл. 1).

Рисунок 3 – Дефект закалки – неравномерная по зернистости поверхность излома свидетельствует о нагреве до более высокой температуры, чем требовалось

Таблица 1 – Характеристика изломов, обусловленных дефектами закалки

Последовательность проведения фрактографического исследования

Фрактография включает в себя совокупность методов исследования изломов материалов, которые на основе сведений о строении поверхностей разрушения дают возможность определять причины изломов. Изучение изломов и деформаций деталей позволяет установить последовательность их разрушения в оборудовании; является ли разрушенная деталь причиной или следствием отказа; вид, характер и направление приложения нагрузок, действовавших на детали в процессе их разрушения; качество изготовления деталей, в том числе их материала.

Визуальный и макроскопический осмотр разрушенной детали рекомендуется проводить в следующей последовательности:

1. Изучение разрушенной детали начинают с внешнего осмотра, в ходе которого определяют, есть ли изломы, трещины, вмятины, царапины, другие механические или химические повреждения, а также деформации детали. Замеченные особенности наносят на схему детали или ее фотографию.

Для исследования излома желательно иметь все части разрушенной детали в том виде, в каком они были обнаружены после отказа, а также все остальные поврежденные детали. При этом излом следует тщательно охранять от механических повреждений и дальнейшего окисления – сильно забитая, окислившаяся или загрязненная поверхность излома может сделать невозможным его изучение.

2. Осмотр неочищенной поверхности излома невооруженным глазом и при помощи лупы увеличением ×5…×10 позволяет выявить общий характер строения излома, достаточно крупные дефекты материала и так далее. Визуальный осмотр применяется как самостоятельный метод анализа излома, а также является необходимой и обязательной начальной стадией всех прочих методов.

На этом этапе также осуществляют фотографирование или зарисовку схемы неочищенного излома.

3. Только после осмотра поверхностей исследуемой детали и излома в первоначальном виде, при необходимости, его аккуратно очищают от посторонних веществ (грязи, масла, копоти, ржавчины и посторонних отложений), поскольку наличие окислов и следов затекшего масла, краски на поверхности излома может указывать на границу трещины, возникшей в детали при изготовлении или в начале ее работы.

Во время очистки, промывки, просушки и последующего осмотра излома необходимо соблюдать следующие правила:

При необходимости (например, в случае крупногабаритных деталей или для последующего металлографического исследования) от детали может отрезаться образец с поверхностью излома. При этом следует помнить, что термические способы резки в данном случае являются недопустимыми, поскольку могут привести к структурным изменениям в образце, в том числе на поверхности излома, что отрицательно повлияет на достоверность результатов исследования. Поэтому образцы рекомендуется отрезать посредством абразивного инструмента или на станке в условиях смазки и охлаждения (рис. 4).

Рисунок 4 – Правильно подготовленные образцы: в поверхностном слое образцов отмечается закаленная зона глубиной до 5 мм с многочисленными трещинами, глубина которых превышает толщину закаленного слоя

4. Осмотр очищенного излома невооруженным глазом, при помощи лупы увеличением ×5…×10, бинокулярного микроскопа при увеличении ×20…×80 и отдельных участков излома при увеличении ×80…×120. Общим правилом при пользовании оптическими приборами для рассмотрения строения излома является постепенный переход ко все большим увеличениям. В ходе осмотра излом наклоняют под разными углами к наблюдателю при косом освещении, что дает возможность определить рельеф различных участков излома и выявить участки с различным блеском.

5. Выявляемое после очистки поверхности более детальное строение излома отмечается на схеме или фиксируют путем фотографирования, в том числе отдельных участков его поверхности (рис. 5). При наличии характерных отложений излом целесообразно сфотографировать до и после очистки.

Рисунок 5 – Пример последовательного фотографирования поверхности излома

Угол освещения фотографируемой поверхности выбирают в зависимости от характера неровностей для более четкой передачи на фотоснимке той или иной особенности строения излома. Кристаллические изломы лучше фотографировать в затемненном поле, так как яркие блики на снимке уменьшают четкость изображения. Увеличение выбирают, исходя из шероховатости поверхности и общих габаритов детали или образца. При этом зачастую нецелесообразно стремиться к большим увеличениям, чтобы не снижать глубину изображения. Обычно четкая картина макростроения излома получается при увеличении не более ×10, а при фотографировании изломов из цветных сплавов, имеющих, как правило, особенно шероховатую поверхность, не более ×5.

Материал предоставили СИДОРОВ Александр Владимирович, СИДОРОВ Владимир Анатольевич.

Больше информации по указанной теме можно найти в книге «Управление отказами оборудования», подготовленной под эгидой Ассоциации эффективного управления производственными активами (Ассоциации EAM). Первая часть издания доступна здесь, а вторая – здесь.

Источник