Практика макрофрактографического анализа
Анализ поверхностей изломов (фрактографический анализ) как метод исследования и способ обнаружения дефектов применяется с целью изучения причин разрушения. Его возможности связаны с тем, что трещина выявляет наиболее слабые места конструкции, поскольку, в основном, именно они определяют траекторию ее движения. Поэтому фрактографический метод помогает исследователю установить причины разрушения.
Излом (поверхность, по которой произошло разрушение) наиболее четко отражает строение и свойства материала в тех локальных объемах, где протекал процесс разрушения. Следовательно, изучая излом, можно выявить качество металла и причины его пониженных свойств (например, неправильная термическая обработка, скопление неметаллических включений). В ряде случаев по излому можно сделать верное заключение о характере и причинах поломки или аварии.
Поверхности разрушения могут быть получены либо в результате испытаний, либо при эксплуатации деталей. Кроме того, для исследования состояния материала изломы специальным образом готовят, т.е. производят разрушение заготовки по определенной методике. Изломы образцов анализируют визуально, а затем проводят более детальное исследование с помощью лупы либо стереомикроскопа.
При анализе макроструктуры согласно ГОСТ 10243 контроль по излому сортового проката производят после нанесения надреза в поперечном относительно направления прокатки направлении и излома образца. Для получения излома в продольном направлении наносится продольный надрез и образец разрушается расклинивающей нагрузкой. Для изучения изломов образцы, вырезанные в поперечном и продольном направлениях (по отношению к направлению течения металла при формоизменении), разрушают по месту надреза на прессе или копре. Разрушение образца следует производить с максимальной скоростью и большой сосредоточенной нагрузкой, т. е. в условиях, исключающих смятие поверхности излома и образование ложных расслоений (в поперечных изломах). Следует предохранять поверхность излома от загрязнений и повреждений (не допускать попадания на их поверхность масла, воды, не хватать их руками и т.п.).
Для оценки склонности к расслоению листового проката судостроительных сталей согласно ГОСТ 5521 вырезают призматические образцы с надрезом, ориентированным в направлении толщины листа, которые затем испытывают посредством трехточечного изгиба. В изломе оценивают длину и количество участков расслоения.
Изучение поверхностей изломов породило свою терминологическую систему для описания их рельефов, которые образуются при различных условиях разрушения.
К последним относятся: величина и форма детали или образца; механические свойства металла; температура при разрушении; условия нагружения; среда нагружения.
Макроскопический вид поверхности излома часто используют для оценки степени вязкости металла. В соответствии с концепциями механики разрушения вязкость является тем механическим свойством, которое наиболее тесно связано с сопротивлением разрушению. Поверхность излома содержит остаточные признаки, которые указывают на протяженность распространения трещин. Все, что определяет величину вязкости, а именно: природа материала, из которого изготовлена деталь, ее величина и форма, температура, среда, способ нагружения, косвенно изменяет вид излома.
Поэтому характерные особенности строения изломов каждого конкретного сплава не постоянны от излома к излому, а определенным образом изменяются в зависимости от изменения вязкости, обусловленной конкретной термической обработкой и конфигурацией образцов.
В практике анализа макроструктуры при входном контроле металлопродукции на машиностроительных заводах или при приемке продукции на металлургических предприятиях утвердился термин «камневидный излом». В свете вышеизложенного, понятно, что это межзеренный излом. Для внесения ясности в данный вопрос следует разобраться, а какие типы зерен могут быть в металлах и их сварных соединениях.
Первый тип – первичные кристаллы (их называют и зернами и дендритами и ячейками в зависимости от типа кристаллизации), образующиеся в процессе кристаллизации. В материалах, полученных методами порошковой металлургии, первичными кристаллами следует считать спекаемые частицы.
Второй тип – вторичные зерна, которые образовывались при перекристаллизации, при технологических переделах; есть несколько разновидностей таких кристаллов. В холодном металле, который попал на анализ, этих зерен, как и первичных, уже нет. Остались только следы – характер деформирования, распределение неметаллических включений, наличие зон повышенной травимости и т.п.
Третий тип – действительное зерно. Это те кристаллиты, которые присутствуют в металле, поступившем на анализ.
Все эти виды зерен могут быть обнаружены при анализе макроструктуры в виде камневидного излома. Фрактографический анализ позволяет внести ясность в механизмы образования межзеренного излома, характеризуемого как камневидный.
Нафталинистый излом, выявляемый при анализе макроструктуры отливок, сварных швов и термообработанного металла. Фрактографический анализ также вносит ясность в характер его происхождения.
Первичный нафталинистый излом – это скол по плоскостям спайности продуктов распада первичных дендритов отливок или сварных швов. Зерна феррита сохраняют общее направление (текстуру) первичных дендритов. Плоскости скола в феррите, присутствующем в пределах одного первичного дендрита, ориентированы одинаково и дают одинаковый блеск при визуальном наблюдении.
Вторичный нафталинистый излом, наблюдается в термообработанных отливках или деформированном металле при перегреве. Его природа подобна первичному нафталинистому излому. При перегреве (при термообработке или ОМД) вырастают крупные аустенитные зерна. Фактически мы наблюдаем скол по плоскостям спайности продуктов распада предшествующего аустенитного зерна, образованного при перегреве отливок, сварных швов или деформированного металла. Зерна феррита сохраняют общее направление (текстуру) предшествующих аустенитных зерен. Плоскости скола в феррите, присутствующем в пределах границ одного предшествующего аустенитного зерна, ориентированы одинаково и дают одинаковый блеск при визуальном наблюдении.