Анализ макро- и микроструктуры металлов

Разрушение металла под действие повторных или знакопеременных напряжений называют усталостью металла. Трещина чаще всего возникает на поверхности. Сопротивление металла характеризуется наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за большое число циклов. 

Для определения  пределов выносливости испытывают не менее 10 образцов. Начиная с первого образца и до последующего, каждый раз снижают или повышают нагрузку на 20 или 40 МПа в зависимости от числа циклов, вызывающих разрушение первого образца. Результаты испытаний наносят на диаграмму в зависимости напряжения от числа циклов и определяют, сломался образец или нет. Предел выносливости резко снижается при наличии концентраторов напряжении.  

С увеличением  размера образца предел выносливости уменьшается. Чем тщательнее обработана поверхность образца (детали), тем выше предел выносливости. Сильно понижает предел выносливости коррозия. 

При изучении механизма  и кинетики разрушения, анализ излома с помощью фактографии дает возможность определять характер разрушения (хрупкое, вязкое, внутрезеренное) и относительную скорость процесса, а также изменение этих характеристик по мере развития трещины. 

При изучении излома можно выявить зоны, где наиболее неблагоприятно сочетались условия нагружения, что нельзя выявить другими методиками. А так же получить сведения о том, как протекал процесс разрушения. Поэтому в настоящее время для фактографии используют электронные микроскопы.  

Для изучения атомнокристаллической  структуры твердых тел применяют  рентгенографические методы исследования. Рентгеноструктурный анализ позволяет определять степень совершенства кристаллов, величину микронапряжений, а так же дает возможность изучать те структурные изменения, которые происходят при пластической деформации и концентрации дефектов.  

Образование вязкой трещины связано с реальным строением  металлов – наличием различноориентированных зерен, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. В этих условиях при средней величине напряжений, не превышающей значение предела упругости, фактические напряжения в металле распределяются неравномерно. 

Свойства стали  определяются размером действительного  зерна. Увеличение его размеров сравнительно мало влияет на предел прочности, но резко снижает вязкость и повышает критическую температуру хрупкости. Следовательно, перегретая сталь с крупным зерном имеет пониженные механические свойства, особенно пластичность и вязкость, т. е. склонна к хрупкому разрушению. 

Различные способы  магнитного анализа используют при  исследовании процессов, связанных с переходом из парамагнитного состояния в ферримагнитное. Магнитный анализ широко применяют при решении задач, исследовании влияния на структуру режимов термической обработки. 

Метод внутреннего  трения основан на изучении необратимых  потерь энергии механических колебаний внутри твердого тела. Используя этот метод, можно осуществить расчеты коэффициентов диффузии с высокой точностью, в том числе и при низких температурах, где никакой другой метод не применим, определять изменение твердых растворов, получать информацию определения вязкой трещины по измерениям мезогеометрии излома.  

Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных  к телу, или различными физико-механическими процессами, происходящими в самом образце (теле).  

Наличие в испытуемом образце (изделии) механических надрезов, трещин, внутренних дефектов металла приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений. Пик напряжений тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения и чем больше глубина надреза.

Внутреннее остаточное напряжение получается в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми. Кроме того, напряжения появляются в процессе кристаллизации при неоднородной деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему. Их называют фазовыми или структурными.  

Объемные дефекты  имеют значительную протяженность  во всех направлениях. Примерами таких дефектов являются усадочные, газовые раковины, трещины, образовавшиеся на различных этапах технологического процесса производства металла. Для кристаллов характерен механизм диффузии, который связан с понятием флуктуаций, т. е. беспорядочное отклонение случайных величин в обе стороны от их случайного значения. Наличие флуктуации обусловлено атомной структурой вещества и тепловым движением частиц. Средняя тепловая энергия колеблющихся атомов в зависимости от температуры составляет 0,025-0,2 эВ. В кристаллах наблюдаются вакансии, то есть пустоты. Источниками вакансий являются свободные поверхности кристалла: границы зерен, трещины и поры внутри кристалла. 

При встрече  вакансий может происходить их скопление, а так же перерождение в другие виды дефектов – в субмикроскопические  трещины и линейные дефекты (дислокации). Сток вакансий к существующим трещинам и порам приводит к увеличению размеров трещин. В этом случае имеет место значительное упрочнение металла, то есть точечные дефекты оказывают существенное влияние на прочность металлов. Дислокации могут образоваться при кристаллизации. В результате образуется новый единый кристалл с не полностью заполненной атомной плоскостью, которую называю экстраплоскостью. Могут наблюдаться искажения в расположении атомов в кристалле, поэтому по размерным признакам край экстраплоскости создает линейный дефект, который называется дислокацией. 

Существуют методы изучения кристаллического строения металлов в масштабах зерен и их комплексов. Размеры зерен в поликристаллических телах могут колебаться в пределах 0,0001-0,1 см. Поэтому в ряде случаев оценку кристаллического строения можно дать на основе рассмотрения невооруженным глазом или при малых увеличениях. Микроанализ применяется для установления крупных дефектов строения металла, расположения волокон, вызванного соответствующими технологическими процессами. Макроанализ поверхности разрушения деталей позволяет установить причины, вызвавшие разрушение. Для изучения микроструктуры (образования трещин, расположения зерен) применяется микроструктурный анализ, в котором используются электронные микроскопы.  

Изменение свойств  металла после пластической деформации связано с ростом дислокации, которая характеризуется суммарной длиной дислокаций, содержащихся в одном кубическом сантиметре металла. Деформации сопровождается дроблением блоков в кристаллах. Наклеп металла сопровождается изменением физических свойств, происходит уменьшение коррозионной стойкости. Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений. Большинству реальных материалов присуще как вязкое, так и хрупкое разрушение. Характерным признаком вязкого разрушения является энергоемкость, т. е. величина работы разрушения, вид трещины, поверхность излома и скорость распространение трещины. При образовании вязкой трещины затрачивается большая работа. Для развития вязкой трещины необходим непрерывный внешний подвод энергии расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоления возникающего при этом упрочнения. При этом работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственного разрушения.  

При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации. При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, поэтому у большинства металлов при низких температурах разрушение имеет транскристаллический характер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При повышенных температурах межзеренные границы слабее зерен. Поэтому разрушение при повышенных температурах имеет межкристаллический характер. 

Излом при вязком разрушении имеет волокнистый характер без металлического блеска, которое обнаруживается с помощью электронно-микроскопического исследования. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений, поэтому в случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. Существует ряд моделей дислокационного механизма зарождения трещины. Согласно общей модели Зинера, краевые дислокации движутся по плоскости скольжения к препятствию. Если при подходе они не могут одолеть этот «непрозрачный» барьер, то образуется нагромождение дислокаций, возникает концентрация напряжений. При этом в этой зоне напряжение может превысить приложенное напряжение. 

Когда напряжения превзойдут силы межатомной связи материала, возникнет микротрещина. Следующей стадией разрушения является подрастание зародышевой микротрещины до трещины критического размера, когда будет достигнута критическое соотношение между действующим напряжением и длинной трещины. Росту трещины способствует взаимодействие полей напряжение у ее вершины. 

Таким образом, стадии зарождения микротрещины и ее подрастание до критического размера являются следствием движения дислокаций, т. е. пластической деформацией металла. 

Дефекты типы трещин являются концентраторами напряжений, которые тем больше чем острее трещина и больше ее длина. В случае достаточно острой и длинной трещины  напряжение вблизи ее вершины могут достигать значений, превышающих разрушающее напряжение материалов даже при сравнительно малом приложенном напряжении. Чтобы предсказать поведение трещины необходимо провести метод напряженного состояния вблизи вершины трещины. При продвижении трещины имеют место процессы: высвобождения упругой энергии, запасенной системой и затрата энергии на образование новых поверхностей трещины. Вязкая трещина определяется относительным развитием нормально и наклонно участков разрушения. У достаточно толстых образцов с высокоразвитой поверхность нормального разрушения вязкость разрушения приближается к предельному значению в условиях плоской деформации. Знания вязкости разрушения позволяет определять максимально допустимые напряжения конструкции при наличии трещин определенной длины. 

Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала увеличение прочности сопровождается снижением  пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении, уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные с понижением температуры прочность растет и при определенных условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров. 

Размер зерна  поликристаллических материалов является одним из основных параметров микроструктуры. Уменьшение размеров зерен позволяет увеличить прочность и вязкость металла, поэтому при измельчении зерна возрастает вязкость разрушения. Использование такого метода как контроль процесса выплавки и особенно раскисления стали, понижение температуры конца прокатки, термоциклическая и термомеханическая обработка, которые способствуют измельчению зерна, позволяет одновременно повысить вязкость разрушения. 

С увеличением  мелкозернистости структуры растет ударная вязкость, и участок резкого  спада смещается в сторону  более низких температур. Контроль ударной вязкости – единственный метод обнаружения закалочной хрупкости. Закалочной хрупкостью обладает такая сталь, которая при медленном охлаждении обладает меньшей вязкостью.  

Микроанализ применяется  для определения формы и размеров кристаллических зерен, а также  для выявления микротрещин. Для выявления микроструктур производится травление. Для травления полированной поверхности образцов наиболее часто применяются растворы кислот щелочей и солей. Травление производится или погружением образца в травитель, или нанесением травителя на полированную поверхность образца. После травления микрошлиф промывается и высушивается, для выявления структуры высоколегированных специальных сталей применяют электролитическое травление. Выявление структуры может быть так же произведено нагревом полированного образца. Этот способ основан на том, что при нагреве его структурные составляющие окисляются неодинаково быстро и окисляются в различные цвета. 

После травления  микрошлиф устанавливается микроскоп, и микроструктура рассматривается в отраженном свете. При рассмотрении на металлографическом микроскопе видна структура металла, потому что отдельные структурные составляющие травятся по-разному, одни сильнее другие слабее. При освещении протравленного микрошлифа лучи света будут по-разному отражаться от различно протравившихся структурных составляющих, одни слабее другие сильнее, поэтому одни будут светлее другие темнее.  

Высокопрочные и среднепрочные материалы характеризуются низкими значениями вязкости разрушения. Вязкость большинства материалов работающих при низких температурах достаточно высока, что затрудняет при расчете использование методов механики разрушения. Величина коэффициентов запаса не имеет достаточного теоретического обоснования и в значительной степени обусловлено сложившимися традициями расчета. Пластичность характеризует способность металла подвергаться остаточной деформации, а вязкость – способность поглощать работу внешних сил при разрушении. 

Конструкционные стали кроме высоких механических свойств должны иметь высокую  прочность. К свойствам, определяющим надежность материала против внезапных  разрушений относятся  прочность и долговечность. Конструкционная сталь должна обладать хорошими технологическими свойствами – легко обрабатываться давлением, иметь малую склонность к деформации.