2828.Экспертиза качества и разрушений
..pdf
На изломах алюминиевых сплавов данному участку соответствует плоские фрагменты, вытянутые вдоль направления распространения трещины. В случае более высоких скоростей распространения трещины микрорельефы излома сталей, образованные выше и ниже критической температуры хрупкости, существенно различаются. Выше температуры хрупкости преобладает бороздчатый механизм, ниже – скол, иногда с участками вязкого излома.
Различают вязкие и хрупкие бороздки (рис. 4.44). Первые представляют чередование гребней и впадин, образующих пилообразный профиль излома. Хрупкие усталостные бороздки большей частью обнаруживают на фоне фасеток хрупкого трансклисталлитного скола. Выделяются три типа пластичных усталостных бороздок: внутризеренные, межзеренные некристаллографические, внутризеренные некристаллографические. В наибольшей степени распространен внутризеренный некристаллографический тип усталостных бороздок. Этот тип усталостного разрушения обнаружен в железе, никеле, алюминии и их сплавах.
Рис. 4.44. Схема возникновения вязких (а) и хрупких (б) усталостных бороздок
Совпадение между шириной усталостных бороздок и скорости развития трещины наблюдается далеко не всегда. Расстояние между бороздками изменяется при изменении амплитуды напряжения.
Снимки, приведенные на рис. 4.45, являются примером классических пластических бороздок, на которых отчетливо видно увеличение расстояния между бороздками по мере роста трещины. Включения и выделения вторичных фаз локально изменяют расположение и направление бороздок.
191
Рис. 4.45. Картина типичных пластичных бороздок в изломе алюминиевого сплава РА6. Участки излома располагаются от начала трещины на расстоянии: а − 2,0 мм; б − 6,4 мм; в − 6,8 мм; г − 7,6 мм. Стрелки указывают направление роста магистральной трещины
Строение бороздок зависит от состояния материала, термической обработки и условий нагружения. Они не гладкие, так как на поверхности бороздок выявляются следы ступенек, волнистость и более мелкие бороздки.
В усталостной зоне изломов сталей 10ХСНД и 09Г2С видны отдельные участки с усталостными бороздками и фасетками межзеренного разрушения (рис. 4.46). Остальная поверхность разрушения образована бесструктурным рельефом.
Возникает вопрос, каждая ли бороздка соответствует одному циклу нагружения. С учетом многочисленных исследований ответ должен быть утвердительным. Но есть многочисленные отклонения от этого правила.
192
Рис. 4.46. Электронные фрактограммы изломов стали 10ХСНД (а, б − ×4000) и 09Г2С (в − ×13500) в зоне стабильного роста трещины. Стрелками указано направление роста трещины
Отрыв в сочетании с образованием усталостных бороздок является распространенным видом разрушения. Он встречается при значениях коэффициента интенсивности напряжений, приближающихся к значению K1с данного металла. Перемежающие участки вязкого отрыва и бороздок часто встречаются в образцах, испытанных на усталость, когда значение длины трещины приближается к тем, которые соответствуют условиям катастрофического разрушения. Локальные изменения типа разрушения, по-видимому, связаны с изменением локальной ориентировки зерна.
Признаками усталостного разрушения являются также траковые следы (рис. 4.47).
Рис. 4.47. Траковые следы на изломах стали 45
Траковые следы характеризуются исключительно правильным расположением и образуют дорожки, параллельные направлению распространения трещины. Траковые следы можно рассматривать как вторичный эффект действия включений, выделений или твердых структурных составляющих. Появление траковых следов принято считать признаком действия высоких напряжений и высоких скоростей роста трещины.
193
4.6.Разрушение при статическом нагружении
4.6.1.Деформация и разрушение при повышенных температурах. Общие закономерности
Разрушением при ползучести называют разрушение, наступающее в материале от длительного действия статической нагрузки в условиях повышенных температур. Наиболее отличительной особенностью поведения материалов при указанных условиях нагружения является происходящее в них в процессе эксплуатации существенное изменение структуры и свойств. Степень и характер этих изменений определяются структурой и составом материала, уровнем действующих напряжений, температурой и временем.
Изменение свойств материала, длительное время работающего при высокой температуре, является следствием диффузионных и дислокационных процессов (структурных изменений). Для сплавов на никелевохромовой основе (ЖС6КП, ЖС6У и ВЖЛ12У) указывают на три стадии процесса повреждаемости. За время испытания, равное примерно 30 % долговечности, предел кратковременной прочности, определенной при температуре длительного испытания, практически не изменяется. С увеличением времени длительного испытания до 30–50 % достаточно резко понижается предел прочности. Через 50–70 % времени дальнейшее его понижение существенно замедляется. Сохранение прочности на уровне исходного значения свидетельствует о наличии в тонкой структуре когерентной связи частиц упрочняющей фазы с матрицей, вследствие чего пластическая деформация, происходящая путем перерезания дислокациями этих частиц, приводит к образованию сложных сверхструктурных дефектов упаковки вычитания (внедрения). С потерей когерентной связи процесс разупрочнения интенсифицируется, в структуре наблюдаются сращивание частиц γ'- фазы, наличие большого количества свободных дислокаций. Этот процесс происходит преимущественно по границам зерен.
На рис. 4.48 приведены диаграммы роста трещин для различных температур и напряжений в высокопрочном деформируемом никелевом сплаве ЖС6КП, позволяющие определить пороговые напряжения для каждой температуры испытания, ниже которых трещины практически не увеличиваются за выбранный промежуток времени.
Графически диаграммы длительной прочности для сталей имеют два или три перелома (рис. 4.49). Наличие этих перегибов отражает наличие при ползучести различных механизмов разрушения. Участок вы-
194
ше линии I соответствует вязкому внутризеренному разрушению, а участок ниже линии II − хрупкому разрушению.
Рис. 4.48. Развитие трещины при 100-часовом испытании сплава:
1 − 900 °С; 2 − 950 °С; 3 − 980 °С
На участке диаграммы, ограниченной линиями I и II, реализуется смешанный тип разрушения, происходящий за счет образования и развития клиновидных микротрещин на стыке трех зерен.
Рис. 4.49. Диаграммы длительной прочности для стали 15МФ
На установившейся стадии ползучести, когда устанавливается равновесие между механическим упрочнением и термическим разупрочнением, выделяют следующие этапы (рис. 4.50):
195
–зарождение отдельных микропор у субграниц и на границах зерен феррита и раздела фаз;
–медленный рост и объединение микропор, приводящих к образованию одной или небольшого числа первичных зернограничных микротрещин;
–объединение отдельных микротрещин в трещины, размеры которых превышают размеры зерна;
–быстрое развитие одной или нескольких трещин до полного разрушения.
Рис. 4.50. Образование межкристалитных трещин в условиях ползучести: а – трещины в местах соприкосновения границ зерен; б – образование пор на границах зерен
При повышении напряжения сокращается во времени или вовсе исчезает вторая стадия. При уменьшении напряжений она сильно растягивается. Необходимо отметить, что большое количество трещин может возникнуть и при действии высоких напряжений, однако в последнем случае они образуются одновременно.
При достаточно высоких температурах в поликристаллическом металле границы зерен становятся более слабыми, чем сами зерна, и значительная часть деформации ползучести происходит за счет скольжения зерен относительно друг друга. Это скольжение носит характер вязкого течения. Оно затруднено кинематически, так как зерна имеют неправильную форму и каждое зерно встречает сопротивление со стороны соседних.
Скольжение становится возможным за счет пластической деформации зерен и сопровождается появлением межзеренных трещин, приводящих к разрушению (рис. 4.51).
Разрушение при испытании на длительную прочность или высокотемпературную ползучесть часто возникает вследствие зарождения микропор на стыках границ зерен из-за развития зернограничного
196
скольжения или локального оплавления. Последующая диффузия вакансий или развитие локального скольжения могут увеличить поры до размера микротрещин, которые распространяются вдоль границ зерна, обусловливая межзеренное растрескивание (рис. 4.52). Мелкие детали на поверхности разрушения свидетельствуют об окислении в процессе и после окончательного разрушения.
Рис. 4.51. Микропоры ползучести в структуре стали 15ХМА после 162000-часовой эксплуатации при 500 °С
а |
б |
Рис. 4.52. Вид излома при испытании на ползучесть сплава нимоник при 800 °С: а – ×1340; б – ×5500
4.6.2. Строение изломов при разрушении от ползучести
Признаком, позволяющим отличить излом длительного нагружения от однократного, является его меньшая степень пластичности, выражающаяся в наличии мелких ямок-пор (рис. 4.53, б) и системы площа-
197
док проскальзывания на изломах однократного нагружения. Обращает на себя внимание факт интенсивного вытягивания ямок перед разрывом перемычек и сильного пластического течения. В соответствии с преимущественно межзеренным характером распространения разрушения изломы длительного статического нагружения при высоких температурах имеют зернистое макростроение.
Ответственным за межкристаллитное разрушение при высокой температуре в ряде сплавов является преимущественное выделение по границам зерен «пленок» низкоплавких фаз, например FeS, NiS.
С повышением температуры микропластичность изломов увеличивается – почти исчезают сдвиговые площадки. Преобладают относительно крупные рельефные ямки. В микростроении изломов деформируемых высокожаропрочных никелевых сплавов с увеличением температуры испытания также уменьшается доля хрупкого разрушения, увеличивается количество рельефных ямок и степень их пластичности
(см. рис. 4.53).
а |
|
б |
Рис. 4.53. Фрактография поверхности разрушения; а – гладкая поверхность разрушения, обусловленная так называемой вытяжкой; б – мелкие ямки, расположенные на гребнях отрыва (указаны стрелками)
Для явления ползучести свойственна отчетливо выраженная тенденция: с увеличением длительности пребывания металла в области повышенных температур вследствие постепенного ослабления границ зерен происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому. Это явление получило название «охрупчивание материала».
198
Природа такого хрупкого разрушения совсем иная, чем при кратковременных испытаниях. Траектория распространения трещины при длительном воздействии повышенной температуры проходит вдоль границ зерен. Такой механизм разрушения вызывается наличием примесей или выделением хрупкой фазы по границам зерен. Наиболее опасны при ползучести процесс накопления повреждаемости, возникновение пор по границам. Появляется террасовидная ступенчатая структура с большим числом трещин (рис. 4.54).
Рис. 4.54. Излом никелевого сплава после испытания на длительную прочность при температуре 800 °С, ×2200. Видно большое число трещин
4.6.3. Замедленное (задержанное) разрушение
Замедленным (задержанным) разрушением принято называть разрушение системы, наступающее с течением времени при нагрузке ниже предела текучести стали без влияния повышенной температуры и кор- розионно-активных сред. Данный вид разрушения имеет место в мартенситной структуре после закалки. Это явление относят за счет микронапряжений, возникающих в мартенсите и влиянием атомов водорода, располагающихся в местах столкновения мартенситных кристаллов.
Этот вид разрушения происходит при статическом или квазистатическом характере нагружения и бывает причиной разрушения закаленных стальных элементов конструкций. Оно происходит при напряжении ниже предела текучести.
199
На рис 4.55 представлена зависимость времени до разрушения от приложенного напряжения для закаленной стали 18Х2Н4ВА. Закалка с 860 °С, как установлено, увеличивает концентрацию фосфора на границах исходного аустенитного зерна в 8 раз, что приводит, как полагают, к ускорению развития задержанного разрушения в 30 раз и уменьшению порогового напряжения в 3 раза. Именно влиянием водорода объясняют тот факт, что после отпуска при 200 оС скорость задержанного разрушения возрастает (рис. 4.56).
Рис. 4.55. Сталь 18Х2Н4ВА: закалка от 1000 °С (1), от 1000 °С с изотермической выдержкой при 860 °С (2)
Задержанное разрушение протекает в три стадии:
–зарождение трещины;
–стабильный рост трещины;
–статический долом.
Рис. 4.56. Зависимость времени разрушения стали 20С2Г3Н2Х2Ф от уровня приложенного напряжения: закалка от 950 °С (1), от 950 °С + отпуск при 200 °С (2)
200