Макроскопический метод исследования изломов (96
..pdfМосковский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
В.М. Полянский
МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛОМОВ
Методические указания к лабораторной работе по курсу
«Механика разрушения»
Под редакцией А.И. Гневко
Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009
ÓÄÊ 620.22:531 ÁÁÊ 34.43
Ï54
Рецензент Т.Е. Лихачева
Полянский В.М.
Ï54 Макроскопический метод исследования изломов : метод. указания к лабораторной работе по курсу «Механика разрушения» / В.М. Полянский; под ред. А.И. Гневко. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 10, [2] с. : ил.
Даны рекомендации к выполнению лабораторной работы, посвященной изучению макрорельефа изломов и признаков очагов разрушения образцов и деталей. Описаны методы макроскопического исследования изломов на примере образцов, испытанных на растяжение, ударную вязкость и вязкость разрушения. Представлена специальная терминология, используемая для описания строения изломов.
Для студентов 5-го курса, обучающихся по специальности «Материаловедение в машиностроении».
ÓÄÊ 620.22:531 ÁÁÊ 34.43
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009
Цель работы – освоить макроскопический метод исследования изломов, визуально и с использованием бинокулярного стереоскопи- ческого микроскопа.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Изломы изучают для выявления причин и характера разрушения объектов техники, природы, а также для оценки качества материалов.
Совокупность правил и экспериментальных приемов изучения изломов составляют содержание метода фрактографии. Этот метод в настоящее время относят к научной дисциплине, находящейся на стыке материаловедения и механики разрушения. Материаловедение изучает качество материалов и механизмы разрушения образцов, деталей, технических сооружений, механика разрушения – силовые и энергетические критерии разрушения, характеризующие конструкционную прочность названных объектов.
Разрушение, требующее на единицу площади излома большой работы, называют вязким, малой работы – хрупким. В инженерной практике в противоположность хрупкому разрушению рассматривают пластическое разрушение. В качестве основных критериев вязкого и хрупкого разрушения принимают признаки пластической деформации части детали (образца), смежной с изломом, и ориентацию участков излома по отношению к направлению разрушающей силы или к характерным направлениям в объекте (табл. 1). Отсутствие признаков пластической деформации в части детали, смежной с изломом (рис. 1, à), принимают за хрупкое разрушение, а их наличие (рис. 1, á) – за пластическое.
|
|
Таблица 1 |
|
Термины, определяющие характер разрушения и излом |
|||
|
|
|
|
Факты |
|
Термины |
|
|
|
||
Характер разрушения |
Излом (или его часть) |
||
|
|||
|
|
|
|
1. Внешний вид: |
|
|
|
а) часть детали, |
а) хрупкое, пласти- |
– |
|
смежной с изломом; |
ческое (рис. 1) |
|
|
|
|
|
3
|
|
Окончание табл. 1 |
|
|
|
|
|
Факты |
|
Термины |
|
|
|
||
Характер разрушения |
Излом (или его часть) |
||
|
|||
|
|
|
|
б) макрорельеф из- |
б) хрупкое, вязкое, |
б) камневидный (рис. 3, à), çåð- |
|
ëîìà |
усталостное |
нистый (рис. 3, á), волокнис- |
|
|
|
тый с пластическим шарниром |
|
|
|
(ðèñ. 3, â), волокнисто-полосча- |
|
|
|
òûé (ðèñ. 3, ã), шевронный |
|
|
|
(рис. 4), усталостный (рис. 5) |
|
|
|
è ò. ä. |
|
|
|
|
|
2. Ориентация по- |
|
|
|
верхности: |
|
|
|
а) к направлению |
а) срез, отрыв |
а) срез, отрыв (рис. 2, á); |
|
разрушающей силы; |
|
|
|
б) к характерному |
– |
б) прямой, косой (рис. 2, à) |
|
направлению в объ- |
|
|
|
åêòå |
|
|
|
|
|
|
|
3. Шероховатость, |
_ |
Сглаженный (рис. 6), шерохо- |
|
блеск, цвет |
|
ватый (рис. 6), бархатистый, |
|
|
|
серый, темный, блестящий |
|
|
|
è ò. ä. |
|
|
|
|
|
4. Повреждения и |
– |
Забои, ржавчина, продукты |
|
загрязнения |
|
коррозии, нагар, грунт, смазка |
|
|
|
è ò. ä. |
|
|
|
|
à |
á |
Ðèñ. 1. Внешний вид смежных с изломом частей деталей при хрупком (à) и пластическом (á) разрушении
Если участок излома или весь излом имеет ориентацию «косой» или «срез», то это считается признаком пластического разрушения, если «прямой» или «отрыв» (рис. 2, à, á) – то признаком хрупкого разрушения.
4
à |
á |
Ðèñ. 2. Схемы наименования участков изломов по ориентации:
à– по отношению к продольному направлению в объекте (П);
á– по отношению к направлению разрушающей силы (Р)
Наличие на изломе губ среза или участков разрушения по поверхностям общего течения материала в пластическом шарнире (ПШ) [1] также принимаются за свидетельство пластического разрушения (губы среза (рис. 3, â, ã) наклонены к основной поверхности излома под углом примерно 45º; зона ПШ представляет собой выпуклость или ложбину (см. рис. 3, â), образующуюся, например, в конце распространяющейся от надреза трещины в ударных образцах из пластич- ных материалов). Шероховатость излома в зоне ПШ заметно меньшая, чем в волокнистой зоне.
Термины для характеристики макрорельефа излома обусловлены сходством его внешнего вида с некоторыми объектами, названия и внешний вид которых предполагаются известными [2]. Например, если макрорельеф излома напоминает поверхность разрушения гранита, его называют камневидным (ðèñ. 3, à); если проявляется сходство с поверхностью, усыпанной зернами различной формы и размеров, – зернистым (ðèñ. 3, á); макрорельеф называется волокнистым, если он образован поверхностями разорванных вытянутых зерен (рис. 3, â, ã).
Термины «волокнистый» применительно к излому и «волокнистая» применительно к структуре деформированных полуфабрикатов по смыслу совершенно различны. Волокно на изломе в среднем перпендикулярно его поверхности. На волокнисто-полосчатом изломе в дополнение к волокну на изломе видна полосчатость, связанная с исходной волокнистой структурой деформированных полуфабрикатов (поверхности расслоений, отмеченных стрелками (см. рис. 3, ã), проходят по границам волокна в полуфабрикате, в среднем перпендикулярным основному излому отрывом).
5
à |
á |
â |
ã |
Ðèñ. 3. Макрорельефы образцов, испытанных на ударную вязкость:
à – камневидный; á – зернистый; â – волокнистый с пластическим шарниром (ПШ) и губами среза (с); ã – волокнистый с расслоениями (отмечены стрелками) и губами среза (с) (т – предварительная усталостная трещина). х4
Излом называют шевронным за сходство основного узора на его поверхности с шевроном (рис. 4).
Ðèñ. 4. Шевронный излом листа углеродистой стали
6
Усталостной части на макроизломе обычно соответствует участок с концентрическими линиями – макрознаками усталости (рис. 5).
Ðèñ. 5. Излом зубьев шестерни. Дуга между крайними стрелками ограничивает зону стабильного роста усталостного разрушения отрывом
Ðèñ. 6. Излом с участками разной шероховатости и с различным рельефом
Место на изломе, где произошло зарождение трещины, называют
очагом разрушения.
При анализе фактов рекомендуется пользоваться терминами, приведенными в табл. 2.
7
Таблица 2
Термины, характеризующие изломы, причины, характер и стадии разрушения по результатам анализа
Цель анализа |
|
Термины |
|
|
|
|
|
Причина разрушения |
|
Излом (или его часть) |
|
|
|
||
|
|
|
|
Определение стадии |
Силовая перегрузка, |
|
Очаг разрушения, I или II |
разрушения и его |
усталость |
|
стадия усталостной трещи- |
причины |
|
|
ны, долом, дефект критиче- |
|
|
|
ского размера и т. д. |
|
|
|
|
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Порядок выполнения работы
1.Макроанализ изломов проводят на серии образцов, испытанных на растяжение, ударную вязкость и вязкость разрушения. Материал образцов может быть различным.
2.Изучение изломов производится последовательно визуально, с помощью лупы и с использованием бинокулярного микроскопа ÌÁÑ-1.
3.Макрофотографирование производят цифровым фотоаппаратом, в том числе для фиксации отдельных подробностей строения излома, с использованием бинокулярного микроскопа МБС-1. Распе- чатку фотографий производят с помощью лабораторного компьютера, на котором установлена программа воспроизведения и печати цифровых фотографий.
Задание
1.Изучить фрактографические термины по табл.1, 2. Таблицы занести в лабораторный журнал.
2.Провести макроанализ предложенной преподавателем серии изломов лабораторных образцов и определить очаги разрушения и характеры рельефа разных зон изломов. Результаты анализа занести в лабораторный журнал.
8
3. Сделать обзорную макрофотографию излома, состоящего из участков, различных по ориентации и высоте. Дополнительно к обзорной макрофотографии сделать сфокусированные макрофотографии таких участков.
4. На полученных макрофотографиях выбрать места, которые следует исследовать с помощью сканирующего электронного микроскопа для определения характера разрушения.
5. Макрофотографии вместе с результатами анализа внести в лабораторный журнал.
Содержание отчета
1.Цель работы.
2.Задание.
3.Таблицы фрактографических терминов (табл. 1, 2).
4.Макрофотографии с результатами их анализа.
ЛИТЕРАТУРА
1.Íîòò Äæ.Ô. Основы механики разрушения: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1978. 256 с.
2.Рекомендации: Расчеты и испытания на прочность в машиностроении: Классификация видов поверхностей разрушения (изломов) металлов / ВНИИНмаш. М., 1979. 45с.
Учебное издание
Полянский Владислав Михайлови÷
Микроскопический метод исследования изломов
Редактор Е.К. Кошелева Корректор М.А. Василевская
Компьютерная верстка И.А. Марковой
Подписано в печать 23.07.2009. Формат 60 х 84/16. Усл. печ. л. 0,7. Тираж 50 экз. Изд ¹ 147.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.