Лабораторная работа №3. Исследование поверхности разрушения в растровом электронном микроскопе (фрактографическое исследование)

Цель работы: с помощью растрового электронного микроскопа исследовать поверхность разрушения детали или конструкции, определить причины разрушения, изучить механизмы распространения трещины.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ


Что такое излом.

Излом – это поверхность, образовавшаяся в результате разрушения образца, детали или конструкции. Область знания о строении изломов называется фрактографией. Основные виды разрушения металлических материалов включают в себя вязкое, хрупкое, квазихрупкое и усталостное разрушения.

Особенности применения РЭМ в исследовании изломов

РЭМ широко используется для изучения топографии поверхности. Диапазон возможных увеличений при фрактографии, как правило, ограничен х10000. Преимущество РЭМ перед световым микроскопом заключается в глубине фокуса, превышающей оптическую на несколько порядков. Таким образом, при небольших увеличениях, в фокусе находятся элементы излома, перепад высот между которыми составляет несколько миллиметров, а при больших - несколько микрон.

Изучениe поверхности разрушения проводят, как правило, во вторичных электронах. Это позволяет не только улучшить пространственное разрешение по сравнению с отраженными электронами, но и получать сигнал с затененных участков образцов, находящихся вне прямой видимости.

Первоначальный осмотр проводят при относительно малых увеличениях х5-х50 и получают макроскопическую картину излома с большой глубиной фокуса. Это помогает интерпретировать особенности строения изломов, выявить вероятный механизм разрушения, область очага, зону зарождения и пути распространения трещины, отличающиеся макрорельефом и шероховатостью. Затем отдельные элементы поверхности разрушения исследуют при увеличениях х500-х2000, что позволяет определить микромеханизмы разрушения.

При малых увеличениях детали фрактограмм очень похожи на особенности разрушения, видимые невооруженным глазом.

Основные типы микрорельефа внутризеренного (транскристаллитного) разрушения:

  • фасетки скола, образующие ручьистый микрорельеф хрупкого излома;

  • квазискол;

  • ямки вязкого излома, образованные путем слияния микропор, образованных на включениях, границах зерен, полосах деформации;

  • гребни отрыва;

  • усталостные бороздки, характеризующие стадии усталостного разрушения;

  • вторичные трещины.


  • Основные типы микрорельефа межзеренного (интеркристаллитного) разрушения:


  • фасетки межзеренного разрушения, имеющие форму многогранников;

  • мелкие ямки по границам зерен;

  • вторичные трещины.


  • Если разрушение материала происходит под действием двух и более механизмов, то такой механизм называют смешанным. Подробнее об основных типах разрушения можно почитать в [1] и [2].

    Пробоподготовка образцов для исследования

    Основное требование к образу – малая величина, позволяющая его разместить в камере образцов. Часто необходимо проводить разрезку изломов. При этом излом закрывают от окисления охлаждающей жидкостью. В случае загрязнения поверхности разрушения необходимо провести очистку поверхности, например, в ультразвуковых ваннах.

    Вопросы для допуска к лабораторной работе

    1. Что такое излом?
    2. Какие виды разрушений встречаются в металлических материалах?
    3. Какие микромеханизмы разрушения бывают?
    4. Как подготовить излом для анализа в РЭМ?
    5. При каких увеличениях исследуют поверхности разрушения?


    Примеры исследования поверхностей разрушения

    Рисунок – Поверхности разрушения различной морфологии (а – макроизображение излома половинки ударного образца, б – вязкий, ямочный излом, в – хрупкий излом по типу скола с характерным ручьистым узором)


    Сценарий лабораторной работы

    1. Включить РЭМ
    2. Установить излом разрушенной детали или конструкции на держатель
    3. Изучить поверхность разрушения при увеличениях х10-х50, выделить основные области распространения трещины
    4. Получить электронные изображения микромеханизмов распространения трещины при увеличениях х500-х3000.
    5. Извлечь образец
    6. Выключить РЭМ
    7. Оформить отчет по работе

    КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

    1. Опишите макрохарактер поверхности разрушения исследованного излома
    2. Опишите микромеханизмы поверхности разрушения исследованного излома
    3. Опишите порядок проведенного исследования
    4. Опишите вязкий внутризеренный излом
    5. Опишите хрупкий межзеренный излом
    6. Опишите хрупкий внутризеренный излом<

    СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

    Феллоуз Дж.) Фрактография и атлас фрактограмм Справочное издание / Перевод с англ. Шур Е.А. под ред. Бернштейна М.Л. - М.: Металлургия, 1982. - 489 с.

    Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций : учеб.пособие / Рос.акад.наук.Ин-т металлургии и материаловедения им.А.А.Байкова; Гос.образоват. учреждение высш.проф.образоания Оренб.гос.ун-т; Г.В.Клевцов, Л.Р.Ботвина, Н.А.Клевцова, Л.В.Лимарь. - М. : [МИСиС], [2007]. - 260 с