Лекция: Лабораторная работа № 1

Поверхность образца размером 10×10 мм при изучении ее в РЭМ «выросла» бы до размеров футбольного стадиона. Поэтому полностью такую поверхность, естественно, рассмотреть невозможно. При исследовании подобных объектов придерживаются следующих рекомендаций.

Образец следует устанавливать в держателе таким образом, чтобы рассматривать детали разрушения в направлении преимущественного развития излома. Каждый излом при распространении магистральной трещины сопровождается образованием вторичных трещин, которые образуют ветвления от основного преимущественного направления, неравномерно расходящиеся в глубину. Вторичные трещины хорошо видны при визуальном наблюдении. Это относится также к ветвящимся микротрещинам в усталостных изломах.

Самые свежие области излома выявляются наиболее отчетливо. Поэтому целесообразно осматривать излом на его заключительной стадии, отвечающей долому. Кроме того, в большинстве случаев напряжение у вершины распространяющейся трещины непрерывно увеличивается. Это связано с расширением фронта распространения излома и уменьшением поперечного сечения объекта. В этой связи опасные признаки разрушения на стадии долома более явно выражены.

По виду стыка трещин можно составить представление о том, какая из трещин имеет более раннее происхождение (рис. 4).

Следует обращать внимание на часто повторяющиеся признаки (особенности) на поверхности разрушения и не заострять его на многочисленных случайных явлениях.

При малых увеличениях и особенно на изображениях, полученных с помощью отраженных электронов, можно на основании тщательного анализа ветвления при распространении трещин достаточно точно определить (локализовать) начало излома. При изучении разрушенных поверхностей следует в первую очередь рассматривать изображение в отраженных электронах, поскольку при этом хорошо проявляется топография излома (канавки, раковины и другие дефекты).

Методы количественной оценки строения изломов.

Методы количественной оценки изломов подразделяются по способу измерения на прямые и косвенные, а по возможности получения информации на локальные и интегральные.

Поверхность разрушения характеризуют тремя координатами: X, Y, Z. Координаты X и Y характеризуют проекцию поверхности разрушения на плоскость, параллельную плоскости приложения нагрузки. Координата Z характеризует степень неровности (шероховатости) поверхности разрушения в направлении, перпендикулярном плоскости приложения нагрузки.

К прямым методам относятся способ разреза изломов и способы построения профилограмм поверхности разрушения; к косвенным — методы, в основе которых лежит изучение двухмерного изображения излома. Характер микрорельефа оценивается непосредственно по координатам X и Y и косвенно восстанавливается координата Z. К этой группе относятся методы световой и электронной микроскопии, стереофотограммометрии и другие.

К локальным методам относятся методы световой и электронной микроскопии, а также голографической интерферометрии. При интегральном методе (оптико-структурный машинный анализ с помощью световой сканирующей микроскопиии или лазерного дифрактометра) изломы оцениваются по дифференциальным частотным и интегральным пространственным характеристикам изображений изломов в виде графических функций.

Для проведения количественной оценки изломов необходимо:

— предварительно выделить элементы строения излома, ответственные за определенные свойства металла;

— выбрать достаточно надежный для решения поставленной задачи метод их измерения, исходя из величины погрешности данного метода;

— определить необходимый объем статистической информации, позволяющий получить данные достаточной степени точности и надежности.

Элементы рельефа поверхности разрушения в координатах X-Y описываются занимаемой площадью; линейными размерами (длина, диаметр, периметр, расстояние между двумя точечными элементами) или числом подсчитываемых элементов на единицу площади (плотность распределения); в координате Z (степень шероховатости) — высотой неровности, углом наклона. Линейные размеры и число элементов измеряются в абсолютных величинах (миллиметры, штуки), а площадь, занимаемая исследуемыми элементами структуры, в практике в большинстве случаев оценивается как площадь, занятая определенным видом структурных составляющих или дефектов строения S1 по отношению к общей площади излома S2. Это соотношение выражают в процентах и подсчитывают по формуле для любого вида структурных составляющих (с. с):

% вида с.с=(S1/S2) 100%.

Ошибка (В) при использовании данного метода рассчитывается по упрощенной формуле (в процентах): В=100 (1-S1/S2).

К наиболее простым методам количественной оценки изломов технологических проб и ударных образцов, проводимых визуально или с помощью оптических приборов, имеющих небольшие увеличения относят неавтоматизированные методы.

. Этими же методами оценивают фотографии изломов, снятых в натуральную величину и с любым увеличением.

Метод визуальной оценки. Исследуемый излом или его изображение визуально сравнивается с эталонными шкалами, специальными атласами-классификаторами, картами или схемами дефектов, представляющими собой набор характерных изображений изломов, подобранных по заданной градации.

Метод эталонной сетки.Этот метод более объективен, но более трудоемок, чем первый. При его использовании из прозрачного материала (например, целлулоид) изготавливают эталонную сетку по размеру излома. Эта сетка представляет собой проекцию площади излома, разделенную на 100 клеток, каждая из которых составляет 1% площади излома. Эталонную сетку накладывают на поверхность излома и мелом или смывающимся карандашом обводят участки излома, занятые определяемым структурным элементом. Затем подсчитывают число клеток, занятых структурными элементами. Клетки, заполненные свыше 50%, считают полностью занятыми, менее 50% — незанятыми.Подсчитанное число клеток с определяемым структурным элементом определяет количество этого элемента в процентах.

Метод взвешивания. Из фотографии излома или кальки, на которую нанесены анализируемые структурные составляющие, вырезают изображения элементов излома, подлежащих оценке, и взвешивают. В этом случае содержание анализируемого элемента структурной составляющей (с. с.) излома (в процентах) определяют по формуле:

% с. с.=(Р1/Р2) 100%

где Р1 — масса фотографии или кальки, приходящаяся на анализируемый элемент (с. с.); Р2 — общая масса фотографии или кальки.

Полученные результаты обрабатывают с привлечением аппарата математической статистики.

Метод планиметрирования. С помощью планиметра обводят контуры участков изображения изломов, подлежащих обсчету, и определяют их площадь.

Недостатки этих методов:

— большая погрешность измерения;

— невозможность измерения линейных размеров дефектов сложной формы;

— затрудненность использования и возрастание ошибки при оценке изломов или их изображений, имеющих малые размеры;

— субъективность документальной фиксации результатов оценки.

Метод секущих. Применяется при обсчете элементов излома, имеющих замкнутые контуры. Метод заключается в нанесении на фотоснимок секущих линий определенной длины. Вдоль этих линий определяются размеры сечений элементов счета, их средний размер и разделение элементов по размерам. После обработки результатов по полученным данным строят график.

Метод профилограмм. С помощью этого метода определяют шероховатость поверхности разрушения. Для исследования изломов применяют два способа построения профилограмм поверхности разрушения:

— путем механического разреза излома по выбранному сечению и построения профилограммы с использованием световых металлографических или инструментальных луп и микроскопов;

— с помощью профилографов (путем перемещения тонкой иглы профилографа по поверхности разрушения с записью профилограммы).

Первый способ обладает достаточно высокой чувствительностью, применяется при исследовании влияния включений на процесс разрушения. Его недостатки — высокая трудоемкость, связанная с необходимостью изготовления микрошлифов, с измерением вручную профиля поверхности разрушения, а также возможность повреждения излома при его разрезке.

Второй способ применяется редко, так как имеет низкую чувствительность измерений (головка профилографа имеет диаметр порядка 2 мкм, что не позволяет выявлять тонкие детали строения излома).

Порядок проведения работы.

1. По описанию ознакомиться с конструкцией растрового электронного микроскопа.

2. Произвести осмотр фотографий, полученных на растровом электронном микроскопе, поверхности трещин в лазерных сварных швах.

3. Сделать эскиз или фотографию поверхности трещин в исследованных сварных швах, полученных лазерной сваркой.

4. Произвести анализ строения изломов и установить природу трещин в исследованных сварных швах, полученных лазерной сваркой.

5. Используя метод эталонной сетки провести замер площади очага разрушения трещины.

Требования к отчету.

1. Дать краткую характеристику используемого растрового электронного микроскопа.

2. Привести эскиз или фотографию поверхности трещин в исследованных сварных швах, полученных лазерной сваркой.

3. Дать описание строения изломов.

4. Охарактеризовать признаки разрушения в твердожидкой и твердой фазах при высоких температурах.

5. По характерным признакам установить природу разрушения в исследованных сварных швах, полученных лазерной сваркой.

6. Сопоставить размеры поверхности очага разрушения с поверхностью излома.

7. Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных узлов состоит растровый электронный микроскоп.

2. Чему равно и чем определяется разрешение растрового электронного микроскопа?

3. Как производится отбор и подготовка образцов?

4. Перечислить методы количественной оценки строения изломов.

5. Перечислить признаки разрушения в твердожидкой и твердой фазах при высоких температурах.

6. Как связан механизм разрушения в сварных швах, полученных лазерной сваркой, с топографией поверхности излома?

Список литературы.

1. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982, 632с.

2. Энгель Э., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1986. 232с.

3. Герасимова Л.П., Ежов А.А., Маресев М.И. Изломы конструкционных сталей. М.: Металлургия, 1987. 272с.

Лабораторная работа № 1