Фрактография в материаловедении

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
В. И. Аникина, А. А. Ковалева 
 
 
 
 
 
Фрактография  
в материаловедении 
 
 
 
 
 
Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому и техническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 150400.68 –  
 
 «Металлургия». № 468 от 14 июля 2014 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 
СФУ 
2014 

УДК 620.1814,6 (07) 
ББК 34.204.011я73 
А67 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор техн. наук, профессор, начальник ЛУФМ департамента новых  
технологий ООО «РУСАЛ ИТЦ» А.В. Прошкин 
доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой технологии  
конструкционных материалов и машиностроения  
Сибирского технологического университета А.П. Руденко 
 
 
 
 
 
 
Аникина, В. И. 
А67 
 Фрактография в материаловедении : учеб. пособие / В. И. Аникина, А. А. Ковалева. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2014. – 144 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-3114-6 
 
 
 
В учебном пособии описаны виды разрушения металлических материалов. Даны понятия и термины, используемые при описании всех видов разрушения. Приведены классификация видов изломов металлов, анализ строения изломов, полученных при разовом и многократном нагружении, длительном нагружении, а также при повышенных и высоких температурах. В 
учебном пособии представлены приложения с иллюстрациями микро- и 
макрофрактограммы изломов, а также описаны зарождение и развитие трещины и дефекты в изломах. 
Предназначено для магистрантов и аспирантов по дисциплине М2.В1 
«Фрактография в материаловедении» укрупненной группы 150000 – «Металлургия, машиностроение и материалообработка» по направлению 
150400.68 – «Металлургия». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
 

УДК 620.1814,6 (07) 
ББК 34.204.011я73 

 
 
 
ISBN 978-5-7638-3114-6 
© Сибирский федеральный университет, 2014 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение ............................................................................................................... 4 

1. ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ ................................................................................... 6 
1.1. Механизмы разрушения материалов .......................................................... 6 

2. МЕХАНИЗМЫ ЗАРОЖДЕНИЯ  ТРЕЩИНЫ ............................................. 9 
2.1. Развитие трещины ...................................................................................... 13 

3. РАЗРУШЕНИЕ ПУТЕМ СРЕЗА  И ОТРЫВА ........................................... 16 

4. ВИДЫ ИЗЛОМОВ ......................................................................................... 18 
4.1. Исследование макростроения изломов .................................................... 18 
4.2. Понятия и термины, используемые при описании поверхностей 
разрушения ......................................................................................................... 19 
4.3. Классификация основных видов изломов ............................................... 29 
4.3.1. Классификация изломов по макрогеометрии ................................... 29 
4.3.2. Классификация по морфологии поверхности разрушения ............. 31 
4.3.3. Классификация по характеру силового воздействия ...................... 36 
4.3.4. Классификация изломов по микрорельефу ...................................... 38 
4.3.5. Классификация по механизму разрушения ...................................... 39 
4.3.6. Классификация изломов по энергии разрушения ............................ 39 
4.4. Анализ строения изломов .......................................................................... 43 

5. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ  ИЗЛОМОВ ................................................ 51 
5.1. Специальные оптические методы исследования строения изломов .... 51 
5.2. Методы количественной оценки строения изломов ............................... 53 
5.3. Физические методы исследования изломов ............................................ 55 
5.4. Исследование структуры стали при изучении природы  
разрушения ......................................................................................................... 56 

6. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ИЗЛОМОВ  В ЗАВИСИМОСТИ  
ОТ УСЛОВИЙ  НАГРУЖЕНИЯ ..................................................................... 59 

Вопросы и задания для самоконтроля ............................................................ 68 

Задания ............................................................................................................... 79 

Список литературы ........................................................................................... 89 

Приложение 1. Атлас характерных изломов .................................................. 91 

Приложение 2. Зарождение и развитие трещины.  
Дефекты в изломах .......................................................................................... 119 

Предметный указатель .................................................................................... 133 
 

Введение 

Изучение излома – самый простой и доступный способ оценки 
внутреннего строения металлов. Метод оценки изломов, несмотря на 
кажущуюся грубость оценки качества материала, применяется довольно широко в различных отраслях производства и научных исследованиях. Оценка излома во многих случаях может характеризовать 
качество материала. 
Излом может быть кристаллическим или аморфным. Аморфный 
излом характерен для материалов, не имеющих кристаллического 
строения (стекло, канифоль, стекловидные шлаки). 
Металлические сплавы, в том числе сталь, чугун, алюминиевые, 
магниевые сплавы, цинк и его сплавы, дают зернистый, кристаллический излом. 
Каждая грань кристаллического излома является плоскостью 
скалывания отдельного зерна, поэтому излом показывает нам размеры 
зерна металла. Изучая излом стали, можно видеть, что размер зерна 
может колебаться в очень широких пределах: от нескольких сантиметров в литой, медленно остывшей стали до тысячных долей миллиметра в правильно откованной и закаленной стали. В зависимости 
от размера зерна излом может быть крупнокристаллическим и мелкокристаллическим. Обычно мелкокристаллический излом соответствует более высокому качеству металлического сплава. 
Если разрушение исследуемого образца проходит с предшествующей пластической деформацией, зерна в плоскости излома деформируются и излом уже не отражает внутреннего кристаллического 
строения металла; в этом случае излом называется волокнистым. В одном образце, в зависимости от уровня его пластичности, в изломе могут 
быть волокнистые и кристаллические участки. По соотношению площади излома, занятого волокнистыми и кристаллическими участками 
при данных условиях испытания, можно оценивать качество металла. 
Хрупкий кристаллический излом может получаться при разрушении по границам зерен или по плоскостям скольжения, пересекающим зерна. В первом случае излом называется межкристаллитным, во 
втором – транскристаллитным. Иногда, особенно при очень мелком 
зерне, трудно определить природу излома. В этом случае излом изучают с помощью лупы или бинокулярного микроскопа. 
В последнее время развивается отрасль металловедения по 
фрактографическому изучению изломов на металлографических и 

электронных микроскопах. При этом находят новые достоинства старого метода исследований излома, применяя к нему понятия фрактальных размерностей. 
Под разрушением понимают разделение тела на части либо появление макроскопической трещины или поры.  
Момент разрушения часто связывают с достижением напряжений, деформаций или работой деформаций критических значений. 
Под разрушением принято понимать процесс необратимого нарушения сплошности тела и разделение его на отдельные части. 
Разрушение рассматривают как процесс, состоящий из ряда последовательных стадий, которые включают зарождение трещин субмикроскопических размеров, их последующее развитие и заключительное формирование макроскопической магистральной трещины, 
заканчивающийся разделением материала на части. 

1. ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ 

1.1. Механизмы разрушения материалов 

Существуют различные классификации видов разрушения. В 
случае однократного воздействия монотонно нарастающей нагрузки 
возможно разрушение двух основных видов: хрупкое и вязкое. 
На практике чаще имеет место смешанное разрушение, одновременно обладающее чертами и хрупкого, и вязкого разрушения. 
Иногда признаки указанных типов разрушения могут проявляться в 
определенной последовательности (например, разрушение начинается 
как вязкое, а заканчивается как хрупкое). 
Разрушение называют вязким, если ему предшествовала значительная пластическая деформация, и хрупким, если пластическая деформация незаметна или же не превышает 1–2 %. Первоначально 
считали, что хрупкое разрушение происходит после упругой деформации, но затем было экспериментально доказано, что в металлах 
любому разрушению предшествует пластическая деформация, хотя 
бы и очень маленькая.  
При хрупком разрушении, когда микропластическая деформация 
не выявляется, в микрообъемах всегда можно найти следы пластической деформации в виде линий скольжения. Считают, что при хрупком разрушении металлов развитию трещины сопутствует локальная 
пластическая деформация в тонком приповерхностном слое трещины. 
Такое разрушение называют квазихрупким. 
Деление разрушения на хрупкое и вязкое весьма условно, так 
как при такой классификации трудно охватить все стороны явления 
на макро- и микроуровне.  
С позиций макроскопической картины хрупкое разрушение 
вызывается действием относительно небольших растягивающих 
напряжений (обычно не превышающих предел текучести). В этом 
случае для протекания и завершения хрупкого разрушения не требуется подвода энергии извне (т. е. повышения действующей нагрузки), а достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся 
конструкции. 
Принципиально иная ситуация возникает в условиях протекания 
вязкого разрушения. Оно развивается под действием напряжений, которые не только превышают предел текучести, но и непрерывно растут по величине (хотя действующее усилие может при этом даже 

снижаться вследствие уменьшения «живого» сечения нагруженного 
материала). 

Таблица 1 
Классификация основных видов механического разрушения 

Признак, по которому проводится  

классификация 
Вид разрушения 

По характеру силового воздействия: 
• нагрузка в основном монотонно изменя
ется, периода постоянной нагрузки нет или он 
мал относительно периода разрушения;  

• период неменяющейся нагрузки соизме
рим с периодом разрушения; 

• нагрузка периодически и многократно

изменяется в процессе разрушения 

Кратковременное однократ
ное статическое 

Длительное однократное ста
тическое и замедленное 

Усталостное 

По ориентировке макроскопической по
верхности разрушения при разных способах 
нагружения (растяжение, изгиб, сжатие, кручение, вдавливание и т. п.): 

• макроскопическая поверхность разруше
ния перпендикулярна направлению + σmax или 
+ε max при крайне малом пластически деформированном объеме в зоне разрушения;  

• поверхность наклонена под углом при
мерно 45° к направлению + σmax 

Отрыв  

Срез 

По локальности разрушения, оцениваемой 

по соотношению размеров разрушаемой зоны 
и структурных элементов 

Субмикроскопическое – III

рода; макроскопическое – II рода; макроскопическое – I рода 

По пластической деформации, предшест
вующей разрушению 

Хрупкое; макрохрупкое, но 

микропластическое; 
пластиче
ское 

По структурному расположению поверх
ности разрушения 

Внутрикристаллитное; меж
кристаллитное; смешанное 

По степени развития разрушения 
Начальное 
– 
поверхность 

трещины значительно меньше 
площади сечения тела; развитое, 
в том числе полное 

По влиянию внешней среды 
Вызванное понижением по
верхностной энергии (наличие
легкоплавких 
покрытий); 
вы
званное коррозией; связанное с 
облучением 

Хрупкое разрушение сопровождается незначительной пластической деформацией, предшествующей разрушению. Вязкому же разрушению предшествует значительная макроскопическая деформация, 
так как оно развивается при напряжениях, превышающих предел текучести, и суммарная энергоемкость процесса оказывается большой. 
Я.Б. Фридман классифицирует разрушение по разным признакам 
(табл. 1).  
Для обоих видов разрушения характерным является возникновение зародышевых трещин и их последующее распространение. По 
механизму образования трещины хрупкое и вязкое разрушения принципиально между собой не различаются. Вместе с тем склонность к 
тому или иному виду разрушения материала определяется тем, с какой скоростью возникшая трещина будет затем развиваться. При 
хрупком разрушении трещина растет с очень высокой скоростью, 
достигающей 0,4–0,5 скорости распространения звука в разрушаемом 
материале. В то же время скорость роста «вязкой» трещины очень мала. 

2. МЕХАНИЗМЫ  ЗАРОЖДЕНИЯ   
ТРЕЩИНЫ 

Механизмы зарождения трещин и пор на атомном уровне основаны на представлении о том, что для разрушения необходима пластическая деформация, вызванная движением дислокаций. 
Известно несколько моделей соединения дислокаций и образования субмикротрещин. Так, торможение дислокаций и их скопление 
около препятствий (границы зерен, двойников либо включения избыточных фаз) способствует сближению нескольких дислокаций, экстраплоскости которых сливаются, а под ними образуется зародышевая 
микротрещина. Модель образования микротрещины путем слияния 
дислокаций называется моделью Зинера – Стро. 
Микротрещина может преобразовываться в микропору путем 
вхождения дислокации обратного знака в дислокационную микротрещину и ее затупления (рис. 1), что приводит к существенному 
уменьшению концентрации напряжений в ядре клиновидной дислокационной трещины, или сверхдислокации. 

 
Рис. 1. Образование дислокационной трещины (а)  
и ее затупление с превращением в пору (б) [3] 

Микропоры могут образоваться путем формирования локальных 
скоплений вакансий с последующей конденсацией их в поры. Вакансионному пересыщению кристаллической решетки способствуют 
большая пластическая деформация, радиационное облучение, закалка 
и т. п. 
Модель формирования поры в результате сдвиговой деформации, протекающей за счет дислокационных перемещений в пересекающихся плоскостях скольжения, показана рис. 2. Условия такого 
скольжения реализуются в макроскопическом масштабе, например, 

при поперечной или винтовой прокатке, при которой в осевой зоне 
заготовки вскрывается полость. 

 
Рис. 2. Образование поры на пересечении попеременно активируемых  
плоскостей скольжения 

Особенности производства и эксплуатации металлических материалов способствуют возникновению газовых пор (пузырьков), причем давление газа может быть существенным. 
Модель заторможенного сдвига. Эта модель, подобно предыдущей, предполагает блокировку дислокаций барьером. Отличие ее 
заключается в том, что в голове дислокационного скопления возникают не только касательные напряжения интенсивностью nτ, но и 
значительные нормальные растягивающие напряжения в области под 
плоскостью скольжения. Эти растягивающие напряжения максимальны на плоскости, составляющей угол 70° с плоскостью скольжения 
(рис. 3). 

 
Рис. 3. Схема зарождения трещины у вершины дислокационного  
скопления [3] 

После достижения количества дислокаций в скоплении до нескольких сотен нормальные напряжения превышают прочность материала на отрыв (теоретическая прочность), и появляется трещина. 
Модель Коттрелла. Этот механизм можно использовать для 
описания процесса образования трещин в металлах с ОЦК (объемно 
центрированной кубической) решеткой. Возникновение трещин, как и 
в предыдущих случаях, связывается с необходимостью формирования 
дислокационных скоплений. Однако в модели Коттрелла не требуется 

наличия в исходном состоянии готовых барьеров для дислокаций. 
Препятствия, а затем дислокационные скопления и трещины образуются в результате протекающей пластической деформации. 

 
Рис. 4. Схема зарождения трещины в ОЦК металлах [3] 

На рис. 4 показана схема образования трещины по этой модели. 
В растягиваемом образце происходит перемещение скользящей дислокации по пересекающимся плоскостям (101) и (101) (это плоскости 
наиболее плотной упаковки в ОЦК кристалле, и именно они являются 
плоскостями легкого скольжения). При встрече этих дислокаций возникает новая дислокация, расположенная в плоскости (100), не являющейся плоскостью скольжения. Дислокация встречи блокирует 
обе плоскости скольжения, что приводит к скоплению дислокаций и 
образованию зародышевой трещины в плоскости скола (001). 
Модель образования трещины у субграницы. В некоторых случаях для зарождения трещины необязательным является наличие дислокационного скопления. Например, в металлах с гексагональной решеткой (Zn) при низких температурах возможно возникновение трещины в результате перерезания малоугловой границы в процессе 
сдвига. На рис. 5 показано образование микротрещины в результате 
сдвига, разделяющего малоугловую границу (с углом разориентировки приблизительно 5°) на две части. Такое разделение возможно, если 
малоугловая граница расположена вертикально по отношению к базисным кристаллографическим плоскостям ГПУ кристалла, по которым происходит сдвиг при нагружении. 
Модель зарождения трещины при торможении двойника. 
Двойники деформации распространяются с большой скоростью, поэтому при встрече растущего двойника деформации с препятствием, 
например границей зерна или ранее образовавшимся двойником, для