Механические свойства металлов. Часть 3. Вязкость. Разрушение

№ 844

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра металловедения и физики прочности

М.Ю. Беломытцев
А.В. Кудря

Механические свойства
металлов

Часть 3. Вязкость. Разрушение

Лабораторный практикум

Допущено учебнометодическим объединением
по образованию в области металлургии в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению Металлургия

Москва   Издательский Дом МИСиС
2008

УДК 620.17 
 
Б43 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.С. Золоторевский 

Беломытцев М.Ю., Кудря А.В. 
Б43  
Механические свойства металлов: Ч. 3: Вязкость. Разрушение: Лаб. практикум. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. – 85 с. 

Лабораторный практикум, состоящий из трех частей, включает в себя 
одиннадцать лабораторных работ по курсу «Механические свойства металлов». К каждой лабораторной работе дано краткое теоретическое введение, 
приведены достаточно полные нормативные требования и таблицы по данному виду испытаний, представлена методика и последовательность выполнения работы, правила техники безопасности при ее проведении, изложены 
требования к оформлению результатов измерений. 
Цель практикума – привить студентам навыки работы на испытательном 
оборудовании и обучить практическому определению механических свойств. 
Даются контрольные вопросы для проверки усвоения материала курса. 
Соответствует программе курса «Механические свойства металлов». 
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению 
«Металлургия» по специальностям 150101, 150104, 150105, 150506, 150701, 
150702, 200500, 010502, 200503, а также для бакалавров и магистров по направлениям «Металлургия» и «Физическое материаловедение». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 9. Анализ изломов................................................4 
Лабораторная работа 10. Определение температурного 
интервала перехода стали от вязкого разрушения к хрупкому..........40 
Лабораторная работа 11. Определение вязкости разрушения............60 
 

Лабораторная работа 9 

АНАЛИЗ ИЗЛОМОВ 

(4 часа) 

9.1. Цель работы 

Целью работы является овладение методикой анализа и измерения элементов макрогеометрии изломов, а также изучение взаимосвязи характера поверхности разрушения с режимом термической 
обработки и условиями испытаний. 

9.2. Теоретическое введение 

9.2.1. Общие сведения о строении изломов 
и методах их исследования 

Поверхность полностью разрушенного образца или детали, образовавшуюся в результате развития трещины, называют изломом. 
Изучение строения изломов невооруженным глазом, с помощью оптической или электронной микроскопии называется фрактографией. 
Благодаря изучению изломов получают уникальную информацию о 
протекании всех стадий процесса разрушения испытуемого материала, которая может быть использована для оценки механизма, кинетики разрушения в зависимости от ряда факторов, а также для установления причин разрушения. 
Единой классификации видов разрушения нет, что обусловило 
большое число названий для одного и того же типа разрушения, базирующихся на различных признаках. Так, по степени участия пластической деформации в разрушении его разделяют на хрупкое, квазихрупкое, вязкое и смешанное; по виду нагружения различают разрушение от кратковременной однократной нагрузки (статическое 
при растяжении, изгибе и др.), от длительной нагрузки (замедленное, 
разрушение при ползучести), от циклически повторяющейся нагрузки (усталостное), если существенна кинетика процесса, то разрушение разделяют на стабильное и нестабильное.  
Возможности существующих аппаратных средств и программного 
обеспечения позволяют в настоящее время получить топографию 
поверхности излома на трех масштабных уровнях измерения: макро-, 
микро- (измеряются элементарные участки разрушения – ямка, фа

сетка) и мезоуровне, когда измеряемые элементы излома на порядок 
больше микроэлементов и на один-два порядка меньше его макрохарактеристик.  
Первоначальный анализ изломов обычно проводят при небольших 
увеличениях: невооруженным глазом и с применением луп (в том 
числе бинокулярных) с увеличением не больше чем в 8–10 крат. Изучение мезостроения изломов включает в себя просмотр изломов в 
оптических микроскопах (практически всегда – бинокулярных) при 
увеличениях в 10–100 крат либо реконструкцию поверхности разрушения, например, по измерениям на лазерном профилографе. Для 
исследования микростроения изломов используется сканирующая 
или просвечивающая электронная микроскопия при увеличениях в 
100–20000 крат (изучается непосредственно сам излом или угольные 
либо лаковые отпечатки, полученные с излома, называемые репликами).  
Основными признаками изломов (либо отдельных его характерных участков) на макроуровне являются: 1) расположение плоскости 
излома относительно известных или предполагаемых плоскостей 
действия максимальных нормальных и (или) касательных напряжений; 2) цвет излома; 3) степень микро- и макрошероховатости излома; 4) наличие дефектов макро- и микроструктуры металла, отражающихся в строении излома. Результатом анализа по каждому (!) 
признаку является предварительный вывод о механизме разрушения, 
причинах, возможном действии среды и т.д.  
Хрупкому излому в каждой группе признаков соответствуют следующие признаки: 1) лежит в плоскости максимальных нормальных 
напряжений (возникает в результате отрыва одной части образца относительно другой и может называться сколом, отрывом); 2) имеет 
блестящий (по другой терминологии – кристаллический) цвет (обусловленный тем, что излом состоит из множества относительно ровных микроплощадок, образовавшихся в результате хрупкого разрушения отдельных зерен, их групп или отдельных частей и называемых фасетками скола, хорошо отражающих свет и создающих эффект крупинок-кристальчиков, рассыпанных по излому и составляющих его); 3) обладает низкой общей рельефностью (т.е. большой 
сглаженностью в пределах всей плоскости излома).  
Вязкому излому в каждой группе признаков соответствуют следующие признаки: 1) его поверхность совпадает с плоскостью действия максимальных касательных напряжений (возникает в результате 
соскальзывания одной части образца относительно другой и может 
называться срезом); 2) имеет матовый (по другой терминологии – 

волокнистый) цвет (обусловленный тем, что излом состоит из множества кратеров-ямок, рассеивающих свет равномерно во всех направлениях и создающих общий серый фон излома); 3) обладает высокой рельефностью, созданной пластической деформацией (характерно наличие выступов, впадин, загибов, губ среза и иных элементов макроизлома с высоким профилем).  
Для каждой группы признаков следует учитывать особенности их 
применения.  
1. Положение плоскостей максимальных касательных и нормальных напряжений по отношению к геометрическим осям образца зависит от вида напряженного состояния, созданного в данном сечении 
изделия (может быть сопоставлено с положением данных плоскостей 
при определенных видах механических испытаний); так, для образцов цилиндрической формы положение плоскостей, в которых действуют максимальные касательные или нормальные напряжения, будет полностью противоположным для случая растяжения (а также 
сжатия) и кручения таких образцов (рис. 9.1–9.3). Данные, представленные в табл. 9.1, позволяют сопоставлять положение плоскостей 
хрупкого или вязкого изломов с геометрическими осями и образца в 
том или ином виде испытаний.  
2. Для некоторых высокопрочных сталей элементы вязкого излома могут быть обнаружены только с применением электронного 
микроскопа.  
3. Элементы макрорельефа излома с высоким профилем могут 
иметь своей причиной не значительную вязкость материала, а кристаллическое (зеренное) строение металла либо дефекты его строения в виде трещин различного происхождения и пор. При этом в целом излом может иметь абсолютно хрупкий характер. 
Основными дефектами, которые могут быть обнаружены в изломе, являются трещины, поры и неметаллические включения. Трещины в изломе характеризуются следующими признаками: высоким 
уступообразным рельефом (всегда) и продолжением трещины в виде 
тонкой полоски на боковых гранях или поверхностях образца (как 
правило). Трещины могут появляться в металле на этапе выплавки (в 
процессе охлаждения слитка, и тогда это брак металлургического 
этапа получения металла), на этапе пластической деформации прокаткой, ковкой, волочением (и тогда это брак этапа обработки металла давлением) и в результате термической обработки заготовок и готовых изделий (и тогда это брак этапа термической обработки). 

а 
б 

 
в 
г 

 

Рис. 9.1. Вид напряженного состояния при растяжении 
цилиндрического образца (а), схема и внешний вид абсолютно 
хрупких (б–г) и вязких (1 – 6) изломов срезом (1), «в точку» (2), 
ножевидного (3), по механизму образования пор (4), волокнистого (5), 
«чашка – конус» (6) 

а 
 
б 
в 

Рис. 9.2. Вид напряженного состояния при кручении 
цилиндрического образца (а) и внешний вид вязкого излома при 
разрушении срезом (б) и хрупкого – отрывом (в) 

 

 

а 
б 
в 

Рис. 9.3. Вид напряженного состояния при сжатии 
цилиндрического образца (а), внешний вид вязкого (б) 
и хрупкого (в) изломов 

Таблица 9.1 

Направления максимальных упругих удлинений и максимальных касательных 
напряжений, а также траектории макрохрупкого и вязкого разрушений  
(без учета изменений направления в процессе разрушения)  
при разных способах нагружения 

 
Поры, являясь неизбежным дефектом металлургического этапа получения металла, чаще всего свидетельствуют о нарушении технологии обработки давлением слитков (в процессе которой поры должны 
закатываться или завариваться). Они проявляются в изломе в виде 
округлых впадин и половинок пузырьков (в случае их малых размеров – в виде серых точек), различимых глазом или в микроскоп, 
имеющих округлые края. На внутренних сферических поверхностях 
пор могут быть видны островки – куски ржавчины рыжеватого цвета, 
цветные окисные пленки. Неметаллические включения в изломе наблюдают как при исследовании поверхности разрушения невоору

женным глазом, так и (чаще) с помощью микроскопа. Они выглядят 
как цветные блестки (голубоватого, красноватого, желтоватого, синего и других цветов) и свидетельствуют о низкой чистоте металла 
по неметаллическим включениям (это брак металлургического этапа 
получения металла). Все описанные выше дефекты распознаются при 
наблюдении изломов невооруженным глазом либо с использованием 
микроскопов с увеличением до 1000 крат. 
Свою специфику имеют наблюдения изломов при исследовании 
их в просвечивающих электронных микроскопах. Хрупкий излом 
сколом по телу зерна (называемый также хрупким внутризеренным 
или хрупким транскристаллитным разрушением) представляет собой 
тонкие сливающие линии (отсюда название этого вида рельефа: 
ручьевидный, древовидный или речной узор). Линии – следы развития единственной (для данного поля зрения) трещины в направлении 
от «истоков отдельных ручейков к слиянию их в крупную единую 
реку». Вязкий излом по телу зерна (называемый также вязким внутризеренным разрушением) представляет собой множество соседствующих друг с другом без промежутков полуовальных линий (являющихся отпечатками отдельных ямок; отсюда и название этого 
вида рельефа – ямочный, или чашечный излом). Направление вытянутости ямок соответствует направлению распространения разрушения в данном месте. На дне ямок часто наблюдаются частицы второй 
фазы в виде темных пятен или их отпечатки, являющиеся «затравками», на которых начали расти эти ямки. Изломы, в которых перечисленные выше элементы выявляются нечетко, хаотично перемежаются или совсем не выявляются, называются квазисколом и автоматически относятся к смешанному типу разрушения, что является очень 
удобной для эксперта особенностью классификации изломов на микроуровне. Самый хрупкий вид разрушения – зернограничное хрупкое 
разрушение (называемое также хрупким интеркристаллитным или 
хрупким межзеренным разрушением). При наблюдениях на репликах 
в просвечивающих электронных микроскопах этот тип разрушения 
отличается от изломов смешанного типа неотчетливо. Картины, наблюдаемые в изломах при просмотре их в сканирующих электронных микроскопах, имеют аналогичный вид и те же названия. Особенностями, связанными с использованием сканирующих микроскопов, являются меньшие сложности в приготовлении объектов, меньшие увеличения и большая объемность изображения на экране. Атлас характерных картин и узоров, наблюдаемых в изломах при исследовании их в электронных микроскопах, приведен в приложении. 

Всякий вывод по каждому пункту исследования, сделанный на 
основе качественного анализа, будет субъективным, поэтому каждый 
исследователь должен быть готов к аргументированной защите своего решения со ссылками на общепринятые методики, признаки и 
классификации.  
Наиболее сложный и противоречивый этап – формулировка общего заключения по всему излому с учетом результатов анализа по 
всем признакам. Формулируя экспертное заключение по анализу изломов, следует различать особенности употребления терминов 
«хрупкое разрушение» и «хрупкий излом». Почти всегда разрушение 
различных изделий во время эксплуатации по механизму быстрого 
(катастрофического) развития трещины вызвано приложенными напряжениями по величине меньшими, чем заложенные в конструкцию 
и рассчитанные с учетом соответствующих правил проектирования и 
коэффициентов безопасности. Это обстоятельство и привело к общему описанию таких разрушений как «хрупких». При этом механизм распространения трещин и вид собственно излома может быть 
диаметрально противоположным: от скола или межзеренного разрушения с незначительной деформацией до полностью пластического 
сдвига (в тонких полосах). В этом случае следует помнить инженерное определение «хрупкого» разрушения: «вид разрушения, при котором нестабильный рост трещины происходит при напряжениях, 
меньших предела текучести». 
Трещина, по которой произошло окончательное полное разрушение, 
называется магистральной. Следы слияния других (единичных) трещин 
с магистральной видны на поверхности излома в виде рубцов, ступенек, неровностей различной формы. Очертания и профиль этих неровностей характеризует данный процесс разрушения – по ним можно судить о направлении, а иногда и о скорости распространения трещин. 
Строение излома во многом зависит от локальности предшествующей разрушению упругой и пластической деформации. Понятия «вязкий», «хрупкий» изломы характеризуют степень микропластической 
деформации в тонкой зоне около магистральной трещины и могут не 
совпадать с информацией об общей деформации за весь период испытания. Наиболее удобно анализировать хрупкие изломы, так как пластическая деформация усложняет их строение. В большинстве случаев 
хрупкий излом сопровождается малой общей деформацией образца, 
низкой ударной вязкостью, малыми сосредоточенными сужением и удлинением. Одно из наиболее наглядных проявлений хрупкости – отсутствие или небольшие размеры скосов на кромках излома.