Диагностика разрушения

О. А. Клецова, Е. Ю. Приймак, Н. В. Фирсова

ДИАГНОСТИКА РАЗРУШЕНИЯ

Учебное пособие

2-е издание, стереотипное

Москва

Издательство «ФЛИНТА»

2019

УДК 620.19
ББК 30.121

К48

Научный редактор

Грызунов В. И., доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой машинострое
ния, материаловедения и автомобильного транспорта 

Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ

Рецензенты:

Сердюк А. И., доктор технических наук, профессор, директор Аэрокосмического институ
та ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»;

Лысов В. И., кандидат технических наук, помощник заместителя главного инженера по 

научной работе АО «Механический завод»

К48

Клецова О. А. 
Диагностика разрушения : учебное пособие / О.А. Клецова, 
Е.Ю. Приймак, Н.В. Фирсова. — 2-е изд., стер. — Москва : ФЛИНТА, 
2019. — 188 с. — ISBN 978-5-9765-4204-4. — Текст : электронный. 

В 
учебном 
пособии 
рассмотрены 
вопросы, 
основные 
методологические приемы при решении задач диагностики разрушения 
материалов и конструкций, а также предложен ряд лабораторных работ. 
Все вопросы и задачи снабжены подробными ответами и решениями. 
Приведены вопросы для самоконтроля, экзаменационные вопросы и 
задачи, задания на курсовую работу. 
Предназначено для студентов, аспирантов и специалистов по 
материаловедению и технологии материалов и покрытий в области 
диагностики разрушения металлических материалов и конструкций. 

УДК 620.19
ББК 30.121

ISBN 978-5-9765-4204-4     
© Клецова О.А, Приймак Е.Ю., 
Фирсова Н.В.., 209 
© Издательство «ФЛИНТА», 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение …………………………………………………………….. 5

1 Общие сведения о фрактодиагностике разрушения 
металлических материалов ………………………………………
6

1.1 Макрои микростроение изломов металлических 

материалов …………………………………………………………..
6

1.2 Классификация видов разрушения ……………………….
20

1.3 Разрушение металлических материалов при однократных 

видах нагружения …………………………………………………...
34

1.3.1 Вязкое разрушение ……………………………………………
34

1.3.2 Квазихрупкое разрушение ……………………………………
42

1.3.3 Хрупкое разрушение ………………………………………….
43

1.3.4 Вязкохрупкое разрушение ……………………………………
49

1.3.5 Смешанное разрушение ……………………………………….
52

1.4 Разрушение металлических материалов при циклическом 

нагружении …………………………………………………………..
53

1.4.1 Механизм усталостного разрушения ………………………..
53

1.4.2 Циклы нагружения …………………………………………….
54

1.4.3 Особенности усталостного разрушения ……………………..
57

1.4.4 Усталостная прочность металлических материалов …………
64

1.4.4.1 Виды кривых усталости …………………………………..
64

1.4.4.2 Полная кривая усталости металлических материалов …… 67

1.4.5 Факторы, влияющие на усталостную прочность материалов ...
70

1.4.5.1 Концентрация напряжений ……………………………….
70

1.4.5.2 Масштабный эффект ………………………………………
73

1.4.5.3 Качество обработки поверхности …………
74

1.4.5.4 Методы технологического упрочнения поверхности 

детали …………………………………………………………………………..
75

1.4.5.5 Комплексный учет влияния основных конструкторско
технологических факторов на усталостную прочность деталей …………..
76

1.4.5.6 Учет асимметрии циклов напряжений …………………..
77

1.5 Разрушение металлов в условиях ползучести ……………. 81

1.5.1 Кривая ползучести ……………………………………………..
83

1.5.2 Длительная прочность …………………………………………
85

1.5.3 Релаксация напряжений ……………………………………….
87

1.6 Элементы механики разрушения ………………………….
89

1.6.1 Элементы механики разрушения при однократных видах 

нагружения ……………………………………………………………………
89

1.6.1.1 Некоторые понятия механики разрушения 

при однократных видах нагружения …………………………………………. 89

1.6.1.2 Пластические зоны и локальное напряженное состояние 

материала у вершины трещины ………………………………………………
92

1.6.2 Элементы механики разрушения при циклическом 

нагружении …………………………………………………………………….
98

1.6.2.1 Коэффициенты интенсивности напряжений 

при циклическом нагружении ………………………………………………..
98

1.6.2.2 Кинетическая диаграмма усталостного разрушения …….
99

1.6.2.3 Пластические зоны у вершины усталосной трещины …
103

2 Лабораторный практикум ……………………………………...
109

2.1 Анализ изломов …………………………………………….. 109
2.2 Определение температурного интервала перехода стали 

от вязкого разрушения к хрупкому ………………………………...
115

2.3 Определение глубины пластической зоны с поверхности 

хрупкого разрушения ……………………………………………….
119

2.4 Определение статической трещиностойкости стали 9ХС
123

2.5 Определение предела трещиностойкости ………………...
126

2.6 Изучение макро- и микрофрактографических 

особенностей усталостного разрушения …………………………..
129

3 Задачи по диагностике разрушения с решениями …………..
133

3.1 Асимптотическое решение в окрестности у вершины 

трещины ……………………………………………………………...
133

3.2 Учет пластической зоны у вершины трещины …………..
137

3.3 Рост трещины при циклическом нагружении ……………
142

3.4 Экспериментальное определение характеристик 

трещиностойкости …………………………………………………..
155

4 Диагностические материалы …………………………………... 172

4.1 Контрольные вопросы к собеседованию …………………. 172
4.2 Задание на курсовую работу по дисциплине 

«Диагностика разрушения» ………………………………………...
173

4.3 Вопросы к экзамену ………………………………………... 181
4.4 Экзаменационные задачи ………………………………….. 182

Библиографический список ……………………………………… 187

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Диагностика причин разрушения металлических 

материалов и конструкций» входит в учебный план многих университетов и вузов страны; соответственно, появляются учебные пособия, 
скромный тираж которых призван обеспечить только собственные 
внутривузовские потребности. При этом, как правило, основное внимание обращено к теоретическому материалу (то есть лекциям). Однако предполагается, что слушатели должны уметь применять полученные теоретические знания для решения конкретных задач, но задачников по диагностике разрушения насчитывается очень малое количество. Поэтому данное пособие призвано восполнить этот существенный недостаток, а также может служить дополнением к лекционным курсам по диагностике разрушения, сопротивлению материалов, механики разрушения.

Задача данного пособия – ознакомить студентов:
– с основными видами изломов и механизмами разрушения ме
таллических материалов;

– с основами физики и механики разрушения;
– с основными представлениями о современных методах иссле
дования свойств и структуры материала, а также строения изломов;

– с методологией диагностики разрушения;
– с конкретными методами диагностики разрушения, их воз
можной комбинацией применительно к решению практических задач.

Пособие представляет собой полный практикум по диагностике 

разрушения металлических материалов и конструкций, который необходим для закрепления знаний, полученных после прослушивания 
курса лекций по данной дисциплине, и выработки навыков в решении 
поставленных задач. Практикум включает в себя богато иллюстрированный теоретический материал (представлен полный атлас макро- и 
микрофрактографических особенностей строения различных видов 
изломов), цикл вопросов, методики проведения лабораторных работ и 
набор задач по определенным темам. Все вопросы и задачи снабжены 
подробными ответами и решениями.

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФРАКТОДИАГНОСТИКЕ РАЗРУШЕНИЯ 

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Макро- и микростроение изломов металлических материалов

Излом – это поверхность, образовавшаяся в результате разру
шения образца, детали или конструкции.

Фрактография – область знания о строении излома.
Различают макрофрактографию и микрофрактографию.
Макроскопическая фрактография – изучение поверхностей 

изломов невооруженным глазом или с применением макроувеличения до 20-60 раз. 

Микроскопический фрактографический анализ осуществляет
ся с применением световых, просвечивающих (ПЭМ) и растровых 
(РЭМ) электронных микроскопов. Световая фрактография излома 
предусматривает использование световых микроскопов с увеличением от 200 до 1000. При использовании ПЭМ изображения поверхности изломов получают с помощью реплик. РЭМ позволяют непосредственно изучать поверхности разрушения без снятия реплик.

Многообразие изломов металлических материалов предполагает 

разные принципы их классификации.

По природе силовых воздействий изломы делят на три груп
пы:

1. Изломы, полученные при однократных видах нагружения, в 

том числе:

– изломы однократного статического нагружения (на растяже
ние, сжатие, кручение и т. д.);

– изломы однократного динамического нагружения (ударные, 

высокоскоростные, импульсные и т. д.);

– изломы однократного длительного нагружения (от замедлен
ного разрушения, ползучести, коррозии под напряжением и т. д.).

2. Изломы, полученные при многократных (циклических) видах 

нагружения (ударно-статические, мало- и многоцикловые, коррозионно-усталостные, термоусталостные и т. д.).

По ориентации излома относительно оси нагружения:
– прямой;
– косой;
– прямой со скосами.
По макрогеометрии поверхности излома: 
– однородный (без различных зон и участков на поверхности из
лома);

– неоднородный;
– звездочкой;
– шевронный;
– сложной формы (например, розеточный излом).
По шероховатости, блеску и цвету:
– кристаллический;
– волокнистый;
– волокнисто-полосчатый;
– волокнисто-чешуйчатый;
– камневидный;
– фарфоровидный;
– бархатистый;
– нафталинистый;
– матовый;
– блестящий;
– серый, черный, синий и т. д.;
– прочие (древовидный, слоистый и т. д.).
Макростроение изломов
Исследование поверхности разрушения обычно начинают с ви
зуального осмотра. Наблюдаемый при этом рельеф изломов называют 
макрорельефом, а его строение – макростроением.

Рассмотрим подробнее некоторые из вышеперечисленных видов 

изломов.

Прямой излом (рис. 1.1)
Поверхность разрушения прямого излома ориентирована нор
мально к оси образца или детали. Такой излом является характерным, 
например, для хрупкого разрушения.

а)
б)

Рис. 1.1. Прямой (а) и прямой с доломом (б) однородные изломы 

ударного образца из закаленной стали У10А

Косой излом (рис. 1.2, а)
Поверхность разрушения косого излома наклонена под углом к 

оси образца или детали, что характерно для вязкого разрушения или 
разрушения в условиях действия сдвигающих нагрузок.

Излом «чашка – конус» (рис. 1,2 б)
Поверхность прямого со скосами (чашечного) излома характе
ризуется наличием центрального участка с шероховатой матовой поверхностью, перпендикулярного направлению растяжения, и наклонным под углом 30о-60о скосов со сглаженной и блестящей поверхностью.

а)
б)

Рис. 1.2. Изломы: а) косой; б) «чашка – конус»

«чашка»

«конус»

Однородный и неоднородный изломы (рис. 1.3, 1.4)
Однородный излом характеризуется морфологически единой 

поверхностью разрушения без различимых зон и участков на его поверхности.

Рис. 1.3. Макростроение однородных изломов

Неоднородный излом имеет различимые зоны и участки, отли
чающиеся по макрорельефу, цвету, иногда по макроориентации, которые могут соответствовать различным стадиям разрушения образца 
или детали. 

Граница между зонами может быть выявлена по изменению цве
та, блеска или шероховатости излома в различных зонах. Иногда граница не имеет четких очертаний.

Рис. 1.4. Макростроение неоднородных изломов

Излом звездочкой (рис. 1.5)
Поверхность разрушения такого излома представляет собой 

площадку в виде радиальных лучей (образуется у материалов с пониженными пластическими свойствами).

Такие лучи могут быть тонкими или грубыми.
Грубые радиальные лучи являются элементами сдвига, вдоль 

гребней таких лучей наблюдаются продольные расщепления, которые 

являются следствием высоких нормальных растягивающих напряжений.

Тонкие радиальные лучи свидетельствуют о развитии разруше
ния путем квазискола или межзеренного растрескивания.

Рис. 1.5. Излом звездочкой

Шевронный излом (рис. 1.6)
Поверхность разрушения шевронного излома характеризуется 

наличием системы ступенек, имеющих гиперболическую конфигурацию и в совокупности образующих рисунок «елочки» или шеврона.

Рис. 1.6. Шевронный узор хрупкого излома стали 17Г1С 

(стрелкой показано направление распространения трещины)

Кристаллический излом (рис. 1.7)
Представляет собой однородную поверхность разрушения с бле
стящим кристаллическим строением без признаков макропластической деформации. 

Рис. 1.7. Кристаллический излом

Волокнистый излом (рис. 1.8)
Волокнистый излом представляет собой однородную поверх
ность вязкого внутризеренного разрушения с явно выраженными 
признаками пластической деформации по всей поверхности разрушения. Поверхность разрушения матовая, темно-серого цвета. На боковых сторонах излома (рис. 1.8, а) имеется утяжка. Разновидностями 
волокнистого излома являются волокнисто-полосчатый и волокнисто-чешуйчатый изломы.

Волокнисто-полосчатый излом (рис. 1.8, б)
Его поверхность разрушения характеризуется наличием слои
стости. На поверхности излома наблюдаются длинные выступы и 
впадины, расположенные рядами, параллельными направлению деформации. Возникает у деформированных металлов с анизотропией 
свойств.

Волокнисто-чешуйчатый излом (рис. 1.8, в)
Его поверхность разрушения характеризуется наличием гладких 

участков в виде чешуек, имеющих вытянутую вдоль направления деформации форму. Характерен при разрушении деформированного 
металла в сторону направления деформации.

а)
б)
в)

Рис. 1.8. Волокнистый излом (а), волокнисто-полосчатый излом (б), 

волокнисто-чешуйчатый излом (в)

Камневидный излом (рис. 1.9)
Представляет собой однородную поверхность разрушения, ха
рактеризующуюся грубозернистым бугорчатым строением, без металлического блеска. Образуется вследствие пережога. Разрушение 
происходит по межзеренному механизму.

Рис. 1.9. Камневидный излом

Фарфоровидный излом (рис. 1.10, а)
Характеризуется мелкокристаллическим строением, различае
мым визуально. Имеет сглаженную поверхность светло-серого цвета, 
похожую на поверхность разрушения фарфора. Образуется при разрушении стали с пониженной пластичностью и высоким уровнем 
прочности.

а)
б)
в)

Рис. 1.10. Макростроение излома: а) фарфоровидного; 

б) бархатистого; в) нафталинистого

Бархатистый излом (рис. 1.10, б)
Внешне напоминает фарфоровидный излом, имеет мелкозерни
стое строение и гладкую поверхность серого цвета, с тусклым металлическим отливом, напоминающим бархат.