/
Автор: Энгель Л. Клингеле Г.
Теги: испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика справочник металлы электронная микроскопия
Год: 1986
Текст
Л.ЭНГЕЛЬ
Г. КЛИНГ ЕЛЕ
РАСТРОВАЯ
ЭЛЕКТРОННАЯ
МИКРОСКОПИЯ.
Разрушение
иим
Яб
Л. Энгель, Г. Клингеле
Растровая
электронная
микроскопия.
Разрушение
ямииш
Перевод с немецкого
докт. техн, наук Б. Е. Левина
Под редакцией
докт. техн, наук М. Л. Бернштейна
Москва Металлургия 1986
УДК 620.184.6
Рецензент чл.-кор. АН СССР А. С. Займовский.
УДК 620.184.6
Растровая электронная микроскопия. Разрушение: Справ.
изд./Энгель Л., Клингеле Г. Пер. с нем. — М.:
Металлургия, 1986. 232 с.
. Изложены методики растровой электронной микро-
скопии, рентгеновского микроанализа (при использова-
нии различных источников излучения), Оже-электронной
спектроскопии. Рассмотрены причины, вызывающие ти-
пичные повреждения (дефекты) металлов. Показано
внешнее проявление дефектов и описаны различные виды
хрупкого и вязкого разрушения в конкретных металли-
ческих сплавах. Приведена классификация вязких и
хрупких изломов и данные об усталостном разрушении.
Книга содержит богатый иллюстративный материал.
Для инженерно-технических работников и специалис-
тов металлургической, машиностроительной, авиацион-
ной, судостроительной, автомобильной и других отрас-
лей промышленности. Ил. 423. Табл. 2. Библиогр. список:
45 назв.
2605000000—231
9 040(01)—86 6,—86
© Karl Hanser Verlag,
Munchen — Wien, 1982.
© Перевод на русский язык.
Издательство «Металлургия», 1986.
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию . 6
Предисловие к первому изданию . 6
Предисловие ко второму изданию 6
1, Строение металлов..................... 7
1.1. Кристаллическая структура . . 7
1.2. Фазы и выделения...................... 7
1.3. Пластическая деформация .... 8
2. Методы исследования................... 8
2.1. Растровая электронная микроскопия . 8
2.2. Рентгеновский микроанализ при воз-
буждении электронным лучом ... 13
2.2.1. Рентгеновский энергодисперсионный
микроанализ.......................... 13
2.2.2. Рентгеновский дифракционно-диспер-
сионный микроанализ............................. 15
2.2.3. Методы исследования состава с по-
мощью микрорентгеновского анализа 16
2.3. Спектроскопия с помощью электронов
с низкой энергией (Оже-спектро-
скопия) ............................. 18
3. Образование дефектов и формы их
проявления в объектах................ 19
3.1. Дефекты металлургического проис-
хождения ....................................... 19
3.2. Изломы................... ... 19 ’
3.2.1. Механические изломы ................. 19
3.2.1.1. Вязкий излом, образовавшийся под
действием статической нагрузки . . 19
3.2.1.1.1. Вязкий излом, образовавшийся под.
действием статической нагрузки при
комнатной температуре................ 19
3.2.1.1.2. Вязкий излом, возникший под дейст-
вием статической нагрузки при повы-
шенной температуре................... 31
3.2.1.2. Хрупкое разрушение под действием
статической нагрузки................. 40
3.2.1.2.1. Транскристаллитный хрупкий излом 53
3.2.1.2.2. Межкристаллитный хрупкий излом . 53
3.2.1.3. Усталостный излом.............. 53
3.2.1.3.1. Зарождение усталостного излома . 53
3.2.1.3.2. Распространение трещины при уста-
лостном изломе.................................. 57
3.2.2. Изломы, образующиеся при совмест-
ном воздействии механической на-
грузки и химически активной среды 79
3.2.2.1. Коррозионное растрескивание ... 79
3.2.2.2. Усталостное коррозионное растрески-
вание (коррозионная усталость) . . 95
3.2.2.3. Разрушение под влиянием водорода 95
3.2.3. Разрушение под действием термичес-
ких напряжений................................... 102
3.3. Дефекты поверхности ..... 111
3.3.1. Механические дефекты поверхности . 111
3.3.1.1. Механические дефекты поверхности,
обусловленные процессом изготовле-
ния полуфабрикатов................... 111
3.3.1.2. Дефекты поверхности, обусловленные
воздействием инородных тел . . . 119
3.3.1.3. Износ...................... . . : 124
3.3.1.3.1. Износ при скольжении................ 124
3.3.1.3.2. Износ при качении .................. 138
3.3.1.3.3. Ударный износ....................... 148
3.3.1.3.4. Усталостный контактный износ (фрет-
тинг-коррозия)........................148
3.3.1.3.5. Эрозионный износ.................... 154
3.3.1.3.6. Износ, обусловленный ударами ка-
пель жидкости.................................... 161
3.3.1.3.7. Кавитационный износ................. 161
3.3.2. Химическое воздействие.............. 173
3.3.2.1. Воздействие твердых тел............. 173
3.3.2.2. Воздействие водных растворов . . 173
З.З.2.2.1. Электрохимическая коррозия в вод-
ных растворах.................................... 173
З.З.2.2.1.1. Электрохимическая коррозия в спо-
койных водных растворах .... 173
3.3.2.2.1.2. Эрозионно-коррозионные повреждения 178
3.3.2.2.2. Коррозия в водных растворах, конт-
ролируемая диффузией в твердой
фазе ................................ 178
3.3.2.3. Воздействие расплавов............... 178
3.3.2.4. Газовая коррозия ................... 199
3.3.3. Оплавление ..........................202
3.4. Исследование металлографических
шлифов с помощью РЭМ . . . 210
Приложения........................221
Библиографический список ... 224
Предметный указатель..............225
: .ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ
ИЗДАНИЮ
Анализ строения изломов металлических материалов
относится к древнейшим методам их изучения. Он поя-
вился сразу же, как только началось их практическое
использование. Будучи достаточно информативным,
этот метод непрерывно совершенствовался (правда, не
так интенсивно, как собственно металловедение), и
путь его развития прослеживается от визуального наб-
людения изломов до сканирующей растровой микроско-
пии и количественной оценки строения поверхности раз-
рушения (например с помощью лазерной дифрактомет-
рии).
Начальный этап исследования изломов металлов был
связан с печальными обстоятельствами: изучением и
определением причин аварийных разрушений. Такие
обстоятельства не исключены, к сожалению, и в наши
дни, и фрактография несет свою полезную службу, по-
могая диагностировать (в сочетании с другими метода-
ми) причины преждевременных поломок.
По мере развития металловедения — при совершенст-
вовании науки о механических свойствах и с появлени-
ем механики разрушения — фрактографию начали ис-
пользовать и как научный метод оценки энергоемкости
процесса разрушения, причем метод, стоящий в одном
ряду с количественными методами определения трещино-
стойкости, параметров вязкости разрушения.
Важное место, которое в настоящее время заняла
фрактография в науке о металлах,, вызвало к жизни
необходимость направить ее развитие по двум руслам,
одно из которых может быть названо методическим, а
второе классификационным. Первое предусматривает
регламентирование тщательной подготовки изломов к
изучению; отбор таких объектов, которые были бы
адекватны конкретной ситуации разрушения; обоснован-
ный выбор таких методов изучения изломов, которые в
наибольшей мере отвечают решению поставленной зада-
чи и т. п. Второе означает создание атласа (коллекции)
наиболее характерных видов изломов, образующихся е
результате статического, динамического, усталостногс
разрушения, при нормальной и повышенной температу-
рах, в обычной и агрессивной средах, в зонах концент-
раторов напряжений и теплового влияния сварки и т. п
Предлагаемый читателю русский перевод книге
Л. Энгеля и Г. Клингеле «Растровая электронная микро-
скопия. Разрушение» относится ко второму направлению
Специалисты — металловеды и механики — найдут г
книге характерные типы разрушений, образовавшихся i
самых разнообразных условиях эксплуатации. Доброка
чественный иллюстративный материал снабжен подроб
ным описанием как самого разрушения, так и его уело
вий, приведших к получению конкретного излома. Не
сомненно, этот материал имеет важную практическук
ценность и будет подспорьем в работе для тех, кто за
нимается производством, изучением и потреблением ме
таллов и сплавов и от кого зависит повышение качеств!
выпускаемой нашей промышленностью металлопродук
ции. Это является сейчас главным в развитии отечест
венной металлургии и машиностроения.
М. Л. БЕРНШТЕИ1
" ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Уже в течение некоторого времени для получения ра-
нее недоступной информации о характере разрушения
металлов и строении поверхности излома используется
растровый электронный микроскоп (РЭМ).
Благодаря этому область науки, занимающаяся иссле-
дованием дефектов, получила значительное развитие. Ве-
личины разрешения, достигаемые с помощью РЭМ, при
исследовании поверхности разрушения позволяют полу-
чать более ясное представление о механике процессов
разрушения. В сочетании с данными исследования хими-
ческого состава, в том числе и локального, могут быть
сделаны дальнейшие выводы о причинах разрушения.
В настоящее время известен ряд публикаций по отдель-
ным проблемам разрушения, решенным с помощью раст-
ровой электронной микроскопии. Однако инженеру-
производственнику, интересующемуся причинами возник-
новения конкретных дефектов и имеющему соответствую-
щие данному случаю фотографии, полученные с исполь-
зованием РЭМ, необходим атлас, который облегчит ему
ориентироваться в данной производственной ситуации.
Настоящая книга предназначена в первую очередь дл
такого круга специалистов.
Виды различных дефектов представлены наглядно
пояснены на хорошем научном уровне.
Книга является совместным трудом Института п
растровой электронной микроскопии и Герлинг-институт
по исследованию и устранению дефектов, Кельн. Автор:
Г. Клингеле и Л. Энгель проводили систематическу]
оценку многих видов образующихся дефектов, дополш
тельно привлекая материалы смежных исследовани
проводимых в упомянутых институтах.
Авторы и Институт Герлинга как издатель благодаря
своих сотрудников — г-жу Е. Кальшейер и г-на Б. Бол)
кен — за помощь. Они благодарят также предприяти:
представившие образцы материалов, что позволило п<
полнить коллекцию фотографий, а также сотруднике
этих предприятий, которые внесли свой вклад в объя<
нение многих вопросов, касающихся характера разли1
ных видов разрушения
Кельн, июль 1974 X. ШАПЕ
.ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Второе издание в основном содержит без изменения ма-
териалы, помещенные в первом издании. Исключение
составляют дополнительные сведения о влиянии на раз-
рушение химических и механических факторов износа.
Переработаны и в значительной степени расширены на
основе новейших научных данных главы, посвященш
разрушениям под влиянием совместного воздейств!
механической нагрузки и химически активной среды,
также главы по дефектам поверхностей.
Кельн, май 1982 X. ШАГИ
6
1
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
1.1. Кристаллическая структура
Большинство технических металлических материалов
являются поликристаллическими, т. е. состоят из мно-
гих отдельных кристаллов, примыкающих друг к другу
без зазоров.
Кристаллы в поликристаллах, в отличие от свободно
выращенных, не имеют правильной геометрической фор-
мы и называются 1Кристаллитами, или зернами. Их на-
блюдают на специально приготовленном и протравленном
шлифе с помощью оптического микроскопа. Диаметры
зерен могут иметь размеры от нескольких микрометров
до нескольких миллиметров; границы между ними назы-
вают границами зерен. Внутри каждого зерна атомы
располагаются в правильном геометрическом порядке,
который можно иллюстрировать на моделях пространст-
венных решеток (элементарных ячеек). На схеме рис. 1
размеры решетки по сравнению с размерами зерна слиш-
ком велики; в действительности период решетки состав-
ляет около 0,00001 диаметра зерна.
В зернах всегда имеются дефекты кристаллического
строения, основными из которых являются дислокации.
Различают краевые и винтовые дислокации. Металлы
могут растворять примесные (инородные), атомы, кото-
рые как бы «встраиваются» в решетку металла. Когда
примесный атом занимает место атома основного метал-
ла в узле решетки, образуется твердый раствор замеще-
ния. Когда примесный атом встраивается между основ-
ными атомами решетки, происходит образование твер-
дого раствора внедрения (атом в междоузлиях). В обоих
случаях образуются локальные искажения в строении
решетки. Незанятые места в кристаллической решетке
(в ее узлах) носят название вакансий.
1.2. Фазы и выделения
Под фазой понимают кристаллиты с одинаковым химиче-
ским составом и кристаллической структурой. Чистые
металлы всегда являются однофазными. Сплавы также
могут быть однофазными, но в большинстве случаев
они состоят из нескольких фаз. Различные фазы обра-
зуются в процессе охлаждения из расплава или в ре-
зультате последующей термической обработки вследст-
вие изменения растворимости элементов с изменением
температуры. Если решетка металла содержит больше
примесных атомов, чем может раствориться при данной
температуре, то из такого пересыщенного твердого раст-
вора выделяются разной степени дисперсности частицы,
называемые фазами выделений. Когерентные выделе-
ния характеризуются сопряжением их решетки с решет-
кой основного металла — матрицы. Некогерентные вы-
деления образуют с матрицей межфазные границы.
Преимущественным местом образования фаз выделе-
ний являются границы зерен. Выделения по границам
зерен могут либо образовывать сплошные оболочки вок-
руг зерен, либо располагаться в этих местах прерывисто.
Тугоплавкие фазы, которые в виде твердых частиц нахо-
Рис. 1. Схематическое изображение структуры поликристаллического металлического
сплава на примере стальной заклепки:
а — металлографический шлиф заклепки; на площади в 1 мм2 находятся несколько
сотен зерен; б— структура металла (/, 2— примесные (чужеродные) атомы заме-
щения и внедрения соответственно; 3 — краевая дислокация; 4 — некогерентные вы-
деления; 5 — когерентные выделения; 6 — тугоплавкие примесные включения; 7 —
линии скольжения; 8 — выделения по границам зерна; 9 — элементарная ячейка
а-железа; 10 — винтовая дислокация; 11— пленочные выделения по границам зерен;
12 — вакансия; —диаметр зерна, например, 50 мкм «50 000 нм «500 000 А
дятся в металлическом расплаве, в образующейся при
затвердевании зернистой структуре распределены беспо-
рядочно.
1.3. Пластическая деформация
Металлические материалы способны подвергаться плас-
тической деформации т. е. могут при воздействии внеш-
них сил изменять свою форму. При этом в зернах про-
исходит взаимный сдвиг отдельных их объемов или
слоев вдоль определенных направлений, плоскостей крис-
таллической решетки (рис. 2, а). Однако атомы в смещае-
мых атомных рядах сдвигаются не одновременно, а пос-
ледовательно. Этот процесс и определяет возникновение
и прохождение краевых и винтовых дислокаций через
решетку.
С помощью оптического микроскопа и РЭМ результа-
ты скольжения можно наблюдать в виде линий скольже-
ния и ступенек на полированной поверхности образца.
Эти линии и ступеньки ограничивают сдвинутые одна
относительно другой области внутри зерен. В каждом
данном кристаллите развитие скольжения находится в
зависимости от характера скольжения в соседнем. Раз-
Рис. 2. Пластическая деформация скольжением (а) и двойни-
кованием (б) [.!]:
/ — ступеньки скольжения; 2 — плоскости скольжения; 3 — двой-
никовая прослойка
личие в ориентации отдельных зерен проявляется в из-
менении направления линий скольжения в соседних
кристаллитах.
Другая возможность пластической деформации (кро-
ме скольжения) за счет образования двойников показа-
на на рис. 2, б. При двойниковании кристаллит делится
плоскостью двойникования на две части, причем кристал-
лическая решетка одной его части становится зеркальным
отображением решетки другой части.
= МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Растровая
электронная микроскопия
Принцип
после дальнейшего усиления можно регулировать
яркость экрана электроннолучевой трубки (рис. 3). По-
лученное таким образом изображение поверхности яв-
ляется как бы объемным и может быть объяснено так,
Электронный луч в виде тонкого пучка электронов
(зонд, диаметр луча < 10 нм) обегает (сканирует) обра-
зец по строчкам точку за точкой и синхронно передает
сигнал на кинескоп. При попадании электронного луча в
какую-либо точку-образца происходит выбивание из его
материала вторичных электронов и отраженных элект-
ронов. Яркость изображения точки на экране кинескопа
зависит от количества «выхода» электронов. Высокий
выход электронов из образца дает светлую точку изо-
бражения на экране, малый «выход» соответствует тем-
ной точке. В интервале между этими значениями «вы-
ходов» электронов наблюдаются серые точки разных
оттенков.
Электронный зонд представляет собой тонкий пучок
электронов приблизительно цилиндрической формы, при
воздействии его на образец возбуждаются одинаково
малые пятна электронного возбуждения. Это объясняет
хорошую глубину резкости изображения при растровой
электронной микроскопии.
Первичный электронный луч (зонд) образуется в ва-
куумной колонне (электронная пушка) растрового элект-
ронного микроскопа (РЭМ). Электроны вылетают из на-
каливаемого катода и ускоряются электрическим полем
напряжением 1—50 кВ; луч фокусируется тремя элект-
ромагнитными конденсорными линзами и с помощью от-
клоняющих катушек сканируется по образцу.
Излученные образцом электроны вызывают в сцинтил-
ляторе световые вспышки (фотоны). Быстрые упруго
рассеянные (отраженные) электроны с высокой энергией
без дополнительного подвода энергии попадают в сцин-
тиллятор; вторичные электроны с низкой энергией при
движении к сцинтиллятору получают ускорение в ре-
зультате приложения электрического поля. Световые
вспышки покидают вакуумную колонку через световод
и в примыкающем к нему фотоумножителе превращают-
ся в электрические импульсы. Посредством последних
14
2
5
15
16
17
Рис. 3. Схема растрового электрон-
ного микроскопа:
1 — катод; 2 — анод; 3 — электрон-
ный луч; 4 — конденсорная линза I;
5 — конденсорная линза II; 6 —
I последняя (конечная) конденсорная
линза; 7 — отклоняющие катушки;
8 — блок регулировки увеличения;
9 — фотоумножителе 10 — апер-
турная диафрагма; 11 — образец;
12 — сцинтиллятор; 13 — световод;
14 — отклоняющие устройства; 15 —
устройство для наблюдения; 16 —
съемка; 17 — усилитель сигнала;
18 — вакуумная система
8
как будто объект освещается сцинтиллятором, установ-
ленным на боковой стороне объекта, а наблюдение ве-
дется со стороны направления первичного электронного
луча.
Действие первичного электронного луча
Падающие на объект электроны с высокой энергией от-
клоняются и замедляются атомами твердого тела. Эти
процессы происходят внутри зоны проникновения элект-
ронов (рис. 4). При этом из образца могут вылетать
электроны, рентгеновские кванты, фотоны и выделяться
тепло.
Отраженные электроны: электроны с высокой энер-
гией, которые испускаются из сравнительно протяжен-
ной области объекта вокруг первичного электронного
луча; они поступают из большой глубины (рис. 4, а).
Вторичные электроны: электроны с малой энергией
(<50 эВ), которые покидают поверхность в случае, ког-
да их энергия выше, чем работа выхода (2—6 эВ). Вто-
ричные электроны преимущественно образуются только
в тонком слое материала (1—10 нм) внутри пятна, на
которое упал первичный луч.
В большинстве случаев для получения изображения с
помощью РЭМ используются вторичные электроны. Они
позволяют получать лучшее разрешение (<10 нм), чем
в случае отраженных электронов.
Оже-электроны
На фоне непрерывного распределения энергий вторичных
электронов в области энергий от пятидесяти до несколь-
ких сот электронвольт (при строго фиксированных для
каждого элемента значениях энергии) возникают мак-
симумы, которые относят за счет Оже-электронов (Оже-
переходов). Хотя эти максимумы и слабо выражены, их
можно обнаружить с помощью специальных детектор-
ных систем и использовать для анализа самых наружных
поверхностных атомных слоев. Благодаря этому откры-
вается возможность применения Оже-электронной спект.
роскопии (ОЭС) в РЭМ. Исследуемая толщина слоя
составляет 2—3 нм.
Кванты рентгеновского излучения.
Непрерывное тормозное излучение возникает за счет
рассеяния падающих электронов атомными ядрами. Оно
охватывает все значения, вплоть до энергии падающих
первичных электронов. Характеристическое излучение
возникает в случае, когда падающие электроны вызывают
возбуждение мишени за счет перескока электронов на
внутренних оболочках атомов. Этот вид излучения ис-
пользуется для микроанализа. Образование рентгеновс-
кого характеристического излучения концентрируется в
основном в объеме, который для тяжелых элементов
является полусферой, а для легких — грушевидным (см.
рис. 4 и далее рис. 14). Доля тормозного излучения с
малой энергией может образовываться на конце пути
электрона (дальность действия) (рис. 4, а и в). Напро-
тив, для получения характеристического излучения энер-
гия электрона должна быть больше энергии возбужде-
ния характеристического излучения. Это условие выпол-
няется только до критической глубины проникновения.
Фотоны: в некоторых твердых телах при облуче-
нии электронами атомы могут перейти в возбужденное
состояние с выделением света (катодолюминесценция).
Это происходит за счет рассеяния электронов на ядрах
атомов.
контраст электронного изображения
Контраст изображения преимущественно зависит от уг-
ла наклона образца к электронному лучу. При перпен-
дикулярном направлении луча к поверхности образца из-
лучение слабое, что соответствует темным областям на
изображении; если электронный луч едва касается по-
верхности, то появляется сильное излучение и почти все
6
Рис. 4. Взаимодействие электронного луча мощностью 20 кэВ
с медным образцом (Reimer u. Pfefferkorn. Rasterelektronen —
mikroskopie, Berlin — Heidelberg — New-York: Springer — Verlag,
1973):
a — проникновение электронов в медный образец; б — распре-
деление характеристического К-излучения меди; в — схема рас*
положения зон различного типа излучений (/ — центр тяжести
отраженного излучения; 2 — центр тяжести вторичного элек-
тронного излучения в пятне диаметром <10 нм; 3 — центр тя-
жести характеристического рентгеновского излучения; 4 —
область обратного рассеяния (отражения); 5— критическая
дальность действия, возбуждение характеристического взаимо-
действия; 6 — дальность действия электронов; возбуждение
тормозного излучения
9
области изображения кажутся светлыми. Этот эффект
особенно хорошо заметен в случае острых граней, когда
возможно двустороннее излучение.
Расположение электронного детектора также влияет
на образование контраста. При этом наблюдаются эф-
фекты затенения для таких поверхностей объекта, ко-
торые отклонены от сцинтиллятора. Кроме того, на изоб-
ражениях, полученных только за счет отраженных элек-
тронов, возникают «глубокие тени» — случаи, когда из
этих мест отраженные (обратно рассеянные) электроны
не могут достичь детектора.
Выход электронов зависит также от порядкового но-
мера элемента. Тяжелые элементы излучают больше
электронов, чем легкие. Благодаря этому на электрон-
ном изображении получается контраст, зависящий от со-
става различных фаз. Кроме того, контраст возникает
как следствие ориентации плоскостей кристалла по от-
ношению к первичному электронному лучу. Следует так-
же отметить, что на степень контраста может оказывать
влияние изменение напряжения, подаваемого на ускоря-
ющую систему растрового электронного микроскопа.
Разрешение
Разрешение определяется диаметром того участка на
поверхности объекта, от которого излучаются вторичные
электроны. Этот диаметр несколько больше, чем диаметр
падающего луча первичных электронов. Хорошие раст-
ровые электронные микроскопы позволяют получать
разрешения порядка 10 нм. Если для получения изоб-
ражения используются обратно рассеянные (отражен-
ные) электроны, Оже-электроны или кванты рентгенов-
ского излучения, то разрешение примерно на порядок,
хуже (около 100 нм).
Применение растрового электронного микроскопа
при исследовании дефектов
Растровый электронный микроскоп — незаменимый ин-
струмент при оценке изломов и повреждений поверхно-
сти. С его помощью можно, с одной стороны, использо-
вать малые увеличения (менее чем 20-кратные), что по-
зволяет наблюдать большие поверхности, а с другой сто-
роны, получать снимки отдельных деталей повреждений
и изломов при 20000-кратном увеличении.
Образцы для испытаний при этом должны быть отоб-
раны наиболее целесообразно и храниться в оптимальных
условиях, исключающих возможности порчи исследу-
емых поверхностей. Для определения состава различных
фаз в структуре — включений, налетов, покрытий и ино-
родных тел — незаменимым вспомогательным методом
исследования является рентгеновский микроанализ.
Отбор образцов
Поскольку исследуемые поверхности в большинстве слу-
чаев ранее подвергались различным силовым, темпера-
турным, агрессивным и др. воздействиям в производ-
ственных и/ или эксплуатационных условиях, необхо-
димо обратить внимание на сохранность образовавших-
ся на этих ранних стадиях дефектов. Прежде всего ис-
следуемые детали (или их части) следует хранить в су-
хом месте. В деталях, которые хранились на открытом
воздухе, характерные признаки (дефекты), приведшие к
разрушению, как правило, изменяются. Из опасения по-
вреждения этих первоначальных признаков следует из-
бегать травления поверхности разрушения. Очистка об-
разцов такими механическими средствами, как песко-
струйная обработка и обработка щетками или стираль-
ной резинкой (распространенный метод в технике иссле-
дования дефектов), также изменяет их первоначальное
состояние. Поэтому целесообразно передавать исследу-
емые образцы в лабораторию без какой-либо предвари-
тельной обработки. Ограниченные размеры поверхности
образцов для исследования на РЭМ (в зависимости от
типа РЭМ они составляют от одного до нескольких квад-
ратных сантиметров) требуют разделения исследуемой
детали на части.
Поскольку исследование всей поверхности не представ-
ляется возможным, а в ряде случаев и не является не-
обходимым, при изучении поверхности разрушения сле-
дует визуально или с помощью стереомикроскопа опре-
делять преимущественные направления распространения
трещины. При этом следует помнить, что часто многие
расположенные в различных плоскостях локальные тре-
щины при развитии объединяются. При определении
преимущественного направления излома могут быть ис-
пользованы наблюдения за видом исследуемой поверх-
ности: на свежих участках излома всякого рода слои
ржавчины, покрытия металлом и т. п. отсутствуют или
видны слабо. В большинстве случаев заключительную
стадию развития излома можно обнаружить по разви-
тому растрескиванию на поверхности излома или по сре-
занному выступу (образование острой кромки) (см. да-
лее рис. 7).
Если преимущественное направление развития излома
известно, то достаточно отобрать три объекта для ис-
следования: из зоны начала разрушения, из середины
и из области, отвечающей заключительной стадии излома
(долома). При этом часто наиболее важное значение
имеет область долома, поскольку она является наиболее
свежей и потому лучше сохранившейся частью излома.
Образец, вырезанный из зоны, отвечающей начальному
участку излома, должен обязательно включать и часть
неразрушенной поверхности, т. е. зону, примыкающую
к началу распространяющейся трещины.
Необходимо фиксировать положение отобранного для
исследования образца на поврежденной (разрушенной)
поверхности детали. Наиболее просто это осуществля-
ется путем вырезки прямоугольника, длинные стороны
которого расположены параллельно преимущественному
направлению развития излома и который включает по
возможности все отмеченные выше зоны. Перед вырез-
кой образца очень полезно сделать эскиз поврежден-
ного (разрушенного) участка детали или его снимок.
Подготовка образцов
Для получения наиболее объективной информации об
исходном, в том числе структурном, состоянии изучаемых
объектов их, как правило, оставляют неочищенными, т. е.
в том виде, в каком их поставляют для исследования.
Образцы (объекты) подвергают ультразвуковой очи-
стке. В качестве среды, в которой производится ультра-
звуковая очистка, используют водные растворы, приме-
няемые при производстве часов. Для удаления твердых
частиц (пыли) и остатков масел с поверхности разруше-
ния в качестве очистительного средства в ультразвуко-
вой ванне часто находят применение также спирт, ацетон
или эфир. Каждая ультразвуковая обработка, однако,
приводит к удалению с поверхности излома таких об-
ладающих слабой адгезией с металлической матрицей
включений, как, например, сульфиды марганца. Поэтому
следует рекомендовать сохранять неочищенным резерв'
ный образец, который в случае необходимости можно
исследовать непосредственно в исходном состоянии, а
затем его же исследовать повторно после очистки в
ультразвуковой ванне. Налет ржавчины, имеющей вы-
сокую адгезию с металлической матрицей. может быть
удален при очистке в ультразвуковей ванне с использо-
ванием насыщенного раствора лимоннокислого аммония.
Однако в этом случае такая счистка может воздей-
ствовать на подложку (основную металлическую мат-
рицу) и изменить исходное состояние излома, в том чи-
сле и структуру (рис. 5 и 6). Очистительные средства
следует выбирать с учетом стойкости структурного со-
стояния соответствующих изучаемых металлов и сплавов
по отношению к воздействию этих средств
Ш
Рис. 5. Проржавевшая по-
верхность нелегированной
стальной проволоки; виден
облакообразный налет
Рис. 6. Коррозия на поверх-
ности межкристаллитного
излома. Налет был удален
ультразвуковой очисткой,
хвоо
11
Исследование образцов
Поверхность образца размером 10X10 мм при изуче-
нии ее в РЭМ «выросла» бы до размеров футбольного
стадиона. Поэтому полностью такую поверхность, естест-
венно, рассмотреть невозможно. При исследовании по-
добных объектов придерживаются следующих рекомен-
даций.
Образец следует устанавливать в держателе таким
образом, чтобы рассматривать детали разрушения в на-
правлении преимущественного развития излома. Каж-
дый излом при распространении магистральной трещины
сопровождается образованием вторичных трешин, ко-
торые образуют ветвления от основного преимуществен-
ного направления, неравномерно расходящиеся в глу-
бину. Вторичные трещины хорошо видны при визуаль-
ном 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 увеличива-
ется. Это связано с расширением фронта распростране-
ния излома и уменьшением поперечного сечения объекта.
В этой связи опасные признаки разрушения на стадии
долома более явно выражены.
При переходе от получаемых в производственных
условиях изломов к имитирующим их изломам при ла-
бораторных испытаниях в условиях приложения стати-
ческой нагрузки в пластичных металлах и сплавах ча-
сто обнаруживают параллельные следы скольжения (см.
далее рис. 207 и 208), которые связаны с раскрытием
вязкой трещины; их не следует относить к бороздкам
усталостного (излома.
По виду стыка трещин можно составить представле-
ние о том, какая из трещин имеет более раннее про-
исхождение (рис. 7).
Весьма полезно снимать эскиз образца в перспектив-
Рис. 7. Макроскопическое описание различных видов трещин:
а _ ветвление трещин по мере образования излома; исходная трещина А или В; более длин-
ная трещина является более «старой» (/ — более «молодая» трещина; 2 — более «старая» тре-
щина); б — распространение разрушения (/ — острый край в конце излома — долом; 2 — распо-
ложение тонких (волосных) трещин; 3 — побочные (вторичные) трещины; 4 — поле напряжения
у вершины трещин в начальной стадии разрушения; в — «зубчатость» в начальной стадии раз-
рушения — образование своеобразных амбразур (/ — поверхность)
Рис. 8. Лучезюднье тут®
распространеннж ттеааи,*
указывают на мест: зва^л-та
разрушения. '» ж
12
ной проекции. В этом случае, как на карте местности,
указывают характерные особенности (признаки) изло-
ма. Для этого используют символы, приведенные в таб-
лице на стр. 221. Такой метод позволяет быстро полу-
чить общие (обзорные) данные и по ним составить за-
ключение об истории разрушения данного образца.
Следует обращать внимание на часто повторяющиеся
признаки (особенности) на поверхности разрушения и
не заострять его на многочисленных случайных явле-
ниях.
При малых увеличениях и особенно на изображени-
ях, полученных с помощью отраженных электронов,
можно на основании тщательного анализа ветвления
при распространении трещин достаточно точно опреде-
лить (локализовать) начало излома (рис. 8). При изу-
чении разрушенных поверхностей следует в первую оче-
редь рассматривать изображение в отраженных элек-
тронах, поскольку при этом хорошо проявляется топо-
графия излома (канавки, раковины и другие дефекты).
2.2. Рентгеновский микроанализ
при возбуждении электронным лучом
В РЭМ в результате падения электронного луча на по-
верхность образца возникает рентгеновское излучение.
Оно используется для определения содержания присут-
ствующих в образце элементов. Существуют две детек-
торные системы обнаружения и сопоставления харак-
теристического излучения: энергодисперсионная система
и дифракционно-дисперсионная система.
2.2.1. Рентгеновский
энерго дисперсионный микроанализ
Основой энергодисперсионной системы является полупро-
водниковый детектор, в котором каждый поступающий
квант рентгеновского излучения вызывает импульс, про-
порциональный его энергии (рис. 9). Последовательный
ряд усиленных импульсов подается в многоканальный
анализатор, который разделяет сигналы, возникающие
от квантов с разной энергией (рис. 10, 1,1 и далее 17
п 18). Энергодисперсионный. рентгеновский детектор в
растровом электронном микроскопе расположен почти в
плоскости образца обычно справа по отношению к
первичному электронному лучу. При растровом элект-
Рис. 9. Схема Si (Li)-детектора:
1 — кванты рентгеновского излучения
ронно-фрактографическом анализе наклон образца на
45° позволяет получать высококачественные изображе-
ния во вторичных электронах. Этот угол является оп-
тимальным и для исследований, использующих кванты
рентгеновского излучения; микрорентгеноспектральный
анализ может производиться от многих точек с поверх-
ности разрушения образцов. Для того чтобы детектор
не потерял своих аналитических свойств, он постоянно
охлаждается жидким азотом. Детектор устанавливают
в вакууме на расстоянии в несколько миллиметров за
бериллиевым окном (экраном) (толщина от 7 до
25 мкм). Таким способом поверхность детектора предо-
храняется от загрязнений и обледенения. К сожалению,
Рис. 10. Принципиальная схема энергодисперсионного микроанализатора:
1 — электронный луч; 2 — образец; 3 — жидкий азот; 4 — предварительный усилитель; 5 —
усилитель; 6 — многоканальный анализатор; 7 — самопишущий прибор
13
Рис. И. Энергетический
спектр свинца; возбуждаю-
щее напряжение 30 кВ
бериллиевые экраны сильно поглощают слабое рентге-
новское излучение.
Другим недостатком является большая ширина спект-
ральных линий, которая в некоторых случаях не позво-
ляет разделить соседние линии. Оптимальная полуши-
рина для максимума в 5,9 кэВ составляет, например,
140 эВ.
Преимущества энергодисперсионной системы:
— быстрая эксплуатационная готовность. Установка
может быть приведена в действие в любой момент
времени между обычными растровыми съемками изло-
мов с использованием вторичных электронов; переход
к микрорентгеноспектральному анализу осуществляется
в течение нескольких секунд. При этом отсутствует
необходимость в проведении механической юстировки,
а градуировка по энергии всей системы колеблется
значительно меньше, чем пределы разрешения по энер-
гии;
— в течение нескольких минут одновременно могут
быть определены все элементы между натрием и ура-
ном; ни один элемент не будет незамеченным;
—качественный диализ и картины распределения
элементов могут быть получены от больших поверхно-
стей (до 7X5 мм2), а также от искривленных или ше-
Рис. 12. Дифракция рентгеновских лучей от кристаллической
решетки. Уравнение Брэгга 'nX=2tZsin0, где d межплоскост-
ное расстояние; 6 — угол скольжения; 1 — падающий луч; 2
дифрагированный луч
роховатых поверхностей, так как зависимость от гео-
метрии, согласно условию Брэгга (рис. 12), в этом слу-
чае не имеет места;
— на изображении, полученном с помощью вторичных
электронов, могут быть не только обнаружены, но и
идентифицированы мелкие частицы; это относится так-
же к образцам с шероховатой поверхностью (см. далее
рис. 16);
— возможности обнаружения присутствующих в ме-
талле элементов такие же, как и при использовании
дифракционно-дисперсионной системы (системы на осно-
ве дисперсии длин волн); при этом методом качествен-
ного анализа можно определять присутствие элементов,
содержание которых составляет 0,1% (по массе) и
меньше.
Обработка данных, (расшифровка)
энергодисперсионных спектров
Рентгеновский спектр состоит из слегка искривленной
основной линии непрерывного тормозного излучения и
характеристических линий отдельных элементов. На
примере свинца (см. рис. 11) может быть показано,
что для четкой идентификации элементов в неизвест-
ных по составу сплавах необходимы сведения о фак-
тически возникающих линиях в энергоспектрометре.
Наряду с известными основными линиями появляются
более слабые линии, например, L..-линия, -линия или
MihOiv, v-линия. Эти слабые линии могут исказить
данные о малых содержаниях других элементов.
Таблица в Приложении содержит значения энергий
для всех линий, наблюдаемых в энергодисперсионном
спектре. На рис. 18 (см. далее) представлены расчет-
ные спектры элементов от Na до U по Фицджеральду
и Гантцелю.
В спектрах могут появиться линии, которых в дейст-
вительности не существует. Одна из линий, например,
идет от Si-детектора и не зависит от скорости счета
(среднего числа импульсов за определенное время
счета). Она появляется, когда падающий рентгеновский
квант возбуждает собственное излучение «детекторного
кремния и из детектора исходит рентгеновский квант
с энергией 1,74 кэВ. В первоначальном энергетическом
14
Рис. 13. Энергетические спектры S, Мо и РЬ, снятые с
дифракционно-дисперсионной системы на растровом
иом микроскопе
помощью
электрон-
спектре эта дополнительная величина отсутствует, а
затем появляется слабая линия с энергией 1,74 кэВ,
с асположенная ниже истинной линии, — «пик утечки».
Это явление особенно заметно перед весьма интенсивны-
ми линиями.
Другие ложные линии могут появляться вследствие
несовершенства многоканального анализатора. При вы-
2 эких скоростях счета анализатор может складывать
зза быстро следующих один за другим импульса, так
э в результате появляется пик, соответствующий сум-
we энергий. В большинстве случаев этот суммар-
ной пик близок удвоенной энергии главного пика
: :стветствующего элемента.
Г.сгделы обнаружения
Предел обнаружения обусловлен требованием, чтобы
линии четко выделялись на основном фоне. Интенсив-
ность линий должна превосходить интенсивность фона
-з три стандартных отклонения. Малисса и Русс опре-
делили пределы обнаружения на основании опытов со
слабо легированными образцами. Пределы обнаруже-
ния составляют менее 0,1% (по массе) при времени
счета от 100 до 500 с.
2.2.2. Рентгеновский
дифракционно-дисперсионный микроанализ
Дифракционно-дисперсионные системы основаны на
использовании дифракции рентгеновского излучения на
плоскостях кристаллической решетки. Согласно уравне-
нию Брэгга (см. рис. 12), излучение с определенной
длиной волны X способно к дифракции только при стро-
го определенном угле скольжения 0. Таким образом,
с помощью определения этого угла можно получить
информацию о длине волны. Дифрагированное излуче-
ние улавливается газонаполненными и газопроходными
пропорциональными счетчиками.
Недостатки дифракционно-дисперсионных систем:
— желаемые линии должны быть наведены, т. е.
ожидаемые элементы должны обрабатываться от пика
к пику;
— при прохождении рентгеновских лучей через крис-
талл детектора имеют место большие потери. Поэтому
только часть падающего на детектор излучения поки-
дает его. В связи с этим требуется значительно боль-
шая интенсивность излучения первичного пучка электро-
нов (100—1000 нА);
— при получении изображения во вторичных элект-
ронах теряется разрешение; кроме того, чувствительная
к интенсивному излучению первичного пучка поверх-
ность образца может быть повреждена.
Преимущества дифракционно-дисперсионной системы:
— требуемая ширина линий составляет только 0,1
ширины линий в случае энергодисперсионного спектра.
Поэтому возможно разделение расположенных рядом
линий различных элементов, например, SAa(2,31 кэВ),
MoLa (2,29 кэВ) и РЫИа (2,34 кэВ) (рис. 13). Сопос-
тавление рис. 11 и 13 показывает, что линии PbAfe ;
PbAl^ и PbAfv в энерго дисперсионных спектрах накла-
дываются одна на другую; в то же время в дифрак-
ционно-дисперсионных спектрах эти линии четко раз-
личимы;
Рис. 14. Зоны проникновения электронов:
1 —» первичный электронный луч; 2 — характеристическое рент-
геновское излучение, идущее к детектору; 6 — угол съемки
15
—анализ охватывает также легкие элементы с поряд-
ковыми номерами выше 5 (от углерода).
2.2.3. Методы исследования состава
с помощью микрорентгеновского анализа
Суммарный анализ
При практически наименьшем целесообразном (20-крат-
ном) увеличении с помощью растрового электронного
микроскопа можно исследовать на образце, располо-
женном под углом 45° по отношению к сканирующему
лучу, прямоугольную поверхность размером 7X5 мм2.
В этой области во многих технических металлах и
сплавах ликвационные и иные (структурные) неодно-
родности усредняются, так что применение рентгенов-
ского излучения позволяет осуществлять суммарный
анализ. С ростом увеличения сканируемая электрон-
ным лучом поверхность становится меньше и в разум-
ных условиях проведения анализа достигает прямо-
угольника размером О,;ЗХ^»2 мм2.
По высоте пиков спектра можно оценить порядок
величины содержания различных составляющих. Для
количественного анализа с целью создания воспроиз-
водимых геометрических условий необходимо исполь-
зовать плоские шлифы. Если в пределах одной группы
материалов исследуются отклонения в содержании не-
большого числа элементов, то целесообразно использо-
вать градуировочные кривые, снятые на образцах из-
вестного состава. Хорошо также произвести корректи-
ровку с учетом абсорбции, порядкового номера эле-
мента и флюоресценции.
Точечный анализ
После получения с помощью суммарного анализа об-
щего представления о содержании присутствующих в
сплаве элементов переходят к изучению отдельных
мест на поверхности объекта методом точечного (ло-
кального) анализа. При этом электронный зонд направ-
ляют на определенную точку образца и исследуют об-
ласть проникновения первичных электронов до крити-
ческой «дальности действия» (см. рис. 4 и 17). При
возбуждающем напряжении 30 кВ глубина проникно-
вения составляет около 5 мкм для алюминия и околс
1 мкм для свинца. При 1(0 кВ эти величины соответ-
ственно уменьшаются до ~1 мкм для алюминия г
~0|Д мкм для свинца. При этом поверхность должна
быть очищена от инородных слоев или заусенцев.
С помощью точечного анализа (рис. 16 и 17) могу!
быть очень хорошо идентифицированы отдельные час
тицы интерметаллических, карбидных и неметалличе-
ских включений в структуре. В ряде случаев при этой
рассматриваемые частицы «просвечиваются», и вместе
с ними анализу подвергается основной материал,, чтс
может исказить истинные данные о составе частиц.
Кроме того, на результаты анализа влияет и то, чт<
и соседние с частицами области подвергают действии
отраженных электронов. В этом случае, конечно, точ
ная количественная оценка невозможна, однако чаще
всего для идентификации частиц уже достаточно по
лучить общую информацию о содержащихся в них эле
ментах. В некоторых случаях анализ мелких частиц
расположенных на поверхности свежего излома, явля
ется единственным методом определения причин еп
происхождения.
Линейный анализ
В случае, когда при исследовании накоплены отдель
ные результаты точечного анализа на одном образщ
и установлено различное содержание конкретного эле
мента, целесообразно получить представление о рас
пределении этого элемента вдоль определенно направ
ленной прямой, т. е. провести линейный анализ. Элек
тронный зонд медленно перемещается по поверхност]
образца вдоль этой некоторой прямой. Если при этот
через постоянные промежутки времени регистрироват
£ -
ZrV2
Рис. 15. Изображение в от-
раженных электронах. Ли-
нейный анализ: изменения
содержания Zr в а-фазе
(имеющей высокое содер-
жание Zr) и в т-фазе (име-
ющей меньшее содержание
этого, элемента); сплав ZrV;
возбуждающее напряжение
10 кВ:
1 — измерительная прямая
16
Рис. 16. Частицы диаметром
0,7 мкм и 0,2 мкм в гальва-
нически нанесенном на по-
верхность вкладышей под-
шипника тройном сплаве.
Отчетливо видно повышен-
ное по сравнению с матри-
цей содержание в этих ча-
стицах олова и/или меди
(см. рис. Г7)
5 § 9 12 кэВ В
12 кэВ
Рис. 17. Точечный анализ, выполненный
на травленом шлифе подшипникового
сплава 87% (по массе) РЬ; 10% (по массе)
Sn; 3% (по массе) Си (см. рис. 16). Воз-
буждающее напряжение 30 кВ:
а — матрица; б — частицы диаметром
0,2 мкм; в — частицы диаметром 0,7 мкм
17
1 10 20 30 кэВ
Рис. 18. Рентгеновские спектры (Fitzgerald u. Cantzel, ASTM
STP 485, S. 3—35)
число импульсов в каналах многоканального анализа-
тора, то получится диаграмма изменения состава по
пройденному электронным зондом пути (рис. 15). Дли-
на измерительной прямой может быть до 5 мм.
Картина распределения элементов
Синхронное сканирование образца и считывание с эк-
рана растрового электронного микроскопа позволяют
получить картину распределения элементов (см. рис. 231
и 243). В общем эти изображения только дополняют
результаты точечного анализа. Тонкие различия по кон-
центрации элементов в этих изображениях распределе-
ния не отражены, однако они являются ценным допол-
нением к металлографическим,, в том числе к растро-
вым, снимкам.
В отличие от дифракционно-дисперсионного анализа,
где картины распределения элементов можно получить
только в случае плоских образцов, при использовании
энергодисперсионного анализа картины распределения
элементов могут быть получены также при анализе
сильно изогнутых или шероховатых поверхностей.
2.3, Спектроскопия
с помощью электронов
с низкой энергией
(Оже-спектроскопия )
В спектре испускаемых образцом электронов содер-
жатся Оже-электроны, которые могут быть использо-
ваны для анализа самых наружных тонких слоев (2—
3 нм). Для проведения этого анализа необходимы вы-
сокая чистота свежей анализируемой поверхности об-
разцов и весьма высокий вакуум, достигаемый при
длительной откачке. Поэтому при использовании Оже-
электронов для анализа тонких поверхностных слоев
целесообразно переоборудовать РЭМ, снабдив его сверх-
высоковакуумной системой^ а также ионной пушкой
для очистки образцов и последовательного снятия по-
верхностных слоев. Следует отметить общую высокую
разрешающую способность электронных снимков
(<10 нм) и хорошее местное разрешение при осуще-
ствлении электронной Оже-спектроскопии.
18
3
ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ
И ФОРМЫ ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ В ОБЪЕКТАХ
3.1. Дефекты
металлургического происхождения
Нарушения сплошности в виде внутренних пустот и
-шдрывов, обусловленные самим металлургическим про-
_ессом изготовления металлов и сплавов, могут воз-
икать в результате:
— усадки при затвердевании, которая приводит к
шэазованию усадочных раковин (рыхлости) или к раз-
рывам в твердожидком состоянии;
— наличия газовых пузырей и пор;
— скопления в расплаве неметаллических вклю-
.ний;
— недостаточно прочной связи между частицами по-
7 шка в спеченных материалах;
— недостаточного смачивания при литейных опера-
— воздействия водорода («рыбий глаз», флокены,
3.2.2.3).
Многие из названных дефектов образуются одно-
временно. Хотя внутренние пустоты не связаны прямо
каким-то отличительным видом разрушения (за ис-
рючением разрывов в твердожидком состоянии), их
:жно легко выявить и распознать при фрактографи-
• г ком анализе поверхности излома. Как «свободные
внутренние поверхности», они характеризуются рядом
. тедующих типичных признаков: каплевидной или ок-
туглой формой; гроздевидным или древовидным стро-
- жем; специфичной кристаллографией поверхности за-
-вердевания в виде ступенек, полосок или пирамид; на-
дчием шаровидных или пузырчатых раковин, оксид-
ым поверхностным налетом; кристаллическими нарос-
“вми и скоплением неметаллических включений. Разрыв
в твердожидком состоянии приводит к образованию
вытянутых в длину фестонов, поверхность которых ча-
_-в всего покрыта пленкой оксидов.
3.2. Изломы
Хвломка изделия связана с разъединением (разруше-
:-жем) его на две (или более) части, ранее составляв-
шие единое целое (деталь). Возникновение поломок
.жет быть связано с воздействием механических, хи-
ических или термических факторов.
Причиной поломки могут быть неправильный выбор
зтериала ц/или технологии его обработки, а также
аварийные условия эксплуатации. Почти криминалисти-
ыские поиски нарушений в режиме изготовления и
1- теплуатации изделий тесно связаны с тщательным ис-
тедованием поверхности разрушений. Необходимо
учать все, даже незначительные детали, характери-
ующие данную поверхность излома.
Успех диагностирования изломов в большой степе-
: зависит от компетенции исследователя. Ниже рас-
штриваются наиболее характерные признаки различ-
_.*х изломов и причины их образования. Следующие
зделы содержат описание типичных изломов, причем
/ вторые признаки, например межкристаллитные тре-
ы, наиболее часто встречающиеся в изломах раз-
:ных видов, будут повторяться. На рис. 38—40 по-
тны наиболее часто встречающиеся макрострукту-
д различных изломов. Известна классификация изло-
по Тетельману и МакЭвили [20]. Чаще всего из-
:ы подразделяют на хрупкие и вязкие; последние
иногда называют изломами, полученными в результате
сдвига. Возникающая при этом утяжка или сужение
равноценна сдвигу в двух или во многих пространствен-
ных направлениях. Излом при растягивающей статиче-
ской нагрузке состоит из большого числа областей мик-
росужений, которые после отрыва имеют сотовую (яче-
истую) структуру. Различные виды поломок могут быть
транскристаллитными и/или межкристаллитными.
3.2.1. Механические1 изломы
3.2.1.1. Вязкий излом, образовавшийся
под действием статической нагрузки
3.2.1.1.1. Вязкий излом,
образовавшийся под действием статической нагрузки
при комнатной температуре
Металлы обладают способностью изменять свою форму
% под действием внешних сил. Процессы скольжения осу-
ществляются при приложении напряжений. В зависи-
мости от типа кристаллической решетки металла в крис-
талле реализуется одна или несколько систем скольже-
ния, представляющих собой сочетание направления
скольжения и плоскости скольжения, являющихся обыч-
но плотноупакованными в данной кристаллической ре-
шетке. Скольжение осуществляется не при одновремен-
ном сдвиге смещаемых атомных рядов в каком-либо
одном направлении и на одно и то же расстояние. При
скольжении атомы в смещаемых относительно один
другого атомных рядах перемещаются не одновремен-
но, а последовательно. Образующиеся при этом локаль-
ные дефекты кристаллической решетки являются (по
геометрическому признаку) линейными.
Вблизи таких искаженных объемов нарушено харак-
терное для кристалла правильное расположение атом-
ных плоскостей; эти линейные дефекты объединяются
общим понятием дислокации (см. рис. li). Результатом
многочисленных перемещений дислокаций, которые мо-
гут пересекать друг друга и/или взаимодействовать
между собой, является изменение формы. При этом на
поверхности кристалла возникают следы скольжения
(см. далее рис. 43). Описанный процесс и есть по су-
ществу дислокационный механизм пластической, де-
формации.
С увеличением степени деформации число дефектов
решетки вообще и дислокаций в частности возрастает.
При большой плотности дислокаций усиливается их
взаимодействие, что препятствует их продвижению.
Возможности развития скольжения по мере увеличения
степени пластической деформации уменьшаются и, на-
конец, исчерпываются. Возникает деформационное уп-
рочнение, наблюдается увеличение твердости и времен-
ного сопротивления при растяжении в результате на-
клепа. При дальнейшем приложении больших сил к пре-
дельно деформированному наклепанному материалу
происходит разрушение.
Такое вязкое разрушение наблюдается только в плас-
тичных материалах, обычно в монокристаллах металлов
1 Имеются в виду изломы, возникающие в резуль-
тате воздействия только механических, в том числе и
чрезмерно больших напряжений,, без облегчающего раз-
рушение влияния химически активной внешней среды.
В немецком языке для обозначения таких изломов, свя-
занных только с силовым воздействием, имеется термин
Gewaltbruch. Прим. ред.
19
Рис. 19. Усадочные раковины в литом свинце. Х2000
20
Рис. 20.
Рис. 21.
Рис. 22.
Болт из никелевого сплава
типа нимоник (NiCr2OTiAl),
хрупко (спонтанно) разру-
шившийся при нагружении
без видимого сужения. Не-
вооруженным глазом Можно
обнаружить в плоскости из-
лома множество светлых пя-
тен. Снимки с помощью
РЭМ показали наличие меж-
кристаллитных выделений,
приведших к падению ко-
гезивной прочности между
зернами (как это видно на
верхней фотографии. Х1500).
Пограничные выделения вы-
глядят подобно раковинам,
вернее, порам. Эти дефекты,
приведшие к ослаблению
связи между зернами, об-
разовались в процессе изго-
товления отливки, в области
твердожидкого состояния,
что подтверждается:'
— наличием областей с
большой разнозернистостью
(средняя фотография. Х550);
— в твердожидком состоя-
нии наблюдается своеобраз-
ный рельеф с приподнятыми
гребнями (нижняя фото-
графия. Х$50)
21
Рис. 23 (к рис. 20—22). Ступенчатые струк-
туры затвердевания. Х2200
Рис. 24 (к рис. 20—22). Окалиноподобный
налет на поверхностях границ зерен. Х500
Рис. 25. Шиферный излом прутка воль-
фрама (поперечное сечение 3X10 мм);
после долома с раскрытием уже имею-
щихся трещин; обнаружено, что зерна на
двух противоположных поверхностях
разрушения между собой практически не
связаны; такое разрушение носит назва-
ние раскалывания. Х2000
22
ic. 26. Типичный вид по-
ii. образовавшейся за счет
хвата газового пузырька
>и охлаждении стального
итка. Х'24О1
~ Поры, сохранившие-
ирв спекании металло-
аягчесхого вольфрамо-
к пгугка. Х2800
23
Рис. 28. Полученный при
лабораторных испытаниях
усталостный излом по свар-
ному шву титанового спла-
ва (6% AI; 5% Zr: Мо;
2% Си; 0,3% Si): электрон-
нолучевая сварка. Излом
берет начало от поры внут-
ри образца. Х20
Рис. 29. Пора
оптированным
летом. Х500
покрыта ори-
точечным на-
24
Рис. 30. Сульфиды марганца в нелегированной стали, которые за счет «с в и л е в и д н ы х» скоплений сильно ослабили ос-
новной металл (матрицу). Х4200
25
Рис. 31. Пластинчатые суль-
фиды марганца в стальном
листе; в сварном соедине-
нии образовался излом в
виде «террас». X МОО
Рис. 32. Характерные тем-
ные зоны — следы локаль-
ного течения вокруг шлако-
вого включения — на по-
верхности разрушения внеш-
него кольца шарикоподшип-
ника. Х55
26
с. 33. Участок рис. 3'2. На
сыпой по протяженности
зрежденной поверхности
£ны крупные поры. Х550
с. 34. Участок рис. 32
:= поверхность разруше-
я «пронизана» сфериче-
?:ми и строчечными вклю-
ниями сульфида марган-
:. На противоположной (к
-ной) поверхности раз-
1ления видны только от-
сьные связывающие мо-
ики. Х2200
с. 35.. Куполообразные
.ступы в нижней части
им’ка представляют собой
•зерхности, по которым
«эизошла потеря когезив-
сти при высокотемпера-
рной пайке. В местах
?эчной связи (где нет по-
ри когезивности) вязкий
сом характеризуется ямоч-
... структурой. Х620
27
Рис. 36. Потеря когезивно-
сти в месте пайки (сереб-
ряный припой с медью) у
основания лопатки компрес-
сора. На поверхности основ-
ного металла, не схвачен-
ной припоем, можно разли-
чить зернистую структуру.
Х500
Рис. 37. Поры в месте пай-
ки; лопатка компрессора.
Стенки крупных пор прони-
заны более мелкими, круг-
лыми и удлиненными, по-
рами. Х240Ю)
28
a
Рис. 38. Макроскопическое описание распространения различ-
ных видов трещин:
- — разрушение отрывом; хрупкий излом; б — разрушение сдви-
гом (/ — излом срезом; 2 — излом с образованием шейки); в —
тарелочно-чашечный излом; в русской терминологии — излом
типа «конус — чашка», происходящий преимущественно от нор-
мальных напряжений — ямочный излом с «губами среза»
। I—III — последовательность разрушения; 1 — излом со сдви-
гом)
высокой степени чистоты. При испытании на растяже-
ние в этих случаях имеет место значительное сужение
«образование шейки); в конечном счете происходит раз-
рушение либо от кромки ограниченной шейки, либо в
м.есте «заострения» (полное точечное сужение). На по-
верхности можно обнаружить многочисленные пересека-
ющиеся следы скольжения.
Технические металлы не являются ни чистыми, ни мо-
нокристаллическими. Они состоят из большого числа
тесно примыкающих друг к другу кристаллитов (зерен)
и содержат примеси и включения в широком смысле
этого понятия (см. рис. 1). Некоторые из этих примесей,
среди которых могут быть сознательно введенные атомы
легирующих элементов, а также случайные примеси,
«встраиваются» в кристаллическую решетку. Кроме того,
всегда существуют так называемые вторые (упрочняю-
щие) фазы и/или включения, которые расположены в
металле изолированно в виде островков. Это означает,
что в металлической матрице возникают как бы поры
«пустоты), в которых располагаются эти включения и
сазы.
При пластической деформации объемы металла вокруг
Рис. 39. Излом со сдвигом и сужением; плоский образец, ис-
пытания на растяжение; никелькобальтомолибденовая сталь.
Х55
Рис. 40. Вязкий тарелочно-чашечный излом; испытания на рас-
тяжение стали X2CrNiCoMol385. Излом в одной половине сече-
ния окаймлен «губами среза». Х48
включений (пустот или пор) расширяются и удлиняются
вследствие течения, способность к которому в металле,
окружающем включения, выше, чем во включениях.
Стенки в деформированном вокруг включений металле
сужаются и в таких «перегородках» возникают сильные
напряжения сдвига. При дальнейшем развитии направ-
ленной деформации остаются только тонкие продольные
перегородки между включениями (порами). В конце кон-
цов разрываются последние перегородки и образуются
две поверхности излома, на которых видны «полупоры»
(ямки) (рис. 41).
В английской литературе ямки носят название dimp-
les (рябь со впадинами), в немецкой — Waben (ячейки.
29
Рис. 41. Ямки:
а — примерно одинаковые ямки;
никшие при вязком срезе
б — ямки, сгруппировавшиеся у вершины трещины; в — ямки, воз-
соты). Ямочная структура — наиболее надежно разли-
чимый признак вязкого излома. Эта структура равным
образом образуется во всех металлах, разрушающихся
по вязкому механизму (с большой пластической дефор-
мацией). Часто на «дне» ямки находят включение, ко-
торое привело к ее образованию. Однако включение мо-
жет быть найдено не в каждой ямке, так как оно раз-
деляется между двумя поверхностями излома. Кроме
того, включения могут выпасть в процессе самого раз-
рушения, при транспортировке образцов и при ультра-
звуковой очистке.
Величина и форма ямок зависят не только от способ-
ности металла к пластическому течению перед разруше-
нием, но и от природы и геометрии включений. Строчеч-
ные включения оставляют «желобковые» ямки (канавки).
Поэтому в изделиях, прокатанных за большое число
проходов, ямки всегда ориентированы в направлении
прокатки.
Между плотными строчками вытянутых в длину вклю-
чений сульфида марганца образуются длинные гребни
(кромки). В изломах со стержневидными включениями
сульфида марганца можно также часто наблюдать, как
ранее плотно прилегавшие к сульфидам марганца объе-
мы основного металла перед изломом расширяются и
вытягиваются в процессе пластической деформации,
предшествующей разрушению.
Глубина ямок, т. е. высота перемычек между ними,
служит мерой способности металлической матрицы к
пластической деформации при вязком изломе. Такие
пластичные материалы, как аустенитные стали или медь,
образуют очень глубокие ямки. Плохо деформируемые
металлы или металлы, у которых наблюдается сильная
склонность к деформационному упрочнению, образуют
-очень мелкие ямки.
Напряжения, сопровождающие пластическую дефор-
мацию, определяют относительное движение отдельных
смещаемых объемов металла при изломе и конфигура-
цию ямок. При равномерном распределении напряжений
образуются равноосные ямки. Неравномерное распреде-
ление напряжений приводит к образованию вытянутых
ямок (параболических) — см. рис. 41.
Параболические ямки появляются всегда при возник-
новении трещин на поверхности, так как при этом пре-
обладает напряженное состояние, способствующее раз-
витию деформации перед разрушением. При раскрытии
трещин у их основания также видны параболическ
ямки. В некоторых случаях между ямками обнаруж
ваются ступеньки сдвига.
Под действием сдвигающих напряжений возника!
так называемые ямки среза (или сдвига), которые
экстремальном случае могут быть очень вытянуты
длине. Ямки среза всегда обнаруживаются на «губ
среза» в изломе. «Губы среза» представляют собой пл(
кости излома, наклоненные по углом ~45° к остальш
плоскостям излома. Они появляются в тех местах, г
распространяющаяся трещина достигает противополо
но расположенных поверхностей; там разрушен
происходит в условиях напряженного состояния, сг
собствующего вязкому разрушению. При кручении ям
среза ориентируются по окружности.
Внутренние поверхности ямок после интенсивной ;
формации, предшествующей разрушению, не остаки
гладкими, а оказываются пронизанными следами ckoj
жения. Это особенно заметно в случае возникающего
поликристаллических металлах множественного скольл
ния; кроме того, скольжение в каждом отдельном зер
зависит от развития скольжения в соседних зернах, ч
приводит к образованию ветвистого узора (серпйнтг
ное скольжение).
Ямки образуются в вязких металлах, как прави.
всегда, когда деформируемый металл содержит бо.
шое число включений. Последние могут также pacnoj
гаться по границам зерен. Несмотря на то, что ямочн
структура излома чаще обнаруживается при транскр]
таллитном разрушении, установлено много случаев 1
личия ямок и на межзеренных поверхностях разрушен]
В этом случае области металла вблизи границ зер
должны характеризоваться достаточной деформир;
мостью.
Иногда единственной возможностью получить доел
к поверхности ямок в изломе, например для проведен
микроанализа с помощью РЭМ, является удаление вкл
чений со дна ямок.
Близок к ямочному излому так называемый квази
рыв (квазихрупкий скол), который возникает в стал
при температурах ниже критической температуры хр;
кости. Несмотря на то, что по своей энергоемкости 1
добный излом является хрупким, т. е. металл облад;
низким сопротивлением разрушению, поверхности из<
зе
i Рис. 42. Схема образования квазискола (розеточный излом):
; 1 — поверхность сдвига; 2 — гребни
ма однозначно содержат признаки предшествовавшей
пластической деформации.
На рис. 42 показан излом со многими плоскими или
слегка вогнутыми поверхностями или фасетками; такой
излом образуется за счет слияния отдельных трещин.
Каждая трещина распространяется концентрически, вы-
ходя из одной центральной начальной точки. При этом
почти круговой фронт трещин под действием пластичес-
кой деформации расширяется. Образующаяся «пора» в
отличие от ранее описанных ямок в большой степени по
форме приближается к линзе. При слиянии трещин ос-
таются высокие острые грани, которые называются
просто гребнями или отрывными гребнями (см. рис. 42).
Фасетки являются транскристаллитными и их геомет-
эия не зависит от особенностей кристаллической струк-
туры. Плоские поверхности также не ориентированы по
кристаллографическим плоскостям. Отдельные трещины
значительно увеличиваются при расширении в радиаль-
ном направлении и разделяются на многие секторы, ко-
торые отделены друг от друга гребнями. На таких «ро-
зетках» особенно хорошо различима высокая степень
выпуклости слегка округлого фронта трещины.
Тот факт, что ямки отрыва часто смешивают с ква-
зиотрывом (фасетками) и розетками, подчеркивает род-
ственную природу этих видов разрушения.
3.2.1.1.2. Вязкий излом,
возникший под действием статической нагрузки
при повышенной температуре
Изломы,
возникающие под действием статической нагрузки
при повышенной температуре в твердом состоянии
Изломы металлических материалов под действием ста-
тической нагрузки при повышенных температурах имеют
характерную структуру вязкого ямочного разрушения.
Обращает на себя внимание факт интенсивного вытяги-
вания ямок (пор) перед разрывом перемычек и сильного
пластического течения -— появление широких перемычек
и глубоких ямок среза. В этой связи допустимо выраже-
ние — пластическая деформация типа «жевательной ре-
зинки». Подобные явления встречаются как при быст-
ром приложении растягивающей нагрузки, так и при*
нагружении в условиях ползучести.
Так как в процессе ползучести внутри материала воз-
никают многочисленные микротрещины в различных:
плоскостях, часто наблюдается излом типа «террас»,
покрытых трещинами.
Выше определенной для каждого металлического ма-
териала температуры (так называемой эквикогезивной)
наблюдаются межкристаллитные изломы [19]. Для жа-
ропрочных никелевых сплавов и для аустенитных сталей'
эта температура составляет ~700°С.
При относительно высоких напряжениях и низкой жа-
ропрочности наблюдается преимущественное скольжение
вдоль приграничных объемов.
На разъединенных поверхностях при межкристаллит-
ном разрушении можно различить следы скольжения. В
то же время в объемах у границ зерен, которые располо-
жены перпендикулярно к направлению скольжения, об-
разуются ямки. Высокие температуры и низкие напря-
жения благоприятствуют образованию так называемых
пор ползучести. Признаком последних является наличие
полиэдрических приграничных фасеток; длительное вре-
мя, которое отвечает процессу ползучести, позволяет за-
вершиться рекристаллизации на стенках пор.
Ответственным за межкристаллитное разрушение при
высокой температуре в ряде сплавов является преиму-
щественное выделение по границам зерен «пленок» низ-
коплавких фаз, например FeS, NiS-, V2O5 [20]. Очевидно,
что упомянутые выше особенности структуры в гранич-
ных объемах относятся также к границам дендритов.
Часто в литых материалах после ползучести обнаружи-
вают не только междендритное разрушение, но и сво-
бодные дендриты на поверхностях разрушения.
Изломы,
возникающие под действием статической нагрузки
при повышенной температуре в твердожидком состояние
Если отрыв происходит по границе между твердой и
жидкой фазами, например при охлаждении отливки, то
образуются изломы раковинообразной формы с высоки-
ми краями. Такие изломы имеют много общего с изло-
мами других видов, наблюдаемыми, в частности, на же-
лезных сплавах. Они часто обнаруживаются в сопровож-
дении вскрытых раковин.
31
Рис. 43. Линии скольжения
и трещина на растянутой
стороне электролитически
полированного листового об-
разца из сплава никеля с
хромом, железом и титаном,
подвергнутого изгибу. Х5000
Рис. 44. Вязкие трещины с
ямочной структурой в вы-
соколегированной стали. На
поверхности обнаруживают-
ся следы скольжения. Х600
.32
Рис. 46. Силикатные вклю-
чения определяют форму
ямок и их размеры в изломе
по сварному шву; углеро-
дистая сталь. Х5500
Рис. 45. Равноосные ямки в
изломе; разрушение сталь-
ной пружины под действием
статической нагрузки. Х1000
33
2 Зак. 304
Рис. 47. Строчечная ямочная
структура, образовавшаяся
вокруг вытянутых сульфи-
дов марганца; вязкий из-
лом в стали. XI 000
Рис. 48. Вязкий ямочный
излом, наблюдаемый на зер-
нограничной поверхности в
стали. Х2000
34
С»
Рис. 49.
Рис. 30.
Рис. 51.
Лабораторные испытания
перлитного серого чугуна
(GG26); излом под действи-
ем статической нагрузки.
Более толстые и темные
ферритные ламели деформи-
ровались с образованием
острых кромок (гребней) и
дополнительно испытали
пластическое растяжение.
Поэтому расположенный
между острыми кромками
феррита цементит почти не
заметен. Это объясняется
тем, что пластинки цемен-
тита значительно тоньше
пластинок феррита. Эти
признаки важны для разли-
чения усталостного излома
и излома под действием
статической нагрузки в пер-
литном чугуне. Темные
гладкие поверхности пред-
ставляют собой графит (см.
также рис. 144—148). Х2200;
Х5500; X1100
304
35
Рис. 52. Ямки, возникшие при вязком срезе; тонкий лист из мартенситностареющей стали. X3000
36
Рис. 53. Ямки, образовав-
шиеся при преднамеренном
разрушении проволоки в ре-
зультате одноразового при-
ложения напряжения (кру-
чения). XI100. Расположе-
ны по часовой стрелке, что
показывает направление
вращения при нагружении
Рис. 54. Неглубокие ямки в
сильно деформационноуп-
рочненной стали X2NiCoMo
1895 после предельно воз-
можной холодной деформа-
ции. Излом произошел под
действием статической на-
грузки и сопровождался
весьма небольшой пласти-
ческой деформацией. Х5200
37
Рис. 55. Вязкий излом сталь-
ной проволоки (опоясываю-
щего обода) после изгибно-
го разрушения в лаборато-
рии; элементы излома ори-
ентируются по вытянутым в
длину еще при волочении
проволоки зернам. Поверх-
ности излома, расположен-
ные перпендикулярно к оси
проволоки, содержат толь-
ко очень неглубокие ямки,
поскольку способность к
деформации материала бы-
ла почти полностью исчер-
пана при волочении в про-
цессе изготовления проволо-
ки. Этот излом носит также
название древовидного
Х124ЮО
Рис. 56. Вязкий излом (сле-
ва вверху) и хрупкий излом
(справа внизу) в холодно-
тянутой вольфрамовой про-
волоке. Острые грани, со-
ставляющие локальные
утяжки, направлены по вы-
тянутым в длину зернам в
структуре холоднодеформи-
рованной проволоки. Х5400
38
Рис. 57. Серпантинное сколь-
жение у вершины трещины,
раскрытой при преднамерен-
ном разрушении трубки из
электротехнической меди.
XI2000
Рис. 58. Участок рис. 57.
Видны результаты последо-
вательных процессов рас-
крытия и продвижения тре-
щин. При большом увели-
чении обнаруживаются сту-
пеньки сдвига. ХЮ ООО
39
Рис. 59. Квазискольный из-
ком; образец с надрезом;
испытания на ударную вяз-
кость; Сталь Сг—Мо—V
(0,20% С; 1,0% Сг; 0,7% Мо;
0,15% V); структура верх-
него бейнита
В никелевых сплавах в области температур твердожид-
кого состояния при ударной нагрузке наблюдается осо-
бый вид излома. Образуются плоские поверхности от-
рыва,, имеющие закономерную кристаллографическую
ориентировку. Эти поверхности отрыва являются шеро-
ховатыми, и при большом увеличении наряду с полоса-
ми и ступенями в изломе можно обнаружить каплевид-
ную структуру. На оплавленных границах зерен распро-
странение плоского излома задерживается.
Шлифовочные трещины при неблагоприятных режи-
мах обработки, приводящих не только к прижогам, но
и к оплавлению, могут также быть результатом изломов
в твердожидком состоянии.
3.2.1.2. Хрупкое разрушение
под действием статической нагрузки
Макроструктура хрупкого излома
Внешним признаком хрупкого излома наряду со спон-
танным его развитием является отсутствие макроскопи-
чески наблюдаемой деформации при распространении
трещины, т. е. отсутствие заметного удлинения и суже-
ния, сопровождающего разрушение
Главными причинами, вызывающими образование
хрупкого разрушения, являются: многоосное (и неблаго-
приятное) напряженное состояние; внутренние дефекты,
например в виде необнаруженных острых трещин; низ-
кие температуры (особенно для ферритных сталей);
структурное состояние (например, отпускная хруп-
кость); нейтронное облучение; высокая скорость нагру-
жения.
Многоосные напряженные состояния
Многоосное напряженное состояние возникает, напри-
мер, при нанесении надреза, особенно острого, на плос-
кую поверхность. На примере испытаний на растяжение
двух стержней из одинакового материала с одинаковым
несущим поперечным сечением можно очень хорошо по-
казать, что излом образца с надрезом является хрупким
с малой деформацией, предшествующей разрушению. В
то же время образец без надреза разрушается вязко с
образованием шейки, т. е. с большой деформацией до
полного излома?.
Особую опасность представляет трехосное напряжен-
ное состояние при очень острых надрезах. При растяже-
нии трехосное плоское напряженное состояние всегда
возникает при наличии острых трещин внутри толстых
деталей [22]. Подобные трещины связаны с различного
вида дефектами материала (раковинами, пористостью,
газовыми пузырями, закалочными трещинами или заро-
дышевыми трещинами, образующимися, например, при
приложении усталостной нагрузки). В определенных ус-
ловиях нагружения эти трещины распространяются не
стабильно, а спонтанно; в частности, при большом за-
пасе упругой энергии острые трещины переходят в не-
стабильно быстро распространяющуюся магистральную
трещину хрупкого разрушения.
Механика разрушения дает представление о количест-
венных характеристиках трещиностойкости материалов.
Коэффициент интенсивности напряжений К является для
образцов определенной геометрии и определенного на-
пряженного (плоскодеформированного) состояния вели-
чиной постоянной для данного материала. Он в этом
случае называется параметром вязкости разрушения и в
40
Рис. 60. Образование меж-
кристаллитных трещин в ус-
ловиях ползучести при по-
вышенных температурах (см.
Bohm. Einfurung in die Me-
tallkunde. Mannheim: Bib-
liogr. Institut, li968):
a — трещины в местах со-
прикосновения границ зе-
рен; б — образование пор
на границах зерен (перпен-
дикулярно к направлению
растяжения)
Рис. 61. Вид поверхности
излома, характеризующий
высокую пластичность стали
при высокой температуре.
Излому путем отрыва пред-
шествует интенсивное сосре-
доточенное удлинение и об-
разование шейки. XI 1'00
известной мере описывает интенсивность поля напряже-
ний, действующего в вершине трещины.
Из К можно вычислить освобождаемую при распрост-
ранении трещины энергию G; эта энергия распростране-
ния трещины равна G—K?IE. При нестабильном (хруп-
ком) распространении трещины К и/или G принимают
критические значения и имеют тогда индекс «с», т. е.:
Кс — вязкость разрушения при распространении хруп-
кой трещины; коэффициент интенсивности напряжения
[20], при достижении которого возникает хрупкое раз-
рушение;
6С — работа, требуемая для продвижения нестабиль-
ной трещины на единицу ее поверхности [20].
При определенных условиях Кс является, как было
сказано выше, константой материала, которая опреде-
ляется экспериментально. В зависимости от вида напря-
женного состояния величина К имеет индексы I, II,
III (рис. 80) [30].
Вязкость разрушения при образовании хрупкой тре-
щины в условиях наиболее опасного плоскодеформиро-
ванного состояния, обозначаемая Kic, для улучшенных
сталей лежит в пределах от 1 до 3 кН«мм~3/2, для мар-
тенситностареющих сталей от 2 до 4 кН «мм-3/2. Для
алюминиевых сплавов величина Kic близка к 1, для ти-
тановых сплавов равна приблизительно 3 кН-мм“3/2.
Влияние низких температур
Подвижность дислокаций и благодаря этому возмож-
ность пластической деформации (релаксации) у вершины
трещины с понижением температуры падают. Затрудне-
ние развития пластической деформации выражается в
увеличении Go,2 при растяжении в условиях понижаю-
щихся температур испытания.
По результатам испытаний на ударную вязкость мож-
но судить об охрупчивании сталей при понижении тем-
пературы. Параметр вязкости разрушения Ктс имеет та-
кую же тенденцию к уменьшению с понижением темпе-
ратуры испытания (рис. 81). [30].
В случаях эксплуатации конструкционных деталей при
низких температурах необходимо обязательно учитывать
температурную зависимость ударной вязкости и парамет-
ра вязкости разрушения. Это относится и к деталям, ра-
ботающим при низких климатических температурах.
Металлы и сплавы с гранецентрированной кубической
решеткой, хотя и обладают сравнительно низкой проч-
ностью, но характеризуются при любых температурах
отсутствием хрупких изломов; изломы практически при
всех температурах эксплуатации (испытания) оказывают-
ся вязкими. Поэтому, например, резервуары и трубопрог
воды для жидкого кислорода изготавливаются из меди
или из хромоникелевых аустенитных сталей.
Влияние обработки
Все виды обработки, которые приводят к снижению
ударной вязкости образцов с надрезом, особенно с ост-
рым надрезом, одновременно определяют получение и
низких значений Gic и Ктс. Такое влияние оказывают
деформационное упрочнение, деформационное и закало-
чное старение, собственно закалка, а также закалка в
41
Рис. 62. Никелевый литой
сплав (нимокаст 713 V); об-
разец для испытания на
длительную прочность; под
напряжением 0,25 кН/мм2
при 900°С разрушение про-
изошло через 135 ч. В из-
ломе видны структурные
признаки разрушений типа
«жевательная резинка», ха-
рактерные для случаев силь-
ной пластической деформа-
ции, сопровождающей раз-
рушение, и отчетливо выра-
женная конфигурация ямок.
Возникшие вследствие ло-
кальной стесненной дефор-
мации растяжения свежие
поверхности излома были
сразу же покрыты налетом
(взаимодействие с печной
атмосферой машины для ис-
пытания на длительную
прочность). Х21Ю0
Рис. 63. Излом, полученный
в результате испытаний на
длительную прочность об-
разца из листового никеле-
вого сплава (нимокаст). На-
гружение в течение 50 ч
при 860°С. Элементы излома
ориентированы по дендри-
там в структуре. Различные
по уровню расположения
участки излома отделены
друг от друга ступеньками
сдвига. Х<500
42
Рис. 64. Особые признаки
излома, возникшего в ре-
зультате воздействия на
болт из стали, содержащей
16% Сг и 113% Ni, длитель-
ной нагрузки при 780°С.
Видна ямочная структура,
поры и четко обозначенные
поверхности (ступеньки)
сдвига. Х500
Рис. 65. Излом никелевого
сплава в результате испы-
таний на длительную проч-
ность; характеризуется тер-
расовидной ступенчатой
структурой с большим чис-
лом трещин на поверхности
разрушения. XI2200
4а
Рис. 66.
Рис. 67.
Излом ферритной стали, ко-
торая была разрушена при
высокой температуре (выше
600°С); видны следы сколь-
жения вдоль поверхностей
границ зерен, а также ям-
ки по границам зерен. Х500;
Х2000
Рис. 68.
Рис. 69.
В никелевом сплаве (нимо-
ник 105), испытанном на
ползучесть при 800иС, по
границам зерен образова-
лись поры. Их можно об-
наружить, если подвергнуть
образец квазихрупкому раз-
рушению (с малой пласти-
ческой деформацией), что
достигается изломом в сре-
де жидкого азота. XI340;
Х55ДО
45
Рис. 70. Хрупкий отрыв в
твердожидком состоянии;
образование «пиков» на по-
верхности разрушения свар-
ного соединения стали
X2NiCoMol8.12.5; электрон-
нолучевая сварка. Х6000
Рис. 71. Хрупкий отрыв в
твердожидком состоянии
(хрупкая горячая трещина);
сплав AlSili2CuMg:Ni; отлив-
ка с большими различиями
в поперечном сечении. На
поверхности разрушения
видны округлые раковино-
образные элементы структу-
ры затвердевания, напоми-
нающие ямочное строение,
и характерные вытянутые
вверх пики (гребни). X1200
Рис. 72. Межкристаллитный
хрупкий отрыв в твердо-
жидком состоянии с образо-
ванием пиков (гребней) на
ослабленных границах зерен
в стальной поковке. Х1200
46
Рис. 73. Сварные трещины в
непосредственной близости
от шва, полученного мето-
дом электроннолучевой свар-
ки. Излом, вызванный этими
трещинами, характеризуется
такими же признаками, как
и излом в твердожидком
состоянии; видны каплевид-
ные элементы и гребни (пи-
ки). Х2600
Рис. 74. При нагревании на
1200°С начинается раство-
рение карбидов титана по
границам зерен в сплаве
уаспаллой, а также частич-
ное оплавление границ зе-
рен; оплавление идет в кон-
центрических зонах основ-
ного металла (матрицы)
вокруг отдельных карбидов.
Х2000
47
Рис. 75. Шлифовочные тре-
щины глубиной около 0,5 мм
в кальции марки 1 N 100;
имеют округлую каплевид-
ную структуру, что служит
признаком того, что они об-
разовались в твердожидком
состоянии. X1600
Рис. 76. Излом магниевого
сплава (9% А1 — 2% Zn)-
Границы зерен оплавлены
в результате воздействия
слишком высокой темпера-
туры (температура неизве-
стна, пережог). Характерны
скругленные складки. Х575
48
Рис. 77
Рис, 78
Рис. 79- Разрушение при
ударном нагружении в об-
ласти температуры плавле-
ния по замку литой турбин-
ной лопатки из никелевого
сплава; наряду с оплавлен-
ными границами зерен вид-
ны шероховатые поверхно-
сти скола с каплевидной
структурой. Х60; Х60О; XI100
49
Рис. 80. Способы (/—///) раскрытия трещин [30]
Рис. 81. Температурная зависимость а0 2 и для стали, ис-
пользуемой при изготовлении сосудов под давлением [30]
сочетании с дисперсионным твердением, образование вы-
делений по границам зерен и укрупнение зерна.
Все перечисленные выше обработки направлены на по-
вышение прочности, что автоматически означает созда-
ние препятствий, затрудняющих движение дислокаций,
т. е. рост сопротивления пластической деформации. По-
этому опасное напряженное состояние, возникающее у
вершины трещины, не может быть полностью релаксиро-
вано за счет локального пластического течения в окру-
жении трещины. Это приводит к уменьшению вязкости
разрушения, но, как было сказано, к росту предела те-
кучести сад т. е. к росту сопротивления пластической
деформации.
При наличии хрупких выделений, располагающихся
преимущественно по границам зерен, например карбидов,
излом распространяется межкристаллитно, т. е. является
наиболее опасной разновидностью хрупкого излома. При
этой ситуации в сопротивлении разрушению принимает
участие лишь небольшая приграничная часть объема
металла или сплава, тогда как практически весь объем,
составляющий сердцевину всех зерен, в сопротивлении
разрушению участия не принимает.
При крупном зерне уменьшается число препятствий в
виде границ зерен, противодействующих распростране-
нию хрупких трещин транскристаллитного скола. Это
означает возможность беспрепятственного продвижения
транскристаллитного излома на большие расстояния. При
встрече трещины с границей зерна происходит ее откло-
нение от магистрального развития в данном зерне, со-
гласованное с ориентацией соседнего зерна. При этом
возрастает энергоемкость процесса разрушения, так как
возрастает работа распространения трещины. Поэтому
мелкозернистые материалы менее склонны к хрупкому
разрушению, чем крупнозернистые.
Нейтронное облучение
Проникающие в металл нейтроны могут при соударении
смещать атомы из их равновесных положений в кристал-
лической решетке. Смещенный атом становится меж-
узельным и оставляет вакансию, находящуюся в том по-
ложении, где до этого был смещенный атом. Подобный
механизм образования точечных дефектов приводит к
образованию дефектов по Френкелю. Если энергия, со-
общенная атому при соударении с нейтроном, велика, то
смещенный атом может в свою очередь «столкнуть» дру-
гой атом из его равновесного положения в решетке. Та-
ким образом, могут возникать каскады числом до 104
смещенных атомов и соответственно такое же число ва-
кансий.
Образующиеся в результате бомбардировки нейтрона-
ми дефекты затрудняют движение дислокаций; в резуль-
тате повышается сопротивление пластической деформа-
ции и пластичность облученного кристаллического тела
падает, равно как и способность к релаксации у вершины
трещины. Кроме того, смещенные атомы обладают бо-
лее высокой собственной энергией, чем атомы, занимаю*
щие в решетке равновесное положение, но определяют
уменьшение энергии межатомной связи. Все эти факторы
благоприятствуют возникновению отрыва и хрупкому
разрушению. Для стали температура КТХ (температура
перехода из пластичного состояния в хрупкое, опреде-
ляемая при испытании падающим грузом) сдвигается в
сторону более высоких температур в результате нейтрон- '
ного облучения; иногда повышение этой температуры
составляет до 250°С.
Скорость нагружения
Высокая скорость нагружения приводит к получению -
низких Gc (работы распространения нестабильной хруп- I
50
Рис. 82. Распространение
скола при переходе через
симметричную границу на-
клона
Рис. 83. Распространение
скола- при переходе через
границу кручения: /—двой-
ники; 2 — полосы разруше-
ния
Рис. 84. Скол в зоне сварки
нержавеющей стали с 30% Ст.
На поверхности скола мож-
но различить перистые, ори-
ентированные внутрь зерна
и четко разделенные между
собой полосы разрушения.
Направление развития изло-
ма — снизу вверх. Х650
51
Рис. 85. Изучение многочис-
ленных двойников позволяет
установить различные напра-
вления развития трещины
внутри зерна. Трещина иног-
да ответвляется от магист-
рального направления, идет
под углом к основной повер-
хности скола и, описывая
некоторую кривую, вновь
возвращается к основной по-
верхности скола. При пере-
ходе в соседнее зерно возни-
кает много новых путей раз-
вития излома (внизу на
снимке). Х650
Рис. 86. Скол цапфы из уг-
леродистой стали. В центре
снимка видно, как распрост-
раняющийся справа налево
излом пересекает симметрич-
ную наклонную границу зер-
на. При этом в левом зерне,
имеющем иную ориентиров-
ку, возникает большое чис-
ло новых полос разрушения
(вторичных плоскостей ско-
ла). В этом левом зерне
расположен также направ-
ленный под углом вверх
двойник в виде типичного
полукруглого язычка. Х2000
52
кой трешины). Как и в случае нейтронного облучения
и влияния низких температур, причиной повышенной
опасности хрупкого разрушения при высоких скоростях
нагружения является меньшая подвижность дислока-
ций. Охрупчивание проявляется особенно сильно при
комбинированном воздействии нейтронного облучения
при высоких скоростях растяжения.
3.2.1.2.1. Транскристаллитный хрупкий излом
Возникающая при нестабильном распространении хруп-
кой трещины структура излома металлических материа-
лов представляет собой квазиотрыв (квазихрупкий
скол). При тщательном микроскопическом исследова-
нии такой излом, правда, обнаруживает определенные
признаки пластичности, свидетельствующие о том, что
разрушению предшествовало пластическое “течение (см.
3.2.1.1.Ь.)„. однако при макроскопическом рассмотрении
говорят либо об отсутствии, либо о весьма низкой де-
формации перед разрушением [2,2]. Квазиотрыв наблю-
дается в низколегированных улучшенных сталях, испы-
танных при низких температурах (образцы с надрезом
различной конфигурации).
Ярко выраженную картину хрупкого излома путем
отрыва представляет собой транскристаллитный скол.
В противоположность квазискольному излому, в случае
которого фасеточные и розеточные поверхности не мо-
гут быть приписаны ни одной кристаллографической
плоскости, транскристаллитный скол происходит по оп-
ределенным кристаллографическим плоскостям. Он на-
блюдается (при определенных условиях) в, металлах
и сплавах с гексагональной и кубической объемноцент-
рированной решетками и практически не имеет места
в случае металлов с кубической гранецентрированной
решеткой.
В о.ц.к. a-железе плоскость куба {100} является
плоскостью скола. Поверхности скола всегда плоские и
гладкие; трещины по ним могут без помех рас-
пространяться только в пределах данного зерна. По
тонким линиям и ступенькам на поверхности разруше-
ния можно определить путь и направление распростра-
нения трещин (рис. 82). Последние могут менять свое
направление, причем даже в пределах одного зерна,
так что на поверхностях скола возникают ручьистые
(веерообразные) или перистые узоры.
Кроме того, на поверхностях скола металлов с
о.ц.к. решеткой часто наблюдаются двойники. Послед-
ние образуются на конце развивающейся трещины и
вынуждают ее на коротком участке покидать плоско-
сти {100} и проходить по плоскостям двойникования
{1112}. Вследствие этого образуются характерные ко-
сые фасетки, направленные вдоль прямой от поверхно-
сти скола в глубину или вверх. При отклонении от
двойника трещина становится скольной, т. е. вновь пе-
реходит на плоскость {100} (рис. 83 и далее 85 и 86).
Если скол переходит через границу зерна (см. рис. 83).
то в новом зерне из-за различия в ориентации зерен,
происходит ветвление на ряд отдельных, параллельных
в плане, «следов» скола. Между ними находятся почти
прямоугольные ступеньки. При дальнейшем развитии
разрушения эти «следы» вновь объединяются. По этим
признакам можно установить направление развития ма-
гистральных трещин.
Спонтанное распространение хрупкого разрушения от
одного зерна к другому через все поперечное сечение
является характерным признаком скола. Напротив, при
ямочном вязком разрушении и при квазискольном раз-
рушении образуются отдельные мелкие ветвящиеся
трещины и поры, которые в конце концов объединя-
ются.
Отдельные неблагоприятно расположенные по отно-
шению к направлению магистральной трещины зерна,
плоскости куба в которых сильно отклонены от макро-
скопической плоскости отрыва, разрушаются с призна-
ками вязкого излома.
В ряде случаев, когда в металлах и сплавах с г.ц.к.
решеткой имеются в структуре охрупчивающие дисперс-
ные выделения, также возможно разрушение сколом,
но с малой локальной деформацией (см. рис. 87).
3.2.1.2.2. Межкристаллитный хрупкий излом
Межкристаллитный хрупкий излом образуется спонтан-
но при нестабильном распространении трещины; он ча-
ще всего наблюдается в тех случаях, когда границы
зерен вследствие расположенных на них выделений или
загрязнений имеют низкую когезивную прочность. Кар-
биды по границам зерен в сталях часто являются при-
чиной межкристаллитного хрупкого излома. Если кар-
биды достаточно велики, то состав их может быть оп-
ределен с помощью рентгеновского микроанализа.
Часто хрупкие выделения по границам зерен или зер-
нограничные сегрегации настолько малы, что их мож-
но обнаружить только при использовании тонких мето-
дов анализа. Например, с помощью РЭМ иногда мож-
но видеть черепицеобразные карбидные пленки (см.
рис. 102 и 187).
Закалочные трещины в стали часто являются меж-
кристаллитными, возникающими по границам бывших
зерен аустенита. И в этом случае ответственными за
разрушение также могут являться примеси по границам
зерен.
Межкристаллитные хрупкие разрушения в результа-
те действия водорода и при коррозии под напряжением
рассматриваются ниже.
3.2.1.3. Усталостный излом
Достаточно часто причиной выхода из строя деталей
машин является усталостное разрушение (усталостный
или динамический излом). Излом этого вида образуется
и распространяется в конструкциях, подвергающихся
действию знакопеременных нагрузок. Возникающие при
этом циклически действующие (усталостные) напряже-
ния могут быть значительно ниже предела текучести.
Зарождение и распространение усталостного разруше-
ния— это весьма сложные процессы. Оба они происхо-
дят при наложении локальной микропластической де-
формации. Для распространения усталостной трещины
необходимо, чтобы в ее окружении действовали растя-
гивающие напряжения. До настоящего времени прово-
дятся оценки циклической прочности материала с по-
мощью лабораторных испытаний, в результате которых
получают кривые усталости (кривые Велера). Однако,
поскольку результаты, полученные на лабораторных
образцах, трудно перенести на конкретные детали, все
в большей степени начали использовать натурные испы-
тания всей конструкции,, например несущей плоскости
самолета, подвергая ее усталостным нагрузкам на спе-
циальных стендах.
.3.2.1.3.1. Зарождение усталостного излома
Усталостные изломы начинаются, как правило, вблизи
поверхности. Под действием циклической переменной
нагрузки, приобретающей на свободной поверхности
максимальные значения, образуются полосы локального
скольжения и обусловленные этим рельефные участки.
Различающиеся по направлению и плотности распреде-
ления следы скольжения прямо связаны с неоднород-
ностью структуры реальных металлов и сплавов [23].
При исследовании усталостного разрушения находят
53
Рис. 87. Аустенитная сталь
18 Сг-8 Ni, охрупченная за
счет алюминия, продиффун-
дировавшего в нее при
lll40oC. С помощью микро-
анализа алюминий был об-
наружен по всей поверхно-
сти разрушения. Морфологи-
чески поверхность излома
преимущественно состоит из
транскристаллитных фасеток
скола; видны также отдель-
ные «раскрытые» границы
зерен. Х550
Рис. 88. Скол с двойникова-.
нием в чугуне с шаровид-
ным графитом; видно локаль-
ное распространение излома
сверху справа вниз налево.
Это фиксируется по распо-
ложению двойников и по
многим новым направлениям
развития полос разрушения
при переходе к зерну, распо-
ложенному внизу слева. Еще
левее внизу виден вязкий
излом с ямочной структурой.
Х360Ю
54
Рис. 89. Скол в кованом
вольфрамовом прутке. Ром-
бовидные узоры структуры
несколько ниже середины
фотографии возникают вслед-
ствие пересечения фронта
излома с одновременно рас-
пространяющейся при хруп-
ком разрушении упругой вол-
ной. Эти явления, наблюдаю-
щиеся главным образом в
изломах стекла, представ-
ляют собой так называемые
линии Валлнера. На снимке
видна типичная структура
хрупкого излома. Х2100
Рис. 90. Разрушение сколом
в тантале; возникло в ре-
зультате воздействия водо-
рода. От некоторых границ
зерен заметно образование
большого числа новых на-
правлений (полос) скола.
XI100
55
Рис. 91. Скол в крупнозер-
нистом молибдене. Наиболее
крупные кристаллиты (на
снимке слева) транскри-
сталлитно раскололись. Из-
лом в области более мелких
зерен (на рисунке справа)
происходит по типу меж-
кристаллитного разрушения.
Х50
Рис. 9(2.
Рис. 93.
Листовой образец из тита-
нового сплава; после на-
грева на высокие темпера-
туры образец был извлечен
на воздух; охрупчивание
произошло в результате вза-
имодействия с кислородом.
XI00; Х900
56
Рис. 94.
Рис. 95.
Разрушение стальной трубы;
охрупчивание произошло
вследствие взаимодействия
с медным припоем. С по-
мощью специального фре-
зеровального инструмента
медь была нанесена на
внутреннюю поверхность
трубы. При последующем
автогенном нагреве медь
продиффундировала в мате-
риал трубы и разместилась
преимущественно по грани-
цам зерен. Охрупчивание
при этом было настолько
сильным, что разрушение
произошло при небольшой
механической нагрузке с об-
разованием межкристаллит-
ного излома. На рис. 94
(Х22) показана поверхность
излома с внутренней сторо-
ны трубы, на рис. 95
(Х500) — граница зерна и
расположившаяся вдоль нее
медь
хбого вида выступы (экструзии) и впадины (интру-
:и); они схематически представлены на рис. 104. Вы-
.гулы и впадины обнаруживают при изучении поверх-
- хти усталостного разрушения с помощью РЭМ, что
ч:волнительно подтверждает их связь с процессом об-
кования зародышевых трещин. Эти последние обычно
ззполагаются под углом примерно 45° к направлению
.стягивающего напряжения (первая стадия по Гросс-
зейтцу) [23].
Очевидно, эти 45-градусные трещины на разъединен-
ых поверхностях излома проявляются как узкая на-
зльная область. Их можно ошибочно принять за но-
чные механические повреждения. Следует также заме-
- .св. что в высокопрочных никелевых и кобальтовых
лавах, как исключение, по типу 45-градусных изло-
:з образуются уже не начальные,, а протяженные
' .льшие) области усталостных разрушений.
Хотя усталостные изломы могут начинаться и на со-
i-эшенно гладких полированных образцах, их возник-
зение, однако, в сильной степени облегчается при
наличии концентраторов напряжений на поверхности
(см. 3.3 «Дефекты поверхности»). Часто наблюдаемые
исходные точки образования начальных усталостных
трещин являются местами стесненной пластической! де-
формации в зоне концентрации напряжений: включения,
неровности от механической обработки, а также от
пескоструйной и дробеструйной очистки, надрывы, за-
каты, оспенная (точечная) коррозия, язвины, поры, за-
диры и локальные участки интенсивного изноёа. Кроме
того, следует обращать внимание на наличие участков
структуры с малой усталостной прочностью (например,
обезуглероженные зоны или ifi-феррит в хромистых ста-
лях).
3.2.1.3.2. Распространение трещины
при усталостном изломе
После образования трещины и ее начального распро-
странения под углом 45° чаще всего в области одного
или двух зерен, за стадией I следует стадия II, отве-
57
Рис. 96. Межкристаллитное
охрупчивание вследствие
диффузии меди с поверхно-
сти отверстия в сталь. По
границам зерен (середина
рисунка) с помощью энерго-
дисперсионного микроанали-
за была обнаружена медь.
Х2000
Рис. 97. Межкристаллитное
охрупчивание вследствие
проникновения серы при то-
чечной сварке в никелиро-
ванный слой очковой опра-
вы. При весьма малой ме-
ханической нагрузке произо-
шел межкристаллитный из-
лом
58
Рис. 98. Поверхность разру-
шения никелированного
стального изделия, сварен-
ного с Fe—iNi-сплавом ла-
зерной сваркой; видны меж-
кристаллитные трещины
вдоль столбчатых зерен. В
светлых местах обнаружен
фосфор, который, очевидно,
попал в сплав из химически
нанесенного никелевого по-
крытия, содержащего около
7% (по массе) Р. При на-
личии фосфора образуются
низкоплавкие пленки по гра-
дам зерен
Рис. 99. Обусловленное вы-
делениями по границам зе-
рен (карбиды титана) меж-
кристаллитное охрупчивание
изделия из мартенситноста-
реющей Ni-Co-Mo-стали, на
которое воздействовало мно-
гоосное напряженное состоя-
ние 29. Х2000
59
Рис. 10'0. При нанесении на
поверхность сплава уаспал-
лой капли серебряного при-
поя после выдержки в те-
чение 15 мин при 850°С про-
изошло разрушение под под-
поем. Поврежденные участ-
ки на фотографии (светлые)
состоят из серебра, которое
продиффундировало в мате-
риал и отложилось по гра-
ницам зерен. Х2200
Рис. 10'1.
Рис. 102.
Межкристаллитное разруше-
ние сознательно перегретой
шарикоподшипниковой стали
ЮОСгб по границам бывших
аустенитных зерен из-за вы-
деления карбидов. На обо-
их зернах справа особенно
наглядно видно расположе-
ние карбидов в виде свет-
лых выпуклых элементов
рельефа или в виде дырок,
•подобных проколам иголка-
ми. В данном случае кар-
биды были расположены на
обеих противоположных по-
верхностях разрушения. Кро-
ме того, тонкая карбидная
пленка может покрывать
весь периметр исходных аус-
тенитных зерен. Х600. На
нижнем рисунке признаки
развития хрупкого излома
проявляются в виде тонкой,
местами отслаивающейся
карбидной пленки по гра-
ницам зерен (черепичный
узор). Х2400
60
Рис. 103. Охрупчивание по
границам зерен за счет вы-
деления по ним карбидов
хрома; ролик подшипника
из шарикоподшипниковой
стали. В выделениях по
границам зерен обнаружено
повышенное содержание
хрома. Поэтому причиной
межкристаллитного охрупчи-
вания можно считать не-
благоприятное зерногранич-
ное расположение карбидов
хрома. Х&000
чающая распространению трещины (излома) перпенди-
кулярно к направлению напряжения [23] (рис. Ы5).
С каждым циклом нагружения трещина (излом) про-
двигается вперед на определенное расстояние. При этом
на поверхности разрушения остается последовательный
ряд полосок. Шмитт-Томас и Клингеле предложили на-
звать их усталостными бороздками [25]; в настоящее
время этот термин широко используется.
При макроскопическом рассмотрении распространения
трещины (излома) на II стадии обнаруживается харак-
терный узор [26]. Последний содержит усталостные бо-
роздки как на уже образовавшейся поверхности разру-
шения, так и на фронте’продвигающейся трещины при
переходе к области долома (последней стадии уста-
лостного разрушения). Расположенные параллельно ус-
талостные бороздки возникают главным образом вслед-
ствие циклического изменения нагрузки; степень четко-
сти их выявления определяется проникающей в излом
окружающей средой и связанным с этим последующим
образованием характерного налета (рис. L16).
Эпблетт и Пеллини сопоставили различные виды ус-
талостных изломов; при этом они проводили ряд попе-
речных разрезов (рис. 1!17 и 11'8). Для практики важ-
ным является определение магистрального направления
разрушения, которое можно установить на основании
тщательного анализа усталостных изломов. Зная маги-
стральное направление разрушения, можно целесообраз-
но отобрать образцы для микрофрактографических ис-
следований.
Пластическая деформация
при распространении усталостного излома
Усталостные изломы распространяются, как правило, в
сопровождении локальной микропластической деформа-
ции. При каждом цикле изменения нагрузки у верши-
ны трещины имеет место сильная, но весьма локальная
пластическая деформация; протекает она транскристал-
литно. Поликристаллический характер структуры опре-
деляет тот факт, что фронт разрушения претерпевает
локальное разделение — многократное ветвление. При
этом образуется большое число микроскопически види-
мых параллельно расположенных следов разрушения
[31J (рис. 1119).
Профиль отдельных усталостных бороздок зависит от
природы материала и от величины и характера нагруз-
ки. До настоящего времени еще не полностью решен,
вопрос о терминологии при описании различных бороз-
док. Наибольшее признание получила модель распрост-
ранения усталостной трещины по Лейрду и Смиту [27]
(рис. Г20). Согласно этой модели, усталостная бороздка
возникает вследствие последовательного расширения и
сжатия боковых поверхностей трещины. При расшире-
нии трещина продвигается, при двустороннем сжатии
пластически деформированный материал у вершины тре-
щины подвергается сплющиванию, которое впоследствии
проявляется в виде образования полосчатой структуры
(бороздок). Профиль усталостных бороздок (полосок)
изменяется в зависимости от величины нагрузки и способ-
61
Рис. 104. Схематическое
изображение образования
выпуклостей (экструзий) и
впадин (интрузий) в метал-
лических материалах, под-
вергнутых действию уста-
лостной нагрузки (по J. С.
Grosskreitz, ASTM STP 495,
1971)?
1 — экструзии; 2 — интрузии;
3 — поверхность; 4 — полосы
скольжения
Рис. 105. Следы экструзии,
образовавшейся на началь-
ной стадии развития уста-
лостного излома на поверх-
ности образца из сплава
AlCuMg2 после 10000 циклов
переменной нагрузки. Х3600
ности данного материала к пластическому течению. Име-
ет также значение ограничение двустороннего сжатия в
случаях, когда поверхности трещины будут опираться
друг на друга. Все сказанное позволяет сделать важное
заключение, что для скорости распространения трещи-
ны величина максимальной нагрузки имеет более важ-
ное значение, чем амплитуда нагружения.
Как и в случае разрушения под действием статиче-
ской нагрузки, при усталостном разрушении границы зе-
рен могут представлять собой путь минимального со-
противления распространению трещины (излома). В
сплаве инконель 718 при 6ЮО°С наряду с транскристал-
литными усталостными изломами были однозначно об-
наружены усталостные бороздки и в приграничных
объемах.
В начале разрушения почти на всей поверхности уста
лостного излома могут быть выявлены не искаженные
деформацией границы зерен. Только лишь непосредст-
венно перед разрушением, т. е. в области долома —
быстрого развития излома — на поверхности конечной
разрушения не выявляются границы зерен.
Усталостный излом распространяется также и межд^
границами дендритов.
Количественная оценка
усталостных полосок (бороздок)
Независимо от особенностей профиля усталостных по
лосок (бороздок) сами они являются ценным призна
ком, используемым в практической микрофрактографш
Усталостные полоски однозначно свидетельствуют о су
62
Рис. 106. Экструзии и интрузии (выпуклости и впадины) в отожженном мягком чистом никеле; они возникли в результате стес-
ненной пластической деформации при усталостном нагружении. Тонкие, одинаково ориентированные пакеты скольжения ог-
раничиваются отдельными зернами; напротив, экструзии и интрузии проходят через многие зерна
63
Рис. 1/08
Экструзии и интрузии на
поверхности листа из спла-
ва AlCuMg2, подвергнутого
импульсным испытаниям;
50 000 циклов нагружения.
X2000i
Рис. 107
64
Рис. 109. Ровные поверхно-
сти излома с полосами
скольжения на первой ста-
дии усталостного разруше-
ния кобальтового сплава со-
става, % (по массе): 0,5 С;
0|,5 Мп; 0,5 Si; 25 Gr; 10 Ni;
S W; 1,5 Fe. Усталостные
полоски (бороздки) на пер-
вой стадии не наблюдают-
ся. Х2000
Рис. НО. Первая стадия ус-
талостного разрушения спла-
ва инконель 713С. На ров-
ной поверхности отрыва за-
метны пересекающиеся сле-
ды линий скольжения. XM00
Зак. 304
65
Рис. Lid. Усталостное разрушение турбинной лопатки из никелевого сплава, начавшееся от наклонных ровных поверхно-
стей (I стадия) и в дальнейшем распространившееся в виде транскристаллитного усталостного излома (II стадия) (см.
рис. 1,10). Х260
66
Рис. 112. Коррозия, возник-
шая под воздействием горя-
чих газов, облегчившая ус-
талостное разрушение тур-
бинной лопатки из никеле-
вого сплава (нимоник 105).
Горячие газы оказали кор-
родирующее влияние на всю
поверхность сплава, но осо-
бенно на границы зерен. Это
послужило причиной быст-
рого развития усталостного
излома, который на началь-
ной стадии характеризуется
в случае никелевых сплавов
наличием типичных кристал-
лографических поверхностей
скола (стадия I). Дальней-
шее развитие межкристал-
литного излома не связано
с определенными кристалло-
графическими ориентировка-
ми. ХИ20
Рис. 113. Усталостное раз-
рушение никелевого сплава
при высоких температурах
эксплуатации; иллюстриру-
ется стадия I усталостного
излома.
Рис. 1<М. Никелевый литой
сплав (нимокаст 713V), под-
вергнутый воздействию
пульсирующей растягиваю-
щей нагрузки при высокой
температуре (от 0 до 0,2
кН,/мм2): стадия I усталост-
ного излома, типичная для
никелевых сплавов. Видны
поверхности скола и кри-
сталлографически ориенти-
рованный усталостный из-
лом. Х'52б
67
Зак. 30
Рис. 115. Схема распростра-
нения усталостного излома
на I и II стадиях (по Laird,
ASTM STP 4И5, 1967):
1 — экструзии, интрузии, по-
лосы скольжения
Рис. 1116. Усталостный из-
лом с бороздками, исходя-
щий от поры (дефекта),
расположенной внутри из-
делия. Х22
68
Рис. 117. Макроскопическое
рассмотрение усталостных
изломов (по Apblett u. Felli-
ni. — Weld. J. R. Suppl.,
1954)
Переменное кручение
Высокое номинальное напряжение Низкое номинальное напряжение
Гладкий образец С надрезом Гладкий образец Снадрезом
Рис. 118. Различные виды
поверхностей усталостного
разрушения (светлые участ-
ки) и поверхностей долома
темные участки); влияние
номинального напряжения и
формы образцов. Линии ри-
сунка внутри образца ука-
зывают на направления рас-
пространения трещин; эти
линии параллельны макро-
скопическим следам разру-
шения. Для образцов с над-
резом известен, кроме того,
ряд других видов усталост-
ных разрушений, имеющих в
ряде случаев частичный ха-
рактер, но при распростра-
нении трещины возможно
гласное уменьшение попе-
речного сечения. Искривлен-
ные линии указывают на
распространение фронта из-
-трма (по Metals Handbook,
•• 9, Ohio, USA, 1974, S. 43)
69
Рис. 119. Усталостный излом:
I — макроскопическое направление распространения излома;
II — вторичные трещины; III — усталостные бороздки; 1—13 —
полосы разрушения
Рис. 120. Распространение усталостного разрушения на ста-
дии II. Участки, обозначенные двойными стрелками (в) и (г),
указывают, что возникающие полосы скольжения имеют боль-
шую ширину, характерную для этой стадии. Ось главных на-
пряжений расположена вертикально (по .Laird, ASTM STP 41,5,
1907):
а — ненагруженное состояние; б — небольшая растягивающая
нагрузка; в — максимальная нагрузка; в — максимальная рас-
тягивающая нагрузка; г — небольшая сжимающая нагрузка;
д— максимальная сжимающая нагрузка; е — небольшая рас-
тягивающая нагрузка
Рис. 1'21. Расчет числа циклов нагружения при распростране-
нии усталостного излома
шествовании усталостного разрушения и во многих слу-
чаях их размеры (и профиль) могут быть обработаны
количественно. Из данных о ширине полосок (бороздок)
в отдельных местах поверхности разрушения и по их
числу можно путем экстраполяции получить информа-
цию об общем числе циклов нагружения. К сожалению,
у большинства сталей с ферритной матрицей усталост-
ные полоски четко формируются только в небольших
областях поверхности разрушения. Напротив, в аусте-
нитных сталях и в никелевых и алюминиевых сплавах,
т. е. в случае г. ц. к. решетки,, усталостные бороздки
обнаруживаются очень отчетливо и распространяются
на большие области поверхности разрушения. При ко-
личественной обработке усталостных полосок (бороз-
док) необходимо учитывать следующее:
а) инкубационный период развития усталостного раз-
рушения, т. е. стадия I, практически не оставляет ус-
талостных бороздок (полосок);
б) возможны случаи, когда усталостное разрушение
продвигается вперед столь «малыми шагами»,, что они
не проявляются в виде четких бороздок. Это относит-
ся к случаю, когда шаг продвижения усталостной тре-
щины по порядку величины соответствует параметру
решетки, т. е. лежит в области нанометров. К этому
следует добавить, что с помощью РЭМ можно разли-
чить полоски шириной только более 1'0 нм (см. рис. 127,
ширина полосок 10*0 нм); по этой причине, как и в
случае а), фиксируемое на поверхности разрушения
число перенесенных циклов нагружения является мини-
мальным из возможно определяемых (т. е. занижен-
ным) ;
в) ширина полосок колеблется в зависимости от ха-
рактера структуры; поэтому число мест измерения (ста-
тистика) должно быть велико;
г) невозможно проследить за усталостными борозд-
ками (полосками) с начала до конца поверхности раз-
рушения без пропусков. Это связано с наличием в по-
ликристаллической структуре металла различных пре-
пятствий для распространения разрушения. В этих слу-
чаях определенное по числу бороздок число циклов на-
гружения оказывается слишком завышенным;
д) оценка усталостных бороздок (полосок) может
быть произведена непосредственно на экране РЭМ. Для
этого бороздки (полоски) устанавливают поперек на-
правления потока электронов. С помощью микрометри-
ческого винта в устройстве для продвижения образца
находят фиксированное определенное место исследова-
ния на поверхности разрушения. Подсчитывают возмож-
но большее число следующих одна за другой бороздок
(полосок) п, измеряют относящееся к ним рассто-
яние L (в миллиметрах) в направлении распростране-
ния трещины и отмечают увеличение V. Отсюда полу-
чают скорость распространения трещины nVIL непо-
средственно как отношение число переменных циклов
нагружения'продвижение излома в миллиметрах.
Если бы можно было измерить все бороздки, то мож-
но было бы составить представление о распространении
разрушения по поперечному сечению, а также об общем
числе «перенесенных» при распространении излома цик-
лов изменения нагрузки (рис. ,1121;).
Если усталостные бороздки (полоски) плохо сформи-
рованы или деструктированы под влиянием различных
сопутствующих разрушению факторов, то усталостный
излом можно также идентифицировать при изучении
направления распространения вторичных трещин. По-
следние образуются параллельно усталостным борозд-
кам (полоскам). Они особенно хорошо видны на конеч-
ной стадии усталостного разрушения, т. е. при высо-
ких скоростях распространения трещин в зоне долома.
Ширина усталостных бороздок (полосок) зависит от
локального максимального напряжения и амплитуды
70
напряжения. Поэтому при разрушении в производствен-
ных (эксплуатационных) условиях бороздки в началь-
ной области разрушения в большинстве случаев уже,
чем в конечной, так как с уменьшением поперечного
сечения изделия максимальное напряжение у вершины
трещины увеличивается. Однако имеют место случаи,
когда с продвижением трещины напряжение умень-
шается и благодаря этому полоски становятся уже. Та-
кая ситуация бывает при определенной конструкции
детали.
Неравномерность по ширине усталостных бороздок
может быть следствием периодического изменения на-
грузки. Если максимальная нагрузка остается постоян-
ной и изменяется только амплитуда, то ширина бороз-
док изменяется закономерно в соответствии с новой
амплитудой.
Если нагрузка периодически возрастает при постоян-
ной амплитуде, то первое изменение нагрузки обуслов-
ливает особенно широкую полоску.
Если нагрузка при постоянной амплитуде периодиче-
ски падает, то полоски уже, чем в случае периодически
увеличивающейся нагрузки.
Хрупкое распространение усталостного излома
Транскристаллитное распространение разрушения. В ред-
ких случаях усталостный излом проходит по кристалло-
графическим плоскостям. Усталостные полоски (борозд-
ки) образуются в этом случае за счет последователь-
ных сколов в вершине трещины и последующего рас-
ширения трещины при увеличении концентрации
напряжений.
Характерным для этого вида излома является вееро-
образное распространение следов разрушения (а не в
виде параллельных полосок-бороздок) и малое различие
по высоте этих следов в пределах зерна (рис. 138).
Хрупкие транскристаллитные усталостные изломы обыч-
но наблюдаются в высокопрочных алюминиевых спла-
вах, в титановых отливках, на нелегированном стальном
литье, на чугуне с шаровидным графитом и в листах
магнитных железокремнистых сплавов. Согласно Якоби
[26], хрупкий усталостный излом преимущественно
имеет место при малых частотах смены циклов нагру-
жения.
Особый вид хрупкого усталостного разрушения на-
блюдается в сталях со структурой пластинчатого пер-
лита. Перлит можно представить как композиционный
материал, состоящий из хрупких пластинок карбидов и
пластичных прослоек феррита. При разрушении под
действием статической нагрузки характер поверхности
разрушения определяется пластичным ферритом, на ней
вилны соответствующие ямки; напротив, при усталост-
ном разрушении прослойки феррита на поверхности
разрушения проявляются в виде хрупких ступенек. Це-
ментит располагается подобно наполнителю между ними
и на поверхности разрушения не проявляет собствен-
ных структурных признаков. Когда усталостный излом
проходит через ферритные прослойки, он оставляет
после себя маленькие ступенчатые дорожки. С помощью
рассмотренных признаков усталостного излома перлит-
ной стали можно описать также и структуру усталост-
ного излома перлитного серого чугуна для случая, ког-
Рис. 1.22. Вязкое усталостное
разрушение с ярко выра-
женными усталостными бо-
роздками и четко обнару-
живаемым направлением
распространения усталост-
ного излома; крепежный
болт из аустенитной стали
(18% Сг, 8% Ni). ХКЮО
71
Рис. 123. Устжлотмв бо-
роздки и
параллельно им жтссжчЕле
трещины (в ЕЕХзаьляэзЕ!
распространения жзлошл ^ех,-
зу вверх) в устал остеом из-
ломе образца из нихедкзс-
го сплава инконель Г:?,
испытанного при комнат-
ной температуре
Рис. 124. Поверхность раз-
рушения плоских алюмини-
евых образцов (материал
3,1354—Т351) после усталост-
ных испытаний, проведен-
ных параллельно с тренаж-
ными испытаниями крыльев
самолета. В центре видна
зона с усталостными бо-
роздками. Последние обра-
зовались после 45 ццклов
знакопеременной нагрузки с
высокой амплитудой. Зо-
на в нижней части снимка
относится к циклам с более
низкой амплитудой. Обра-
щает на себя внимание чет-
кое разграничение, соответ-
ствующее первому повыше-
нию переменной нагрузки
72
Рис. 1125. Усталостный излом
на II стадии; образец из
стали X2CrNiCol3.85; изгиб
при кручении. Отчетливо
видны усталостные борозд-
ки шириной около 0,1. мкм;
в начальной области уста-
лостного разрушения (ста-
дия I) бороздки обнаруже-
ны не были. ХЮ 0001
Рис. 126
Рис. 127
Усталостное разрушение уг-
леродистой стали 45; излом
распространился вдоль мно-
гих направлений (на ри-
сунках — снизу вверх). По-
перек к направлению рас-
пространения излома распо-
ложены усталостные • бо-
роздки и вторичные трещи-
ны. Х2Ю0; ХЮ 500
73
Рис. 128. Кристаллографиче-
ски ориентированные уста-
лостные бороздки, образо-
вавшиеся на II стадии раз-
вития усталостного излома;
образцы никелевого сплава
инконель 718, испытанные
при 600°С. Х2200
Рис. 129. Изменение направ-
ления (на рисунке направо
вверх) распространения
кристаллографически ори-
ентированного излома (ста-
дия II) на границе зерна при
усталостном разрушении об-
разцов никелевого сплава
нимоник 80., испытанных при
6KMFC. Х2200
74
Рис. 130
Рис. 131
Транскристаллитное уста-
лостное разрушение по осно-
ванию турбинной лопатки
из никелевого сплава нимо-
ник 106. Излом на стадии
II распространяется с сохра-
нением четких направлений
разрушения (на обеих фо-
тографиях снизу вверх). Эти
направления лежат, одна-
ко, в различных плоскостях.
Частично (особенно на
рис. ИЗО) направления рас-
пространения излома ^ори-
ентируются по кристалло-
графическим плоскостям.
На этой же фотографии
видна ямочная структура
долома. XI150; Х1200
75
Рис. 132
Рис. 133
Усталостный излом в нике-
левом сплаве инконель 718,
возникший под действием
низкочастотной знакопере-
менной нагрузки. Излом
распространился частично
как межкристаллитный ж
оставил за собой усталост-
ные бороздки на граттхжк
зерен (в приграничных
емах). Х2200; XII ЭОС
Рис. 134. Усталостное разрушение при испытаниях образцов из никелевого сплава Нимоник 80А, подвергнутого изгибу
при кручении при 650°С; излом распространился широким фронтом как транскристаллитный с четкими усталостными бо-
роздками (стадия II). На фотографии они идут снизу вверх.Х2500
77
Рис. 135. То же, что на
рис. 134. Х550
Рис. 136. Усталостное разру-
шение образцов из никеле-
вого сплава при 800рС. За
усталостным изломом (ста-
дия II) с четкими усталост-
ными бороздками следует
долом под действием стати-
ческой нагрузки (верхняя
часть фотографии). Х2000
78
Рис. 137. Ускоренное уста-
лостное разрушение лопат-
ки турбины из сплава Ни-
моник 105 под воздействием
горячих газов. На началь-
ной стадии усталостный из-
лом кристаллографически
ориентируется по поверхно-
стям скола (стадия I), а на
стадии II распространяется
неориентированно. На по-
верхностях усталостных бо-
роздок видны продукты
окисления. Х2000
Рис. 138. Схема распространения хрупкого усталостного разру-
шения железа [’24]:
1 — направление продвижения излома
да пластинки графита не занимают всего объема, а
имеются протяженные участки перлитной структуры и
излом проходит частично через эти перлитные участки
(рис. 139).
Межкристаллитное распространение излома. В слу-
чаях, когда металл или сплав разрушается при одно-
разовой растягивающей нагрузке межкристаллитно,
пдоль охрупченных границ зерен, то и при циклической
нагрузке можно также ожидать появления межкристал-
литного усталостного разрушения. Однако обнаружить
изломы этого вида весьма трудно. При наличии цемен-
тованного слоя межкристаллитный усталостный излом
может быть установлен однозначно. При этом пластич-
ная сердцевина имеет вязкий усталостный излом (см.
рис. 149 и 150).
3.2.2. Изломы,
образующиеся при совместном воздействии
механической нагрузки
и химически активной среды
3.2.2.1. Коррозионное растрескивание
Коррозионное растрескивание возникает в металлах и
сплавах только в том случае,, когда одновременно дей-
79
Рис. )139. Хрупкий усталостный излом (а, б) и вязкий излом под действием статической нагрузки в перли*
темные толстые пластинки — феррит; светлые тонкие пластинки — цементит
Рис. 14.0. Хрупкий усталост-
ный излом в чугуне с шаро-
видным графитом. В низко-
легированных сплавах желе-
за в редких случаях уста-
лостный излом распростра-
няется также по плоскости
скола. Усталостные борозд-
ки разделены короткими
ступеньками скола. ХЮОО
ствуют три фактора: неблагоприятное определенное
структурное состояние материала; особая (специфиче-
ская) коррозионная среда; растягивающие напряжения.
Различные случаи сочетания этих факторов приведены
на рис. 151.
Известны случаи транскристаллитных и межкристал-
литных квазихрупких коррозионных разрушений при
малой сопутствующей пластической деформации обычно
пластичных материалов, причем без образования мак-
роскопически видимых продуктов коррозии. Процессы,
происходящие при возникновении и распространении
коррозионного растрескивания, полностью не ясны до
настоящего времени. Представляется достоверным, од-
нако, что возникшие вследствие деформации дефекты
кристаллического строения группируются на поверхно-
сти металла и являются местами зарождения коррози-
онного растрескивания.
Такими местами могут быть крупные ступеньки сколь-
жения на поверхности (рис. 152 и 153), возникшие на
протяженной стадии легкого скольжения, когда, напри-
мер, из-за широких дефектов упаковки в сплавах с
г.ц.к. решеткой или из-за группировок вакансий, со-
80
Рис. 141
Рис. 142
Хрупкий усталостный излом
сколом; испытания при
комнатной температуре лис-
товых образцов из электро-
технической стали толщиной
1 мм. Излом распространя-
ется (по фотографиям) сни-
зу вверх. Вверху усталост-
ный излом (см. рис. 142)
изменяет свое направление
и разделяется на многие
отдельные поверхности. Ха-
рактерным для хрупкого ус-
талостного излома является
отмеченное также в верх-
ней половине фотографии
его веерообразное распрост-
ранение. Х55; ХПОО
81
Рис. 143. Хрупкий усталост-
ный излом литого титано-
вого сплава. ХбООО
Рис. 144
Рис. 145
Усталостный излом., образо-
вавшийся при циклической
нагрузке в перлитном чугу-
не (GGL 26). Утолщенные
ферритные ламели в перли-
те при хрупком изломе пре-
терпели полный отрыв. Ши-
рокие усталостные борозд-
ки свидетельствуют о том,
что излом' протекал снизу
слева направо вверх, т. е.
почти параллельно феррит-
ным ламелям. Более тонкие
карбидные ламели, распо-
ложенные между ламелями
феррита, собственных струк-
турных признаков усталост-
ного разрушения не обнару-
живают. ХЮ ООО; Х2000
82
Рис. 146
Рис. 147
Рис. 148
Усталостный излом в пер-
литном чугуне GGL 26 с
пластинчатым! графитом.
Доминируют хрупко разру-
шенные ламели феррита в
перлите, образующие сту-
пеньки и террасы. Более
тонкие ламели карбидов
расположены между ними
как наполнители и не имеют
собственной структуры раз-
рушения. Если излом про-
ходит поперек ламелей фер-
рита, то он оставляет не-
большие ступенчатые следы
скола (рис. 148). Направле-
ния распространения изло-
ма: на рис. 146—сверху
справа налево вниз; на рис.
147 и 148 — сверху слева на-
право вниз. Х2Ю0; ХЮ 500;
Х2;1 ООО
83
Рис. 149
Рис. 150
Транскриста ллитный уста-
лостный излом (виден спра-
ва на нижней фотографии),
который произошел в центре
зуба редуктора; зубчатое
колесо из стали 16 МпСгб.
Излом распространился в
цементованном слое толщи-
ной 0,8 мм как межкрис-
таллитный (слева на фото-
графии). Внизу слева на
фотографии в плоскости
границы зерна видны очень
слабые линии распростране-
ния излома. Х55О; Х22ОТ
84
Среды, вызывающие коррозионное растрескивание
Коррозионная среда 1 24 5 6 7 8 91011 1213141516 1718192021 2526 Коррозионная среда 1 2 4 5 6 7 8 91011 1213141516 1718192021 2526
Уксусная кислота + соли ртути Алкиларилсульфонаты хлорид алюминия Сульфат алюминия । Аммиак • • • • • • • • • • • Фторосиликат магния Сульфат магния хлорид марганца Хлорид ртути Цианид ртути • • • • • • • • • • • • • • •
' 'идрофосфат аммония . хлорид аммония Фторосиликат аммония Водный рост бор аммиака нитрат аммония • • • • • ’ • • • • Нитрат ртути нитрат pmymu(I) Ртуть металлиламин метанол ® • ° • ® ® • • • •
Анилин хлорид Карая Нитрат бария висмут I Бромид кальция ® • • • • • • • Моноэтаноламин Дистиллят нефти нафтеновые кислоты Хлорид никеля нитрат никеля • • • •
। Хлорид кальция J нитрат кальция "етрахлорид углерода s хлор ( хлоранилинь/ • • • • • • • Дзот на я кислота лентахлорэтан Лерхлорэтилен Фосфорная кислота Фосфорная кислота (аэрированная) ® • • • ® © •
Хлорбензол хлороформ Хлористый толуидин хромовая кислота ’ Аммиакат меди • • • • • • • • Политионовая кислота карбонат калия Хлорид калия хромат калия гидроксид калия • • ® • • • ® •
Крезол „ . пары крезоловой кислоты циан дихлорфенол Эпихлоргидрин • • • • • • • Перманганат калия Нитрат серебра Алюминат натрия Гидросульфат натрия Гидросульфит натрия • • ® • • • • •
Этанол Этиламин Этилхлорид хлорид железа (Ш) хлорид железа (Д) • • • • • • • • • Карбонат натрия хлорид натрия Фторид натрия Гидроксид натрия нитрат натрия ® » ® • 9 в 9 ® е э ® • ® • * © •
Фторокремниевая кислота чары газолина Глутаминовая кислота ~лицерин ^ексахлорэтан • • • ® • • • • • • Фосфат натрия (трехзамещенный) Сульфат натрия Сульфид натрия Водяной пар Лар геотермальный (аэрированный) ф « © ® • • •
Соляная к ислцта (аэрированная} циановодородная кислота + -циановодород ~ пары плавиковой кислоты тавиковая кислота (аэрированная) Плавиковая кислота (вез воздуха) • • • • • • • • Нитрат стронция Насыщенный раствор сульфатов Купоросное масло Сера Серная кислота • ® • • • •
Водороду i лоро водород, сероводород (влажный) *цетат свинца 5ром ид свинца • • • • • • • Серная кислота + хлор Сернистая кислота Толуол Триэтаноламин триметиламин • ® • • • • •
Левулиновая кислота Литий хлорид лития хлорид магния хлорид магния + - хлорид кальция • ® ® • ® • • • • • • • • • • Уранил сульфат , вода+сероводород * +легкие углеводороды Хлорид цинка Фторосиликат цинка 9 • © • •
Рис. 151. Таблицы по Хамнеру (Corrosion Data Survey.
Houston; NACE 1974):
7—4 — ферритные сплавы (/ — серый чугун; 2 — никеле-
вый чугун; 3 — кремнистый чугун; 4 — углеродистые
стали); 5—7 — нержавеющие аустенитные стали (5—302:
18Cr-8Ni; 304: 18Cr-9Ni; 321: 18Cr-9Ni-Ti; 347: 18Cr-
9Ni-iNb; 5 — 316: 18Cr-10Ni-2Mo; 317: 18Cr-13Ni-4Mo; 7 —
ACICN-20: 26—15Ni литые; 20Cr-30Ni); 8 — нержавеющие
мартенситностареющие стали — 405: 13Сг-0,1А1; 9—12 —
медные сплавы (9 —медь 85-99,9; латунь 70-80Cu4-Zn
или РЬ; 11 — латунь 59-93Cu+Al, Zn или As; 12 — мед-
ноникелевые 66-68:11-33); 13—16 — сплавы на основе
никеля (13 — Ni99; /4 — 66-32; 15 — Ni-Cr-Fe 76-16-7;
16 — Ni-Fe-Сг 32-47-20; 17 — Ni-Mo 62-284-Fe, V; 18 —
Ni-Cr-Mo 54-15-16); 19—26 — различные металлы и спла-
вы (19 — Al; 20 — Au; 21 — Pb; 22 — Pt; 23 — Ag; 24 —
Ta; 25 — Ti; 26 — Zr)
Рис. 152. Кристаллографи-
чески ориентированные пач-
ки и ступеньки скольжения
на растянутой стороне со-
гнутого мельхиорового лис-
та. При воздействии на этот
материал раствора азотно-
кислой ртути возникает
коррозионное растрескива-
ние. Х2000
85
2
Рис. 153. Разрыв покровного
слоя в начальный период
коррозионного растрески-
вания:
а — транскриста,ллитное об-
разование трещины; б —
межкристаллитное образо-
вание трещины; / — полосы
скольжения; 2 — покровный
слой
Рис. 1'54. Схема возникновения и развития коррозионного растрескивания при разрыве поверхност-
ных пленок (а —г) [см. 20, S. 401]. Смена процессов нарастания реакционного слоя за счет кор-
розии и его разрушения в результате пластической деформации на боковых поверхностях трещины
приводит к скачкообразному развитию разрушения:
1 — покровный слой; 2 — полосы скольжения; А — развитие трещины в результате разрушения по-
верхностного слоя; В — развитие трещины вследствие пластической деформации
зданных облучением, сдерживается и,/или затрудняется
развитие множественного скольжения. Этими местами
могут быть также и выходы на поверхность границ зе-
рен, обогащенных примесями и/или выделениями (кар-
биды, нитриды в a-железе с о.ц.к; решеткой).
Во всех этих случаях такие места на поверхности
приводят к нарушению пассивирующего слоя (рис. 153
и 1М).
При одновременном (с нагружением) воздействии
специального электролита на свежих образовавшихся
при зародышевом разрушении металлических поверхно-
стях может начаться процесс анодного электрохимиче-
ского растворения. Следствием этого является спонтан-
ное распространение квазихрупкой трещины, приводя-
щее к разрушению сколом или межкристаллитным от-
г .г.Еом. Такая трещина может либо мгновенно («еп rou-
te») пройти все поперечное сечение, либо распростра^
няться скачкообразно, оставляя за собой на картин^
излома нерегулярные «метки».
Как было сказано, механизм охрупчивания за счг!
воздействия окружающей среды до настоящего врема
ни удовлетворительного объяснения не имеет. Плоский
сколообразные поверхности отрыва доказывают, однако
что процесс охватывает только несколько атомных ела
ев. Отсюда следует, что действие электролита так:*]
ограничено небольшим числом атомов у вершины тра
щины, где происходит нарушение металлической ме/d
атомной связи (гипотеза адсорбционно-хрупкого изл<м
ма). Это также, очевидно, относится и к границам за
рен; на протяженных приграничных поверхностях ня
обнаруживается следов остаточной пластической де
формации.
86
Рис. 155. Транскристаллит-
ное коррозионное растрес-
кивание в сварном соедине-
нии стали с ферритной
структурой: присадочный
материал — углеродистая
сталь высокой чистоты. Кор-
розия вызвана водным рас-
твором NaOH. Этот вид раз-
рушения наблюдается в уг-
леродистых сталях , высокой
чистоты под действием рас-
твора NaOH; данное по-
вреждение возникло в ре-
зультате испарения котло-
вой воды в конструкцион-
ном зазоре. Х2Ю0
Рис. 156. Межкристаллитное
коррозионное растрескива-
ние трубы из углеродистой
стали St 35.8 под действием
влажного пара при избы-
точном давлении 32 ат; вли-
яние NaOH, находящегося
в паровой фазе. На фото-
графии видны покрытые маг-
нетитовой окалиной первич-
ные межкристаллитные от-
рывы. После удаления отло-
жений на границах зерен
можно различить признаки
распространения разруше-
ния. X55O0I
87
Рис. 157. Межкристаллитное
коррозионное растрескива-
ние легированной Cr-Ni-Mo-
стали; видны следы разви-
тия разрушения по грани-
цам зерен. Х5300
Рис. 158. Коррозионное рас-
трескивание листа из угле-
родистой стали в 34,7%-ном
растворе CafNOsh при 80°С;
нагретый окисляющий рас-
твор привел к образованию
на поверхности разрушения
слоя м'агнетитовой окалины,
являющейся катодом. В тре-
щины этого слоя может про-
никать анодный раствор.
Дальнейшее трещинообразо-
вание происходит межкрис-
таллитно. На рисунке вид-
ны отдельные зерна с не-
четкой структурой на по-
верхности. Х2100
88
Рис. 159
Рис; 160
Рис. 161
Разрушение капиллярной
трубки из электротехниче-
ской меди в результате меж-
кристаллитного коррозион-
ного растрескивания. На
нижнем рисунке можно раз-
личить линии, указывающие
на развитие излома. Х100;
Х500; Х2ОО0
89
Рис. 162. Межкристаллит-
ное коррозионное растрес-
кивание в упрочненном
дисперсионным твердени-
ем алюминиевом сплаве
AlZnMgCuO,5. Коррозия про-
изошла из-за неправильного
хранения во влажной атмо-
сфере. ХбООО
Рис. 1|6'3
Рис. 164
Коррозионное растрескива-
ние аустенитной стали
XlOCrNiMoTilS.lO;, вызван-
ное воздействием раствора
MgCl2 при температуре вы-
ше 100®C. Наблюдаются
транскристаллитные отрывы,
а также перистые структуры
и плоские поверхности ско-
ла при изломе. Х5500; Х2<2'00
90
Рис. 165. Коррозионное рас-
трескивание аустенитной
стали (18i% Сг; 9% Ni), вы-
званное воздействием горя-
чего раствора MgCl2. Ти-
пичный ход развития перис-
того транскристаллитного
излома. Х2100
Рис. 166. Коррозионное рас-
трескивание аустенитной
стали XlOfCnNiTi 18.9, вы-
званное воздействием га-
за, содержащего H2S и ионы
С1, при температуре выше
1О0°С и избыточном давле-
нии 40 ат. Наряду с пери-
стой структурой в изломе
наблюдаются четкие плоские
поверхности скола. Направ-
ление распространения раз-
рушения на фотографии:
снизу вверх. Х600
91
Рис. 167. Поверхность раз-
рушения проволоки из а-ла-
туни под влиянием! атмо-
сферы, содержащей амми-
ак, имеет вид хрупкого пе-
ристого излома, соответ-
ствующего транскристал-
литному коррозионному рас-
трескиванию. Х2200
Рис. 163. Коррозионное рас-
трескивание магниевого
сплава MgA19Znl в резуль-
тате воздействия водного
раствора ионов (СгО4)2-.
Х2500
92
Рис. 169. Коррозионное рас-
трескивание в (а+Р)-латуни
(Ms60Pb), вызванное воз-
действием аммиака. Наряду
с транскристаллитным хруп-
ким изломом с перистой
структурой на поверхности
разрушения присутствуют
фасетки межкристаллитного
отрыва. Поры образовались
вокруг включений свинца.
Х22ОО
Рис. 170
Рис. 171
Коррозионное растрескива-
ние сплава AlZnMg3 под
воздействием солянокисло-
го раствора хромата. Из-
лом преимущественно меж-
кристаллитный (на фотогра-
фии идет снизу вверх); вид-
ны 'характерные признаки
в виде «меток». Транс-
кристаллитные зоны излома
характеризуются перистой
структурой. XI60; XI600
93
Рис. 172. Коррозионное рас-
трескивание аустенитной
стали (инкаллой 800 ; 32%
Ni; 20% Сг) под воздействи-
ем неочищенной котловой
воды, содержащей хлориды
и сульфиды. Характерный
признак — транскристаллит-
ный скол. Х2800
Доля межкристаллитного излома, %
Интенсидность напряжений дн, мн-м~%
Рис. 173. Влияние величины
амплитуды интенсивности
напряжения на долю меж-
кристаллитного излома на
поверхности усталостного
разрушения при коррозион-
ном растрескивании упроч-
ненных (в том числе мар-
тенситных) сталей (Speidel
М. О. Bruchuntersuchung и.
Schadensklarung, Diskussion-
stagung, Allianz, Mflnchen)
Рис. 174. Усталостное корро-
зионное растрескивание ау-
стенитной стали (17% Сг;
15% Ni; 4,3% Мо) в щелоч-
ном растворе хлорида свин-
ца (рН=2). Малопластич-
ный излом; видны гладкие
кристаллографически ори-
ентированные поверхности.
Излом при своем распрост-
ранении оставил располо-
женные в направлении спра-
ва снизу налево вверх дуго-
образные усталостные бо-
роздки. X1500
94
3.2.2.2. Усталостное
коррозионное растрескивание
(коррозионная усталость)
Под коррозионной усталостью понимают совместное
действие усталостной нагрузки и коррозии, в результате
чего возникают опасные трещины, происходит распро-
странение их и разрушение. Механизм такого разруше-
ния определяется начальным образованием экструзий
и интрузий на поверхности (стр. 57—62). В этих местах
покровный (защитный, пассивный и т. п.) слой разру-
шается и может произойти локальное электрохимиче-
ское воздействие. Последнее приводит к образованию
микроскопически тонких первичных зародышей разру-
шения. В дальнейшем в результате постоянного хими-
ческого воздействия и циклического нагружения проис-
ходит усталостный излом. В этих условиях для всех ме-
таллов и металлических сплавов не удается зафиксиро-
вать существования предела усталости. Кривая Велле-
ра не обнаруживает перегиба и выхода на горизон-
тальный участок, поскольку уже очень малые по вели-
чине нормальные напряжения приводят к спонтанному
распространению разрушения. Напряжения сжатия та-
кого влияния не оказывают.
Для сталей с ферритной матрицей (в том числе для
делегированных углеродистых сталей) усталостное кор-
розионное растрескивание (УКР) в водосодержащей
окружающей среде проявляется в частичном появлении
на поверхности разрушения фасеток, характерных для
межкристаллитного излома (излом идет по границам
рывших зерен аустенита). Это особенно четко проявля-
ется на 13% -ной хромистой нержавеющей стали. Доля
межкристаллитного излома зависит от интенсивности
напряжения (рис. 173). Она максимальна при средних
интенсивностях напряжения, а при высоких значениях
интенсивности напряжения снова падает (т. е., как пра-
вило, в зоне долома).
Условия для возникновения УКР — те же, что и для
бычного' коррозионного растрескивания.
Важным фактором, влияющим на процесс УКР, яв-
ляется определенное соотношение между химическим
воздействием среды и степенью развития локальных
деформаций. Коррозия сдвигает велеровскую кривую
в сторону более низких значений напряжений и числа
циклов нагружения. Возникновение разрушения облег-
ается, и инкубационный период для развития усталост-
ного излома укорачивается.
Так как процесс коррозии развивается во времени, то
• число циклов нагружения до разрушения при коррози-
йной усталости становится частотно-зависимой величи-
-:ой. Поскольку химическое воздействие требует извест-
-:ого времени, влияние коррозии тем больше, чем меньше
шстота смен циклов.
Увеличение напряжения влияет в направлении умень-
шения числа циклов до разрушения; при этом, хотя и
меньшается влияние химического воздействия, ограни-
-енная выносливость мала. В микроскопическом мас-
штабе это означает, что между большими шагами
ркачками) продвижения трещины разрушения за счет
действия механических сил находятся относительно не-
шльшие участки, где разрушение произошло из-за хи-
мического воздействия. При более низких напряжениях
^условленное механическими силами продвижение тре-
шины разрушения существенно меньше, в то время как
имическое воздействие остается неизменным.
Признаки усталостного излома, описанные выше (бо-
роздки, зона долома и т. п.)> четко проявляются при
высоких частотах циклического нагружения и при ма-
7 эм воздействии химического агента. Отсюда следует,
то усталостное коррозионное растрескивание наиболее
етко проявляется при низких частотах и низких на-
эузках.
3.2.2.3. Разрушение под влиянием водорода
Источники поступления водорода
Под влиянием растворенного водорода (в железе в
среднем .1;0-5% при 20°С) металлы могут настолько ох-
рупчиваться, что уже при приложении малого растя-
гивающего напряжения образуются трещины. В каче-
стве источников поступления водорода следует упомя-
нуть термическую диссоциацию воды при металлурги-
ческих процессах (литье, сварка); диссоциацию (прояв-
ляющуюся по разным причинам) окружающих металл
газов; травление; коррозию; гальванические процессы;
ионную бомбардировку (рис. 184).
Растворимость и диффузия водорода
При металлургических процессах, происходящих при
высокой температуре, водород растворяется и при быст-
ром охлаждении принудительно остается в решетке (со-
стояние пересыщения). В железе он растворяется эн-
дотермически, т. е. имеет максимальную растворимость
в расплаве; с понижением температуры растворимость
водорода падает.
При других перечисленных выше (см. рис. 1(84) про-
цессах водород образуется вне изделия и проявляет
свое вредное влияние на свойства только тогда, когда
он диффундирует в металл или сплав.
Водород диффундирует в решетку металла в виде
атома или протона. Сероводород, сульфиды, мышьяк,
селен и фосфор являются катализаторами процесса
растворения водорода в металлах. При диффузии водо-
рода извне границы зерен оказываются наиболее бла-
гоприятными путями диффузии; они тем самым вно-
сят преимущественный вклад в охрупчивание. Другими
благоприятными путями проникновения водорода явля-
ются также поры и определенные неметаллические
включения (рис. 185).
Охрупчивающее воздействие водорода на сталь
Охрупчивающее влияние водорода определяется тем,
что он внедряется между атомами кристаллической ре-
шетки и искажает ее. Кроме того, водород активно-
взаимодействует с дислокациями. Результатом обеих
этих ситуаций является уменьшение подвижности дисло-
каций и затруднение развития локальной деформации,
в частности деформации, способствующей релаксации
опасных напряжений, возникающих у вершины трещи-
ны. Водород преимущественно скапливается в уже «по-
врежденных» объемах, например в местах скоплений
дислокаций в закаленных или холоднодеформированных
сталях. В сталях с ферритной матрицей охрупчивание
наблюдается только при относительно малой скорости
деформации и только в области температур от —70 до
-j-li40pC. Отсутствие охрупчивания выше 14С°С можно
объяснить выделением водорода из стали и тем са-
мым «удалением» протонов с дислокаций, так что дви-
жение последних при нагружении происходит беспре-
пятственно, что обеспечивает протекание релаксирую-
щей деформации.
Ниже —ЖС вследствие малой скорости диффузии
водород не блокирует дислокации; при отсутствии вза-
имодействия с водородом дислокации также перемеща-
ются беспрепятственно. При высоких скоростях дефор-
мации протоны не успевают следовать за движущимися
дислокациями ни при какой температуре и охрупчива-
ние (за счет водорода) не наблюдается. При содержа-
ниях водорода выше 1-1Ю~3% можно рассчитывать на
образование локальных микроскопических трещин и в
отсутствие внешнего напряжения [1]. В частности,
только за счет искажений, созданных внедренным во-
дородом, в сталях с пределом текучести > 1Ш0 Н/мм2
достаточно уже 1-10-4% водорода, чтобы такие тре-
95
Рис. 175
Рис. 176
Усталостное коррозионное
растрескивание в сплаве
CuZn28Sn. На характерных
гладких участках в изломе
вырисовываются усталост-
ные бороздки. Развитие из-
лома идет снизу вверх.
Х2000; X10- 000
96
Рис. 177. То же, что на рис. 176, 176.Х19400
J5) Зак. 304
97
Рис. if 8. УстаЛостнбё кор-
розионное растрескивание
в лопатке паровой турбины
из подвергнутой улучше-
нию стали Х20Сг13. В ре-
зультате коррозии, вызван-
ной воздействием загряз-
ненного ионами хлоридов
влажного пара, наблюдают-
ся, наряду со структурой,
характерной для межкрис-
таллитного излома, зерно-
граничные фасетки. На них
видны (поперек изображе-
ния) усталостные бороздки
и вторичные трещины. Это
свидетельствует, что кор-
розионное воздействие про-
исходит одновременно с
приложением циклической
нагрузки
Рис. 179. Усталостное кор-
розионное растрескивание
трубы из латуни CnZn28Sn.
В результате транскристал-
литного хрупкого излома
наблюдаются кристаллогра-
фически ориентированные
перьевые структуры. В от-
личие от коррозионного рас-
трескивания, иллюстриро-
ванного рис. 167, в этом
случае при одновременном
приложении циклический на-
грузки образуются гладкие
плоские участки на поверх-
ности разрушения, отделен-
ные друг от друга ступень-
ками скола.Х2000
98
Рис. 180. Усталостное кор-
розионное растрескивание
сплава CtiZn2OAl. Направле-
ние распространения изло*
ма — снизу вверх. Харак-
терными признаками явля-
ются гладкие плоские уча-
стки, большинство которых
отделено друг от друга сту-
пеньками скола. В центре
изображения заметны уста-
лостные бороздки. X 2000
Рис. 181. Усталостное кор-
розионное растрескивание
сплава CuZn2OAl. Характер-
ными являются гладкие
следы излома с усталостны-
ми бороздками. X500Q
Зак. 304
99
Рис. 182. Усталостное корро-
зионное растрескивание ау
стенитной стали 18Сг-10
Ni-2 Мо. Среда: . жесткая
котловая вода, загрязненная
солями. Распространение из-
лома1.—слева направо.
XI100
Рис. 183. Усталостное корро-
зионное растрескивание
сплава инкаллой 800
(3‘2 Ni —20Сг). Среда: не-
очищенная котловая вода,
содержащая хлориды и
сульфиды. Направление
распространения излома:
слева снизу направо вверх,
X250Q
100
Источники поступления
водорода
Ппр меры
Литье, сварка Термическая диссоциация и
Газовая цементация ионизация воды. Раствори- мость водорода в жидком и твердом железе: комнатная температура: около ОД мг на 1 кг, т. е. около 0,1 млн.”1; в расплаве: око- ло 30 мг на 1 кг, т. е. 130 млн.”1 При быстром охлаждении расплава водород остается в решетке железа 3Fe + CH4-*Fe3C+4H
Термическая диссоциация Н2 z Н+Н; NH3->N3-+3H+
газов Травление Fe;+:H2SO4 -* FeSO4 + 2Н+
Коррозия (локальные Fe + Fe2"'" + 2e (анодное
микроэлементы) окисление)
Гальванические покрытия H2 2Н^~ + 2е (катодное восстановление) Гальваническая никелевая
Ионная бомбардировка ванна поставляет в зависи- мости от плотности тока Ni, Н или их смесь Ni2+ + 2e-+2H+ + 2OH-Z вода ч ZNi + 2Н+ + 2ОН- \Ni2+ + 2Н + 2ОН~ Н+, ускоренные в плазме
Рис. 184
Рис. 185. Проникновение водорода в сталь при наличии пор и
включений. В различного рода пустотах в структуре стали
скапливается и молизуется водород, развивается большое дав-
ление и благодаря этому создаются весьма высокие напря-
жения:
/ — поры; 2 —включения, например, MnS
щины наблюдались. В мартенситных или дисперсион-
нотвердеющих сталях, обладающих более высоким пре-
делом текучести, наличие даже следов водорода ока-
зывается достаточным для того, чтобы вызвать охруп-
чивание при комнатной температуре.
В микропорах водород накапливается и молизуется.
Переход водорода в молекулярную форму сопровожда-
ется возникновением давления до 0|,0,24 Н/м2 (см.
рис. 1185) [36]. Известно, что охрупчивающее (и раз-
рушающее) действие водорода обусловлено также на-
личием травильных пузырей. Близки к ним пузыри
Или «блистеры», которые возникают при бомбардиров-
ке поверхности стали ионами водорода.
Вызванное воздействием водорода разрушение проис-
ходит интенсивнее при: действии внешней медленно
возрастающей или постоянной статической нагрузки
(замедленное разрушение); наличии остаточных напря-
жений (усадочные напряжения и напряжения, связан-
ные с превращениями); холодной деформации; увели-
чении прочности в результате закалки (искажение ре-
шетки вследствие внедрения углерода в решетку); при
низких температурах (однако выше —70°С). Все воз-
действия, искажающие кристаллическую решетку, сум-
мируются и способствуют охрупчиванию.
При мягком напряженном состоянии водородного ох-
рупчивания в сталях практически не наблюдается.
Микрофрактографические признаки в изломе,
обусловленном воздействием водорода
По отношению к бывшему аустенитному зерну вызван-
ное воздействием водорода разрушение стали может
протекать как межкристаллитное или как транскристал-
литное (рис. 166). В закаленных сталях транскристал-
литный излом проходит вдоль или поперек игл мартен-
сита. Фасетки в изломе по размерам меньше, чем вели-
чина зерна аустенита. Структура транскристаллитного
излома обозначается обычно как микроквазискольный
излом, для которого особенно характерна рельефная
(«ботаническая») структура, похожая на листья. В та-
ком изломе можно наблюдать и микропоры. К наиболее
известным видам транскристаллитных изломов, вызван-
ных водородным охрупчиванием,, относятся флокены и
излом типа «рыбий глаз»; эти последние в большинстве
случаев располагаются вблизи неметаллических вклю-
чений.
Рис. 186. Схема образования в сталях излома, обусловленного
водородным охрупчиванием:
1 — поверхность излома; 2 — пластически деформированные во-
лосовины; 3 — микропоры; 4 — шлифованная поверхность;
толстые линии — границы бывших (наследственных) зерен
аустенита; тонкие линии — границы мартенситных пакетов,
обычно излом вдоль границ бывших зерен аустенита носит на-
звание межкристаллитного, а излом вдоль или поперек границ
мартенситных пакетов — транскристаллитного
4 Зак. 30)4
101
Рис. 187. Межкристаллитное разрушение:
а — межкристаллитное водородное охрупчивание; на макроскопической схеме приведены гнездовидные или полосчатые углубле-
ния вблизи поверхности разрушения (/—микропоры; 2 — пластически деформированные волосовины); б — межкристаллитное
карбидное охрупчивание (/— карбидные пленочные выделения; 2 — сферические карбиды); в— межкристаллитное коррозион
ное растрескивание (/ — микротрещины; 2 — реакционный слой на поверхности разрушения)
На поверхности разрушения при межкристаллитном
водородном охрупчивании наблюдаются ветвящиеся
межкристаллитные вторичные трещины, тонкие волосо-
вины и микропоры по границам зерен (см. рис. 186)
[42]. Волосовины при отрыве вытягиваются вдоль на-
правления разрушения и становятся как бы пластически
деформированными «хвостами» по границам зерен.
Иногда эти волосовины разветвляются и имеют вид, по-
добный виду «вороньей ноги»,.
Межкристаллитные изломы могут быть вызваны раз-
личными причинами; на рис. 1(87 схематически пред-
ставлены три случая межкристаллитного излома, кото-
рые могут быть легко спутаны.
Карбидное охрупчивание легко обнаружить по нали-
чию карбидов, расположенных по границам зерен (см.
рис. Г0|3). Карбидные пленочные выделения разделяют-
ся на две поверхности излома и имеют черепицевидный
чешуйчатый узор (см. рис. 102).,
Коррозионное растрескивание, связанное с характер-
ными микротрещинами и с присутствием в большинстве
случаев продуктов коррозии, также имеет четкие отли-
чительные признаки (см. рис. 1’5.6). Кроме того., микро-
трещины при коррозионном растрескивании всегда на-
правлены снаружи внутрь, в то время как области, от
которых начинается водородное охрупчивание, чаще
всего залегают внутри металла в виде отдельных
«гнезд».
При разрушении, обусловленном действием водорода,
транскристаллитные и межкристаллитные участки изло-
ма встречаются совместно на общей поверхности раз-
рушения.
3.2.3. Разрушение
под действием термических напряжений
Разрушения под действием термических напряжений
происходят только вследствие теплового градиента, без
приложения внешней механической нагрузки. Причиной
возникновения трещин при этом является образование
локальных полей напряжений.
Каждое изменение температуры из-за перепада темпе-
ратур по сечению изделий вызывает даже в не имеющи:
превращений металлах и сплавах существенные тепло
вые напряжения. Если к тому же температура превы
шает температуру превращения, то образуются новы*
фазы и модификации, имеющие различные удельны*
объемы. Это сопровождается возникновением дополни
тельных структурных напряжений, связанных с пре
вращениями. Резкие одноразовые изменения температу
ры приводят к возникновению так называемых термо
ударных трещин. К ним относятся, например, закалоч-
ные трещины. Предпосылкой для образования термо
ударных трещин является возникновение таких суммар
ных тепловых и структурных напряжений, которые при
водят к появлению термических напряжений, превышаю
их временное сопротивление.
В участках изделия, примыкающих к поверхности, npi
охлаждении возникают растягивающие напряжения, i
глубине изделия — сжимающие. В начальной стадш
напряжение в резко охлажденном тонком внешне»
слое очень велико, поскольку зоны материала, располо
женные в глубине, допускают деформацию только 1
ограниченной степени.
Общий уровень остаточных термических напряжений
зависит от предела текучести материала, его модуля
упругости Е, коэффициента теплопроводности, формы
изделия, температурного градиента и продолжитель-
ности (резкости) охлаждения. При повторных циклах
нагрева и охлаждения одного и того же изделия после
некоторого числа теплосмен в нем проявляются трещи-
ны преимущественно на тонкостенных выступающих
участках изделия (ребрах). Трещины ориентируются
по направлению действия напряжений, и их следует
рассматривать как особую форму усталостного излома
(термическая усталость). Вблизи отверстий также наб-
людаются такие трещины, расположенные в радиаль-
ном направлении.
Наряду с этим механизмом, который основан на об-
разовании напряжений в макрообъемах (напряжений
I рода) возможно также наличие искажений, вызван-
ных взаимодействием между собой различных струк-
турных составляющих. Согласно определению Спейтса
[28], их называют микроискажениями.
102
Рис. 188. Водородные пузы-
ри и трещины, образовав-
шиеся при бомбардировке
поверхности аустенитной
стали X'5CrNil8.9 ионами
дейтерия (15 кэВ). Изобра-
жение иллюстрирует меха-
ническое взрывное воздейст-
вие водорода.Х5000
Рис. 189.
Рис. 190.
Гальванически оцинкован-
ный болт из стали 37 Сг 4,
подвергнутый газовой це-
ментации. Для разрушения,
вызванного действием водо-
рода, характерны межкрис-
таллитное разрушение, мик-
ропоры и частично раскры-
тые волосовины, располо-
женные внутри зерен и
имеющие вид «вороньей но-
ги», указывающие на ло-
кальную пластическую де-
формацию, сопровождаю-
щую отрыв.X11'00; Х22'00
4* Зак. 304
103
Рис. 191. Деталь холодиль-
ника для очистки бензола,
изготовленная из углероди-
стой стали. Разрушение вы-
звано коррозией из-за на-
личия в бензоле смеси
H2S—Н2О. Ионы Н4+ могли
внедриться в металл и на
включениях рекомбиниро-
вать др Н2. В результате
образовались пустоты (по-
ры) и видимые при боль-
шом увеличении межкрис-
таллитные отрывы, приво-
дящие к разделению по гра-
ницам зерен; видны также
микропоры на поверхности
зерен
Рис. 192. Поверхность раз-
рушения спиральной пружи-
ны из патентированной
стальной проволоки в связи
с водородным охрупчивани-
ем, возникшим после трав-
ления. В межкристаллитном
изломе обнаруживаются
ориентированные в направ-
лении протяжки вытянутые
зерна. Структура излома
существенно отличается от
вязкого разрушения той же
проволоки — ср. с рис. 55.
Х5500
104
Рис. Г93. Хрупкое разруше-
ние мелкозернистой стали
TTStE36 (0,2С — 0,5Si —
1,5Мп—0,13V), которая была
подвергнута механическим
испытаниям под нагрузкой,
превышающей предел теку-
чести при растяжении: ис-
пытания вели в водном ра-
створе H2S. Разрушение
произошло благодаря воз-
действию водорода, который
выделился по реакции Fe+
4-H2S->FeS+2H. Транскрис-
таллитный квазискольный
излом; наблюдается также
перлитная структура (почти
в середине изображения).
Поверхности микроквазиско-
ла ограничены раскрытыми
волосовинами, которые ука-
зывают на небольшую пла-
стическую деформацию при
разрушении. В отсутствие
H2S или при увеличении
скорости растяжения сталь
имела вязкий излом с обра-
зованием характерной ямоч-
ной структуры. X 5500
Рис. 194. Дефекты типа
«рыбий глаз» в сварочном
шве передаточного рычага
мотоцикла. Квазискольный
излом в перлите произошел
в результате воздействия
водорода, который образо-
вался, вероятно, из-за вы-
сокой температуры при
сварке; в стали всегда при-
сутствуют сульфиды марган-
ца и возможна реакция
MnS+H2O«=*MnO+2H. При-
влекает внимание присутст-
вие в этом случае большого
числа микропор.Х2400
103
Рис. 195. Охрупчивание дис-
персионнотвердеющей стали
17Cr-3iNi-2Cu под воздейст-
вием водорода. Эта сталь
вообще весьма чувствитель-
на к воздействию водорода.
Характерные признаки во-
дородного охрупчивания —
четко наблюдаемые поверх-
ности микроквазискола,
микропоры и пластически
раскрытые волосовины.
Х'2400
Рис. 196. Флокены в угле-
родистой стали. Характер-
ным для этого вида хруп-
кого разрушения, обуслов-
ленного воздействием водо-
рода, являются: микроква-
зисколы, поры и тонкие
пластически раскрытые во-
лосовины в изломе, явля-
ющиеся следами вязкого от-
рыва. Вероятно, в образова-
нии водорода при высоко-
температурной сварке, при-
нимали участие включения
MnS,X2200
106
Рис. 198. Однозначным до-
казательством водородного
охрупчивания стали Х2
NiCoMol8 83 являются види-
мые на фотографии микро-
поры и дефекты типа «во-
роньей ноги» на поверхно-
сти зерен. Х2200
Рис. 197. Транскристаллит-
ное водородное охрупчива-
ние стали. Характерными
признаками являются мик-
роквазискольные изломы,
транскристаллитные вторич-
ные трещины, микропоры и
пластически раскрытые во-
лосовины. Своеобразный пе-
ристый вид этого хрупкого
излома обусловлен мартен-
ситной структурой стали.
Х5000
107
Рис. 199.
Рис. 200.
Излом литой стальной де-
тали (32% Сг), образовав-
шийся под воздействием во-
дорода непосредственно в
процессе отливки. На по-
верхности межкристаллит-
ного излома видны харак-
терные признаки: микропо-
ры, поверхности скола и
квазискола.Х 100; Х2400
108
Рис. 201. Излом танталовой
трубы, вызванный воздейст-
вием водорода (газовая сре-
да с 20% НС1 при 130°С).
Излом характеризуется на-
личием поверхностей скола
и вторичных трещин, иду-
щих поперек направления
распространения излома.
Водородное охрупчивание
возникло в результате по-
ляризации металла из-за
недостаточной изоляции
участка трубопровода. Х2,200
Рис. 202. Излом трубы из
стали 15 Мо 3, обезуглеро-
женной в результате пребы-
вания в атмосфере водорода
при 400°С. В некоторых ме-
стах на поверхности зерен
заметна перлитная структу-
ра. Ослаблена связь между
зернами. Водород реагирует
с цементитом: Fe3C+2H2->
->3iFe+CH4. Процесс проте-
кает преимущественно вдоль
границ зерен, которые за-
тем за счет скопления в
этих местах высвобождаю-
щегося метана — расклини-
ваются. При этом виде пре-
имущественно межкристал-
литного водородного охруп-
чивания микропоры не об-
наруживаются. Х2000
109,
Рис. 203.
Рис. 204.
Межкристаллитный излом в
медной трубе вблизи свар-
ного шва, вызванный воз-
действием водорода, про-
никшего в металл при авто-
генной сварке (водородная
болезнь). При этом имею-
щийся в материале оксид
Си2О реагирует с водородом
CU2O+H2->2Си+Н2О с обра-
зованием водяного пара.
Микрофрактографическим
признаком водородной бо-
лезни меди являются сет-
чатые, пластичные, вытя-
нутые вверх элементы стро-
ения излома, между кото-
рыми располагаются оксид-
ные включения.^ Х450; Х2000
ПО
Рис. 205- Радиально направ-
ленные трещины (термиче-
ская усталость), образовав-
шиеся под воздействием
знакопеременных напряже-
ний, обусловленных коле-
баниями температуры. Тре-
щины возникли по краям
отверстия детали из нике-
левого сплава нимоник 80А,
через которое попеременно
протекали горячие и холод-
ные газы. XI20I
3.3. Дефекты поверхности
3.3.1. Механические дефекты поверхности
При соприкосновении поверхности твердого тела с дру-
гим твердым телом или с другой средой возможны
следующие виды взаимодействия: упругая деформация;
пластическая деформация; перенос тепла; переход
энергии движения в тепловую энергию; адгезия; пере-
нос материала и унос материала; химическая реакция;
диффузия; оплавление.
Упругая деформация и перенос тепла не оставляют
после себя следов на поверхности твердых тел. Однако
в случае других видов взаимодействия различного ро-
да повреждения поверхности наблюдаются. Приводят
ли они к местным или равномерно распределенным на
поверхности дефектам (повреждениям), зависит от рас-
пределения и числа событий деформации и разрушения,
отнесенных к единице поверхности. Местное воздейст-
вие может произойти из-за одноразового события или
вследствие скопления многих событий в одной точке.
Равномерный унос материала возникает в том случае,
когда участки взаимодействия (в твердом, жидком,
газообразном состояниях) воздействуют друг на друга
на большой поверхности. В качестве поверхностных
дефектов следует также рассматривать последствия
пластической деформации даже тогда, когда непосред-
ственное механическое соприкосновение двух тел при
приложении сил отсутствует; в качестве примера можно
привести взаимодействие через слой смазки при износе..
Возможны следующие виды воздействия на поверхность
твердого тела; твердая поверхность на твердую по-
верхность; струя твердых частиц на твердую поверх-
ность; струя жидкости на твердую поверхность; струя
газа на твердую поверхность. На практике на твердую
поверхность часто воздействуют сложные (многофаз-
ные) струи (жидкость-фтвердые частицы, газы + твер-
дые частицы, жидкость-}-газ и т. п.).
3.3.1.1. Механические дефекты поверхности,
обусловленные
процессом изготовления полуфабрикатов
Прокатка
Интенсивная пластическая деформация между валками
может оставлять следы на поверхности проката. Тан-
генциальный сдвиг расположенных вблизи поверхности
слоев при прокатке может оставлять «хвосты» или за-
каты; вообще говоря, всегда остаются маленькие «хвос-
ты» и складки. В местах скоплений включений, нахо-
дящихся вблизи поверхности, верхний слой материала
может разрываться и эти инородные включения выходят
на поверхность. Все это относится не только к плоской
прокатке, но и другим видам деформационной обра-
ботки (прокатка в калибрах или на пилигримовых ста-
нах).
111
Рис. 206- Трещины по краям
отверстия в детали из ни-
келевого сплава, через ко-
торое протекали поперемен-
но холодные и горячие га-
зы; трещины образовались
в результате циклических
колебаний температуры.
Окисленная бороздчатая
структура указывает на ус-
талостный характер этого
вида излома. (Термическая
усталость). Х600
Рис. 207. Закалочные тре-
щины в соединительном
болте из стали 24СгМо5.
Вследствие перегрева и рез-
кого охлаждения при за-
калке возникли большие
термические напряжения и
межкристаллитные трещины
отрыва. ><140
112
Рис. 208. Участок рис. 207.
Закалочные трещины распо-
лагаются вдоль границ быв-
ших зерен аустенита. На
поверхности зерен видно
большое число мелких ок-
руглых карбидов. Х700
Рис. 209. Трещины в захва-
тах реактора для получения
мочевины, изготовленных из
стали 26СгМо7; трещины вы-
званы термоударами. После
приваривания захватов к
стенкам реактора во время
испытания на герметичность
рядом со швами обнаруже-
ны трещины. Зоны вблизи
сварного шва были пере-
греты, приобрели крупнозер-
нистое строение и перешли
в хрупкое состояние (что
характерно для околошов-
ной зоны). Межкристаллит-
ные отрывы обусловлены
наложением тепловых на-
пряжений и структурных
напряжений, возникающих
при фазовых превращениях
(в связи с различием в
удельных объемах феррита
и аустенита). Х600
113
Рис. 210. Трещины в сопле
установки для металлизации
распылением; образовались
в результате колебаний тем-
пературы; обнаженные края
трещин оплавлены. Х57
Волочение
При процессах протяжки (волочении) всех видов, при
которых материал проходит через фильеры, интенсивное
взаимодействие с инструментом всегда оставляет на
поверхности, например проволоки, канавки и пласти-
ческие сдвиги. В деталях, испытывающих усталостную
нагрузку,, волочильные канавки часто являются отправ-
ными точками, от которых начинаются усталостные
изломы (рис. 214). При превышении деформационной
способности металла или при расположении включений
и загрязнений вблизи поверхности происходит разрыв
поверхности поперек к направлению протяжки. Разрыв
может быть также следствием недостаточной смазки
поверхности, что обусловливает возникновение скачко-
образно возрастающих растягивающих нагрузок. Твер-
дые смазочные материалы предпочтительны, так как они
лучше сохраняются на поверхности и могут в этом
случае затруднить образование трещин.
Штамповка
В процессе штамповки на металл действуют очень
большие нагрузки. Вначале под влиянием пластической
деформации пуансон «впрессовывается» в металл,, затем
происходит сдвиг (срез) и, наконец, отрыв выштампо-
ванной детали от заготовки. Вследствие скачкообраз-
ного продвижения среза и отрыва могут образовываться
сдвиги и ступени на поверхности, которые также могут
быть исходными точками усталостных изломов.
Обработка резанием
Образующиеся при обработке резанием риски и заусен-
цы не только приводят к потере внешнего вида изде-
лия, но и являются местами, от которых могут начи-
наться усталостные изломы. Независимо от положе-
ния по отношению к направлению действия нагрузки,
риски чаще всего становятся исходными точками, от
которых распространяются усталостные изломы. Это
связано с неравномерностью и нежелательной концент-
рацией стесненной деформации в области рисок. Вы-
ступы и заусенцы могут быть также исходными точ-
ками распространения усталостных изломов. При слиш-
ком высокой скорости резания и недостаточном
охлаждении может происходить оплавление внутри рисок,,
образующихся при обработке резанием.
114
Рис. 211. Катаная поверх-
ность листа из 17%-ной
хромистой стали с включе-
ниями глинозема. Х1800
Рис. 212. Трещины, возник-
шие на поверхности листов
из мягкой (низкоуглероди^
стой) стали при глубокой
вытяжке со смазкой пара-
финовым маслом. Примене-
ние твердых смазочных ве-
ществ предотвращает обра-
зование трещин. Х2000
Рис. 213. Образование раз-
рывов на поверхности (в
данном случае на богатых
церием включениях) при вы-
тяжке чашевидной заготов-
ки при изготовлении авто-
мобильного колпака из
стального листа Х8Сг17.
Х1800
115
Рис. 214. Схематические примеры начала усталостного излома от канавок:
а — открытая канавка; б — сжатая (сдвинутая) канавка; в — заусенцы (гребни)
Рис. 215. Усталостное раз-
рушение проволоки из стали
X12CrNil77, подвергнутой
воздействию знакоперемен-
ной нагрузки. Разрушение
началось в узком зазоре у
основания волочильной ка-
навки. Х600
На поверхностях, обработанных резанием, иногда
находится свободно лежащая или прилипшая стружка
различных размеров, которая, как постороннее тело, мо-
жет вызвать повреждение данной поверхности или по-
верхности соседствующих с ней деталей машины. Эта
стружка вследствие циркуляции смазочного масла может
блуждать по всему механизму и вызывать новые повре-
ждения, а также даже разрушение.
Шлифовка
Процесс шлифования представляет собой быстрое реза-!
ние микрорезцами (абразивными зернами). При этом^
возникают риски резания. Расположенные близко одна
к другой риски перекрываются, образуя характерные
конфигурации в виде зубьев пилы или ряд «лопаток»
(см. рис. 220 и 264). Наряду с пластической деформа-
цией, даже при мокром шлифовании, могут быть до-
116
Рис. 216. Дефект, возникший
на поверхности детали в ре-
зультате удара упавшего на
нее постороннего тела (воз-
можно при монтажных рабо-
тах); от такого дефекта по-
тенциально возможно рас-
пространение разрушения.
Зону холодной деформации
под местом удара легко
распознать в изломе в виде
концентрической полосы.
Х20
Рис. 217. Поверхностное от-
слаивание, установленное
при экспериментальном на-
блюдении за холодной де-
формацией бесшовной сталь-
ной трубы; произошло при
исчерпании деформационной
способности. Х500
117
Рис. 218. При изготовлении
колец из стали 30СгМо4
листовой штамп передвигал-
ся по листу справа налево.
В левой половине, у места
пробивки, ясно видны ус-
тупы, которые возникли при
прерывистой смене процес-
сов деформации и разру-
шения (вырубки). Здесь и
начался усталостный излом.
XlOiO
Рис. 219. Поверхность сталь-
ной крепежной скобы, под-
вергнутой действию сильных
усталостных нагрузок; эта
поверхность была недоста-
точно хорошо отшлифована.
Усталостный излом начался
с крупных рисок. Х21
118
стигнуты температуры, которые вызывают сильные по-
вреждения поверхности, а именно:
1) шлифовочные трещины,, располагающиеся поперек
направления шлифования и в зависимости от темпера-
туры и продолжительности процесса шлифовки являю-
щиеся, по существу, горячими трещинами. Точная
идентификация шлифовочной трещины может быть
осуществлена только после ее раскрытия;
2) прижог при шлифовании; в этом случае нагрев
оказывается достаточным для того, чтобы осуществи-
лось поверхностное окисление металла. Округлые высту-
пы и пузыри оксидных слоев при охлаждении разру-
шаются (прорываются). Прижоги при шлифовании от-
личаются от неповрежденных участков металла нали-
чием не только цветов побежалости,, но и трещин. На
изображениях, полученных с помощью растрового
электронного микроскопа, вследствие значительно бо-
лее низкой электропроводности из-за оксидного слоя эти
прижоги кажутся светлыми (рис. 224).
3.3.1.2. Дефекты поверхности,
обусловленные
воздействием инородных тел
Воздействие, которое оказывает постороннее свободно
движущееся твердое тело на данное тело (изделие),
зависит от массы и соотносительной скорости обоих тел.
Такими посторонними телами могут быть забытый ин-
струмент, падающие детали машин, а также техноло-
гические отходы (стружка, сварочные капли, минераль-
ные частицы и др.).
В то время как большие предметы при прохождении
через механизмы или аппараты создают четкие макро-
скопические повреждения (например, при проходе таких
предметов через двигатель или турбину), действие мел-
ких твердых тел остается вначале скрытым. При иссле-
довании в растровом электронном микроскопе повреж-
дения часто обнаруживаются и проявляются как ис-
ходные зародышевые точки усталостного излома.
Если инородное тело сдавливается между двумя ме-
таллическими поверхностями, то оно может внедриться
в более мягкую из них. Так в слое заливки вкладыша
подшипника скольжения всегда находятся многочислен-
ные вдавленные посторонние частицы. В большинстве
случаев речь идет о стружке, образующейся при обра-
ботке резанием, которая вносится в подшипники при
циркуляции масла. Если количество стружки слишком
велико, то она скапливается в отдельных местах. Бла-
годаря этому прорывается смазочная пленка и проис-
ходит непосредственное соприкосновение скользящих
поверхностей. При этом через инородное тело на слой
заливки вкладыша подшипника начинают действовать
пиковые высокие напряжения, что приводит к уста-
лостным изломам. Кроме того, наблюдения показали,
что кавитационные повреждения во вкладышах подшип-
ников скольжения преимущественно берут начало так-
же от вдавленных стружек (см. рис. 230—232). Нали-
чие вдавленных инородных тел (например, стружки)
может привести к непригодности изделия (изменение
проводимости, переходного сопротивления, потенциала
коррозии, коэффициента трения).
Рис. 220. Остатки стружки
и осколки, которые еще ча-
стично связаны с основным
металлом; на грубо шли-
фованных металлических по-
верхностях присутствуют од-
новременно со шлифовочны-
ми рисками. В производст-
венных условиях остатки
стружки и осколки могут
осыпаться. Х550
119
Рис. 221. Шлифовочные тре-
щины на поверхности жаро-
стойкой стали 0,4С-20Со-
20Cr-20Ni. Х475
Рис. 222. Участок рис. 221.
Раскрытая шлифовочная
трещина; ориентирована по
хрупким фазам. Х2200
120
Рис. 223. Шлифовочный при-
жог на боковой стороне зу-
ба шестерни из стали
20МоСг4. Характерными яв-
ляются пузырчатые продук-
ты окисления, которые в
отличие от неповрежденной
поверхности кажутся свет-
лыми. Отчетливо видно, что
пузыри как бы прерывают
шлифовочные риски
Рис. 22’4. Шлифовочный при-
жог на боковой стенке зуба
шестерни из стали 0.2С-
1,25Мп-0,5Сг. Хрупкие, по-
крытые трещинами продук-
ты окисления на поверхно-
сти как бы прерывают щли-
фовочные риски. Х2400
121
Рис. 225
Рис. 225
Поверхность сверления спла-
ва Ti685. На отдельных
участках поверхности вслед-
ствие локального расплав-
ления образовались поры
(см. рис. 226). При таком
расплавлении существует
также опасность охрупчи-
вания вследствие внедрения
кислорода. Х90; Х900
122
Рис. 227
Рис. 228
Заусенцы вокруг отверстия
в корпусе машины. Такие
заусенцы легко отделяются
и в производственных ус-
ловиях уносятся циркулиру-
ющим маслом как инород-
ные тела. Х90; XI00
123
3.3.1.3. Износ
Нежелательный унос материального слоя с поверхности
металлических твердых тел в процессе эксплуатации
носит название износа. Он вызывается постоянно повто-
ряющимися процессами разрушения.
3.3.1.3.1. Износ при скольжении
Износ при скольжении почти всегда складывается из
ряда сопутствующих этому явлению процессов. Для
металлов они могут быть подразделены следующим об-
разом [37]: пластическая деформация; адгезия и пере-
нос материала; расплавление (разъедание); износ со
снятием стружки; усталостный износ (питтинг); поверх-
ностные реакции; электрохимические процессы; износ
коррозионных пленок (коррозионный унос).
Износ при скольжении,
обусловленный пластической деформацией
Следует исходить из того, что в пределах микрооб-
ластей ни одна поверхность не является идеально глад-
кой. Всегда существует определенная шероховатость.
Две поверхности, впервые (т. е. ювенильно) приложен-
ные друг к другу под небольшим давлением, соприкаса-
ются только в небольшом числе возвышающих точек и
линий. При первом движении поверхностей относительно
друг друга возвышения и заусенцы одной поверхности
сталкиваются с возвышениями и заусенцами другой.
Возвышения на поверхности детали, изготовленной из
относительно легче деформируемого металла, изгибают-
ся в направлении движения (рис. 234); эта поверхность
подвергается при этом сглаживанию и накату. В ре-
зультате происходит деформационное упрочнение по-
верхности (наклеп), что препятствует ее дальнейшему
деформированию. Продолжение деформации возможно
только при увеличении местного или общего эффектив-
ного давления на данную поверхность.
В часто встречающихся случаях твердотельного
скольжения пар, когда более твердое тело скользит по
мягкому, на поверхности этого более мягкого тела мож-
но заметить бороздчатый рисунок. В начальной стадии
скольжения четко обнаруживается направление пласти-
ческой деформации. С макроскопической точки зрении
приработка двух поверхностей (например, в подшипни-
ках скольжения) приводит в конце концов к образова-
нию так называемого зеркала, т. е. к образованию про-
тяженных несущих областей, приработанных до блеска
На конце такого зеркала можно ясно видеть развальцо-
ванные в направлении движения язычки (хвосты), ко-
торые в виде тонких слоев (пленок) практически сво-
бодно лежат на первоначальной (исходной) поверхно-
сти. Описанный выше процесс приработки не приводит а
большому износу; частицы износа на этой начальной
стадии малы и окислены.
При увеличении давления соприкосновения между по-
верхностями начинается выкрашивание частиц из языч-
ков (хвостов) на концах зеркала; это происходит поел*
того, как способность к деформации- металла язычком
исчерпывается. Оторвавшиеся наклепанные, а отсюда
твердые (упрочненные) частицы попадают между сколы
зящими поверхностями и, как небольшие режущие ин-
струменты, вдавливаются и достигают более глубока
лежащих участков поверхностного слоя между зерка<
лами. Эти частицы удерживаются в еще мягкой матри-
це, однако если их число становится большим, она
«превращаются» в находящиеся постоянно в движениа
твердые зерна, которые начинают резать изнашивае-
мые поверхности. Эти относительно крупные частицц
являющиеся продуктом изнашивания, характеризуются
металлическим блеском [5].
Унос материала при износе продолжается до те|
пор, пока скользящая одна относительно другой паря
тел находится под давлением. Значительный изшм
может вызвать не только движение в одном направлю
нии, но и осциллирующее движение (вибрация).
Рис. 229. Вдавленные ино-
родные тела на поверхности
лопатки паровой турбины из
стали Х20Сг13. Х190
124
Рис. 230
Рис. 231
На посеребренную поверх-
ность контакта при его из-
готовлении были вдавлены
частички стружки от распо-
ложенной под ним бронзо-
вой пружины. Они видны
на изображении распреде-
ления меди (внизу) в ви-
де светлых поверхностей.
Х48
125
Рис. 232. Повреждение по-
верхности вкладыша под-
шипника; в слой заливки
вкладыша подшипника из
сплава PbSnCu попали ча-
стички стальной стружки.
Направление вращения ва-
ла можно установить по
сдвигу частичек стружки
слева направо
Рис. 233. Следы касания ло-
патки компрессора из мате-
риала Ti 684. В заусенце
видна трещина, опасная с
точки зрения развития ус-
талостного излома. Х1040
126
Рис. 234. Различные виды износа при скольжении. Схема:
а пластическая деформация и образование языков, которые
впоследствии обламываются; б — перенос материала с одной
скользящей поверхности на другую; в — схватывание при тре-
нии и разрушение; г — износ резанием; д — абразивный износ
с резанием; Тв.ф. — твердая фаза; М.ф. — мягкая фаза;
О.тв.ф. — очень твердая фаза; I — языки; II — стружка
Re WMoBeRhCrCo Ni Fe P Cu Ti NbZrZnAuAgAlCdMgSnLaPd
In
РЬ
La
5п
Мд
Cd
Al
Ад
Au
Zn
Zr
Nb
Ti
Cu
Pt
Fe
Ni
Co
Cr
Rh
Be
Mo
W
l+l I IQI0I I I0I0I IQI0IO
QI I welelelolelow lelQ
0
___________ЭЭ
□□□□ааапип
□ээаииппи
gplQlOlOlOlQ
1ЭЭИЭЭ1
OIO
olol Tol In
о
0
о
О
Pb
L-i—i La .
®Rn /
^9 Z
OIQ
ОЮ
О
о
о
о
о
О
'ОЮ
оуу । нд .\(
2Q® Cd Z
2рГд1 /
г-г— Аи Z
©Пп /
, Иг /
Й21 Nb Z
Ti /
I Cu Z
QOQO Pt
Qp07e /
QElNi Z
a co fr
Шг “/
JRh Z
37“/
z
0 00QIQO0 ~
Q О О 0ЮЮ|0Ю|б О
апиаэпппиаэа!
эиэаэаэааааэ!
a:
at
ai
ai
ai
Я!
IQ
ОЮ
оо
до
JQ
ОЮ
ОЮ
ОЮ
ОЮ
ОЮ
ОЮ
Re
о
о
Q
Q
О
О
1
2
J
4
Q
Рис. 235. Совместимость металлических пар с точки зрения из-
носа и схватывания при трении. Чем больше черная поверх-
ность в кружках-символах, тем меньше совместимость (взаим-
ная растворимость), а благодаря этому меньше и склонность к
схватыванию:
/——две жидкие фазы; твердый раствор с пределом раствори-
мости менее 0,1%; 2 — две жидкие фазы; твердый раствор с
растворимостью более 0,1% или одна жидкая фаза; твердый
раствор с пределом растворимости менее 0,1%; 3 — одна
жидкая фаза; твердый раствор с растворимостью между 0,1 и
1%; 4 — одна жидкая фаза; твердый раствор с растворимостью
более 1 %
Рис. 236. Образование питтингов на боковых сторонах зубьев
шестерен:
1 — деформационные языки; 2 — ведущее зубчатое колесо; 3 —
ведомое; 4 — усталостные изломы
127
Износ при скольжении вследствие адгезии
и переноса материала
Поверхности металлов никогда не бывают свежими
(блестящими или ювенильными). Они всегда в исход-
ном состоянии -покрыты различными, обычно оксидными,
пленками, чаще всего многослойными. Самый нижний.,
слой в большинстве случаев является оксидным, и в
нем чаще всего может наблюдаться повышенное со-
держание элементов, входящих в состав сплава или
окружающей среды (хемисорбированный слой). Внеш-
ний слой состоит из адсорбированных атомов.
Если в результате сильного сдавливания поверхно-
стей покровная пленка продавливается, то происходит
соприкосновение металла с металлом и вследствие это-
го — адгезия. Более мягкий металл претерпевает ло-
кальное деформирование, некоторые объемы растягива-
ются, вырываются и переносятся на более твердую
противоположную поверхность (рис. 234,6). При боль-
шом количестве перенесенного материала частицы его в
конце концов могут отрываться, от твердой поверхно-
сти и представлять собой продукты износа.
К адгезионному износу особую склонность имеют па-
ры металлов с хорошей взаимной растворимостью. На-
оборот, если взаимная растворимость пар отсутствует,
скорость адгезионного износа минимальна (рис. 235).
Износ при скольжении
в результате расплавления
При сильном сдавливании поверхностей износ может
происходить за счет тепла, выделяющегося при трении.
Температура плавления при этом достигается только в
некоторых соприкасающихся, обычно точечных, местах.
В таких местах происходит мгновенное сваривание с по-
следующим пластическим отрывом. Следствием этого
является повторяющийся в ходе износа перенос мате-
риала между скользящими поверхностями. Такого рода
процесс преимущественно наступает, когда пару со-
ставляют металлы одного типа с близкими точками
плавления. Этот, так называемый износ с задирами,
может в конечном счете привести к заеданию, схваты-
ванию и благодаря этому к прекращению скольжения.
При сильном перегреве может произойти расплавление
на больших поверхностях и полный выход из строя од-
ной из составляющих скользящей пары (рис. 234,в).
Износ при скольжении
со снятием стружки (абразивный)
Особенно сильный износ при скольжении происходит в
случае, когда очень твердая поверхность пары скольже-
ния движется по значительно более мягкой поверхности
(рис. 234,г) или когда между скользящими поверхно-
стями попадают твердые посторонние частицы, напри-
мер стружки от предыдущей обработки или минераль-
ная частица (абразивный износ) [6]. В обоих случаях
износ происходит со снятием стружки (рис. 234,г и 6).
Даже в обычной взвешенной в воздухе пыли могут на-
ходиться твердые абразивные частицы с острыми кром-
ками.
Износ при скольжении,
сопряженный с усталостным разрушением
Повторные соприкосновения двух поверхностей в паре
скольжения равносильны действию переменной (цикли-
Рис. 237. Схема образования
питтингов на ножке зуба
ведущего зубчатого колеса;
С-образный след усталост-
ного излома на поверхности:
1—усталостное разрушение;
2 — излом под действием
статической нагрузки; 3 —
пакеты скольжения, разру-
шение сдвигом, шиферная
структура; 4 — тангенциаль-
ная сила трения, отрица-
тельное проскальзывание;
5 — деформационные языки
на боковой стороне зуба;
6 — масло; W — направле-
ние (вдоль боковой стенки
зуба) перемещения нагру-
женной точки соприкосно-
вения
128
Рис. 238. Поверхность вала
из закаленной углеродистой
стали Ск45 с исключительно
хорошо очищенной по-
верхностью после испытаний
на износостойкость. Первые
(на снимке горизонтальные)
риски износа обусловлены
сдвигом материала высту-
пов, связанных с перпенди-
кулярными рисками обра-
ботки. «Производственные
риски» (вернее «эксплуата-
ционные» ) возникли под
влиянием инородных тел,
которые выступали из со-
прикасающейся с валом по-
верхности тройного сплава
заливки вкладыша' подшип-
ника (PbSnCu). Х2000
Рис. 239. Цилиндрическая
поверхность вращения, под-
вергнутая хонингованию, в
состоянии поставки. Х200
Рис. 240. В результате хо-
нингования поверхность ци-
линдрической вращающейся
втулки пластически дефор-
мировалась. Образовавшиеся
при обработке (хонингова-
нии) риски и заусенцы на
деформированной поверхно-
сти сглаживаются. На этой
цилиндрической вращающей-
ся поверхности появляются
чистые несущие участки,
так называемые зеркала, ко-
торые занимают примерно
три четверти общей поверх-
ности. Х200
129
Рис. 241. Образование чис-
той поверхности с плоскими
«надвигами» («наплывами»),
так называемыми языками
(см. рис. 237), на боковой
стороне зуба ведущего зуб-
чатого колеса из углероди-
стой стали вблизи вершины
зуба. Направление скольже-
ния — снизу вверх. Х850
Рис. 242. В результате изно-
са при скольжении был уне-
сен металл с поверхности
детали из серого чугуна на
глубину 0,02 мм. Риска на
соприкасающейся противо-
положной поверхности под-
шипника из Al—Si сплава
оставила на поверхности се-
рого чугуна островок. На
него был «перенесен» с про-
тивоположной поверхности
алюминий (адгезия). XI00
Рис. 243. К рис. 242: с по-
мощью энергодисперсионно-
го рентгеновского анализа
обнаружен (в виде ярко
светящихся точек) алюми-
ний. Х100
130
Рис. 244. На детали крепле-
ния, изготовленной из тита-
нового сплава, вследствие
вибрации плоской торцовой
поверхности внешнего коль-
ца опорного подшипника
(нагруженного вдоль оси)
произошел унос материала
на глубину 1,5 мм. Х19
Рис. 245. Локальные, почти
эллиптические следы на по-
верхности имеют амплитуду
около 0,25 мм; по их чере-
дованию можно приписать
им усталостное происхожде-
ние. ХЮО
Рис. 246. Следы заедания
на боковой поверхности
стального зуба. Шерохова-
тые структуры возникли
вследствие кратковременно-
го приваривания (схватыва-
ния) при трении и последу-
ющего отрыва непосредст-
венно соприкасающихся уча-
стков поверхностей. XI100
131
Рис. 247. На хромированный
слой поршневого кольца пе-
ренесено железо с вращаю-
щейся поверхности стально-
го цилиндра (адгезионный
износ). Под воздействием
давления в местах, где бы-
ло нанесено железо, в хро-
мированном слое образова-
лись трещины. Х600
Рис. 248. См. подпись к
рис. 249—250
132
Рис. 249
Рис. 250
Следы заедания в алюми-
ниевом подшипнике. Сторо-
на, противоположная изоб-
раженной на снимках, вра-
щалась справа налево.
Вследствие действия распи-
рающих напряжений это
движение сопровождалось
образованием изогнутых
трещин и «крючковидных»
стружек (рис. 248), вверху),
а в некоторых местах —
следов оплавления (схваты-
вания) — рис. 249, середина;
на рЙС;. 250, внизу, видно,
что материал был сжат,
Х600; XI 000; Х600
133
Рис. 251. Сильный износ
поршневого кольца из се-
рого чугуна вследствие по-
падания в него песка. Ма-
териал образовавшихся вы-
ступов трапециевидного се-
чения на кольце был пол-
ностью унесен. На снимке в
направлении слева направо
по диагонали сверху вниз
видны (последовательно):
хромированный слой, изно-
шенный (сошлифованный)
хромированный слой, основ-
ной материал, изношенный
(сошлифованный) хромиро-
ванный слой и хромирован-
ный слой. ХЮО
Рис. 252. Сильный износ
бронзового сита бумагодела-
тельной машины под давле-
нием всасывания в процес-
се эксплуатации. Минераль-
ные частицы из бумажной
массы попадали между дви-
жущимся ситом и поверх-
ностью приемника для отсо-
са воды. Сито практически
полностью износилось в те-
чение одной недели. Х90
Рис. 253. Крупное зерно
(частица) пыли из обычно-
го пылевого облака может
хрупко раскалываться с об-
разованием острых кромок;
попадая между двумя тру-
щимися телами, эти осколки
действуют как режущие
инструменты. Х2000
134
Рис. 254. Продукты износа,
унесенные маслом, циркули-
рующим в авиационном при-
водном механизме. Чешуйча-
тые частицы представляют
собой обломки деформацион-
ных языков (ср. с рис. 234,
а). Х500
Рис. 255, Микростружка, при-
сутствующая в продуктах
износа, унесенных циркули-
рующим в авиационном при-
водном механизме маслом
(ср. с рис. 234. виг). Х5000
Рис. 256. На изношенной по-
верхности изготовленного из
ковкого чугуна кулачкового
вала двигателя легкового
автомобиля, видна прилипшая
стружка, образовавшаяся при
износе. Х5000
135
Рис. 257. Питтинги на боко-
вой поверхности зуба шес-
терни. Усталостный характер
излома проявляется в виде
образования характерного
«вырыва», распространяю?
щегося в радиальном направ-
лении, а также в С-образном
следе трещины на поверх-
ности до вырыва. Х600
Рис. 258. На ножке с боко-
вой стороны зуба ведущего
зубчатого колеса вследствие
перенапряжения по началь-
ной окружности возникли
полосой расположенные пит-
тинги. Они образовались в
результате пластического
сдвига языков (на фотогра-
фии — сверху вниз), шифер-
ного разделения языков па-
кетами скольжения и ступе-
нями среза, распростране-
ния усталостного 'разруше-
ния внутрь материала и, На-
конец. отрыва языков. Х4&
Рис. 259. На ножке с боко-
вой стороны зуба ведущего
зубчатого колеса образова-
лись плоские деформацион-
ные языки, концы которых
обломаны. Отчетливо видно,
что холоднодеформирован-
ные (наклепанные) языки
вдавлены в расположенный
под ними металл. Изучение
формы канавки (справа На
рисунке) позволяет устано-
вить примерный профиль
языка. Средняя часть языка
была сдвинута примерно на
60 мкм и " развальцована.
ХЮО
136
Рис. 260. В нижней части
снимка можно обнаружить
отпечатки отдельных языков.
Эти отпечатки имеют про-
тяженность 40 мкм в направ-
лении скольжения. Вверху
рисунка усталостный излом
уходит в глубину. Харак-
терной является многослой-
ная шиферная структура
языков (вверху слева); ввер-
ху справа видны признаки
разрушения, характерные
для излома под действием
статической нагрузки (ср. с
рис. 237). ХЮ00
Рис. 261. Глубокие складча-
тые области, образующие
большой кратер (диаметр
''"'0,1 мм), не являются от-
печатками деформационных
языков, а представляют со-
бой расклепанные поверх-
ности усталостного излома.
Наличие поперечных поло-
сок в кратере позволяет сде-
лать вывод, что последний
образовался из трех соеди-
ненных частичных изломов.
Внутри наиболее крупной
«ступеньки» обнаруживается
ямочная структура вязкого
излома, характерная для раз-
рушения под действием ста-
тической нагрузки. Х450
ческой) нагрузки; часто могут наблюдаться и высоко-
частотные колебания. Поэтому при износе большую
; оль играют усталостные разрушения. Преимуществен-
ными местами, от которых начинаются усталостные из-
ломы, являются трещинки под языками деформации,
:<рая этих языков, зоны между нагруженными и нена-
-руженными объемами, границы раздела между мягки-
ми и твердыми фазами, твердые инородные включения
др.
Наиболее известный вид износа, сопровождающийся
; зталостным разрушением, — образование питтинга на
пэверхностях зубьев в зубчатых колесах. Стрелки на
;лс. 236 показывают направление скольжения ведомого
?: ведущего зуба [11]. В направлении стрелок материал
чэковых поверхностей пластически сдвинут; этот про-
цесс произошел в ходе трения с частичной смазкой [12].
Образующиеся таким образом языки могут быть раз-
вальцованы до ~60 мкм. Поскольку эти языки благо-
даря деформационному упрочнению становятся более
твердыми, чем основной материал, они в него вдавли-
ваются. Под вырванными языками ясно видны их от-
печатки.
Выкрашивания частиц (питтинги) обусловлены уста-
лостными разрушениями, которые имеют место на бо-
ковых поверхностях зуба и идут снаружи внутрь ме-
талла. Магистральное направление распространения
трещин корреспондируется с направлением перемещения
наиболее нагруженных объемов на боковых поверхно-
стях зубьев [11]. При равной прочности материала
обеих соприкасающихся боковых поверхностей зубьев
наиболее часто трещины образуются у основания зуба
ведущего колеса (см. рис. 236). При меньшей прочности
ведомого колеса питтинги возникают преимущественно
в основании зубьев именно этого колеса. В местах а и
d (см. рис. 236) повреждения возникают очень редко.
Места b и с, главным образом подвергаемые разру-
шению, имеют то общее, что нагруженные точки сопри-
косновения W от вершины деформационных языков
направлены к их основанию. Это означает, что прост-
ранство, лежащее под языками, на конце языка сужа-
ется; находящееся в зазоре масло сжимается последо-
вательно движущейся к основанию зазора точкой
приложения нагрузки, что может вызвать при цикличе-
ском сжатии и расширении масла развитие усталостного
Зак. 304
137
излома. Кроме того, по-видимому, при перемещении
этой давящей нагрузки усталостный излом всегда рас-
пространяется в направлении конечного движения этой
нагрузки.
Сильная развальцовка языков и связанное с этим
образование пакетов скольжения может привести к по-
явлению следов сдвига. Последние в виде уступов так-
же могут быть местом зарождения усталостных изло-
мов. Наконец, увеличенные за счет деформации при
развитии усталости языки или чешуйки могут быть
вырваны в результате действия тангенциальных растя-
гивающих сил (рис. 237—261).
На поверхностях разрушения можно обнаружить
шиферную структуру языков и иногда характерную для
вязкого разрушения ямочную структуру. Усталостные
«надломы» под пластически деформированными языками
могут настолько глубоко внедряться в металл, что это
приводит к излому зуба.
Причиной образования питтинга служат местные пе-
регрузки или недостаточная смазка. Только большие
силы трения могут привести к образованию длинных
деформационных языков, которые вызывают питтинго-
вое разрушение боковых сторон зуба. Исходное состоя-
ние поверхности также играет большую роль. На плохо
отшлифованных поверхностях легче, чем на поверхно-
стях высокой степени чистоты, возникают деформацион-
ные языки. В тех случаях, когда боковые поверхности
зубьев подверглись цементации, в переходной зоне от
поверхностного цементованного слоя к мягкой сердце-
вине могут образоваться надрывы и зародыши устало-
стного разрушения, которые иногда распространяются и
приводят к образованию канавок вследствие выкраши-
вания слоя.
Подобные питтинги могут быть обнаружены при при-
работке боковых сторон еще до эксплуатации зубьев.
Они связаны с наличием локальных выступов на по-
верхности, которые развальцовываются до небольших
языков, отрываются без образования усталостного из-
лома и оставляют на боковой стороне зуба плоский
отпечаток с гладкой поверхностью.
При работе без смазки питтинги, как правило, не по-
являются [6]. В этом случае происходит равномерный
поверхностный износ за счет трения с образованием
оксидной пленки, унос и отслаивание материала с по-
верхности соприкосновения.
Образование питтингов не ограничивается боковыми
поверхностями зубьев. Питтинги могут возникать во
всех местах, где сочетаются высокое давление и ло-
кально присутствует смазка. Поэтому указанное яв-
ление наблюдается часто на поверхности силовых пру-
жин и особенно рессор.
Износ при скольжении
в результате поверхностных реакций
Вследствие адсорбции на металлической поверхности
молекул жидкостей или газов
из смазочного материала
О
О
О
поверхности (область размеров
Рис 262. Схема износа при качении в стали как следствие соединения усталостных изломов вблизи
порядка микрометров):
а — шлифованная поверхность (/ — карбиды); б — холоднодеформированный (наклепанный) слои, обРазо®а®™1Д('^аб^™с
в результате пластической деформации и покрывающий карбиды; в — часть наклепанного холоднодеформированного слоя
вследствие перегрузки снята (разрушена); карбиды непосредственно соприкасаются с противоположной поверхностью и переда-
ю7 5акже Нагрузку на м™рицу, в которой они находятся Поскольку эта нагрузка циклическая, возможно образование уста-
лостных изломов; г — из пронизанной усталостными трещинами поверхности выкрашиваются частицы диаметром в нес
микрометров
прочность металла и способность его к пластической
деформации, как правило, падает (эффект Ребиндера)
[39]. В редких случаях при такой адсорбции наблюда-
ется повышенная способность к пластической деформа-
ции, и тогда сглаживание скользящих друг по другу
поверхностей облегчается. Так или иначе в результате
эффекта Ребиндера возникает износ при скольжении
Износ в присутствии коррозионных пленок
Некоторые смазочные материалы способствуют образо-
ванию на металлических поверхностях тонких твердо-
тельных пленок, что ухудшает контакт [37].
Износ в результате электрохимических процессов
Анодное растворение металла приводит к развитию
язвенной коррозии [37], а отсюда — к особому виду
износа.
3.3.1.3.2. Износ при качении
При вращении роликовых и шариковых подшипников
происходят процессы, аналогичные протекающим при
трении скольжения. Шлифовочные дефекты и заусенцы
на вращающихся поверхностях подвергаются пласти-
ческой деформации (плоское сжатие), и в результате
несущая поверхность увеличивается. При этом на по-
верхностях образуются накаты (языки), которые ча-
стично откалываются. Так, уже в процессе приработки
происходит унос материала.
При большей продолжительности вращения этот про-
цесс повторяется, так как вследствие попадания про-
дуктов износа и инородных тел (из циркулирующего
масла) между поверхностями возникают новые риси
и граты, которые также подвергаются плоскому раз-
вальцовыванию.
Состояние поверхности дорожки качения подшипник!
после 2-108 смен нагрузки отличается от ее состояния
после 103 смен нагрузки только более плотным распо-
ложением рисок.
При качении шара постоянно меняется направлен]
вращения и направление рисок. Переменная нагрузкэ
на тела качения и на их дорожки качения определя
возможность возникновения усталостных изломов, кото-
рые на начальных стадиях проявляются в виде образо-
вания питтингов. Местные разрушения тел качения
дорожек их качения можно разделить на две группы:
поверхностные разрушения размером порядка микромет-
ров и образование питтингов миллиметровых размеров.
Поверхностные разрушения
размером порядка микрометров
Во время приработки трущихся поверхностей из шлз-
фовочных рисок (выступов, заусенцев) образуется пла-
стически деформированный слой (рис. 262, схема).
Обычный равномерный износ происходит при бо.
шом числе перемен нагрузки и только при обильн
138
Рис. 263. Схема питтингооб-
разования в подшипниках ка-
чения [13]:
1 — «батерфляй.» Нетрав-
леная светлая зона; 2 —
усталостный излом; 3 — не-
металлическое включение;
4 — микротрещины
Рис. 264
Рис. 265
Поверхность внутреннего
кольца цилиндрического ро-
ликового подшипника, совер-
шившего только тысячу обо-
ротов. Шлифовочные гребни
претерпели плоское сжатие;
образовались «несущие» до-
рожки. При этом края греб-
ней откалывались. Таким
образом, уже при приработ-
ке произошел износ метал-
ла. Х2300; Х5700
Зак. 304
139
Рис. 266. Риски на внутрен-
нем кольце радиального ша-
рикового подшипника после
2-Ю8 оборотов, нагрузка
19,2 кН. В других местах на
поверхности вращения уже
обнаруживается образование
питтингов
Рис. 267. Поверхность шари-
ка шарикового подшипника
с пересекающимися рисками
после 2-Ю8 оборотов. XI100
140
Рис. 268. Нормальный износ
внутреннего кольца коничес-
кого роликового под-
шипника после 2-Ю8 оборо-
тов. Видны продольные раз-
ными» бывшими шлифовоч-
ными гребнями, отпечатки
или следы выкрашивания,
отлетевшие осколки толщи-
ной около 0,1 мкм. Х2000
Рис. 269. Поверхность раз-
рушения конического ролика
после 2-Ю8 оборотов. Следы
разрушения вида «воронья
нога» и вмятины, которые
приводят к значительному
последующему выкрашива-
нию (отслаиванию). Однако
этот процесс протекает толь-
ко в тонком поверхностном
слое дорожки качения на
глубине около 0,1 мкм).
XI700
Рис. 270. Конический ролик.
Отслаивание поверхностного
слоя толщиной 0,1 мкм пос-
ле 2-Ю8 оборотов. Х1400
Рис. 271. Поверхность внут-
реннего кольца радиального
шарикоподшипника после
2-Ю8 оборотов при нагрузке
19,2 кН. Слой смазки был
разрушен, и металлические
поверхности соприкасались
непосредственно. Видно раз-
деление металла на участки
диаметром от 2 до 6 мкм;
светлые, вышедшие на по-
верхность карбиды свиде-
тельствуют о сильном изно-
се. Тесно связанные с мат-
рицей твердые карбиды хо-
рошо передают циклическую
нагрузку на матрицу, в ко-
торой они расположены.
Отсюда понятно распростра-
нение усталостных изломов
(ср. с рис. 262). Х6000
142
Рис. 272. В области, освобож-
денной от гладкого, накле-
панного при приработке, по-
верхностного слоя (слева на
рисунке он еще виден) глу-
бокие трещины разделяют
структуру поверхности на
отдельные участки. На двух
из них видны бороздки. Йх
искривление позволяет сде-
лать заключение о распро-
странении усталостного из-
лома снизу вверх (ср. с рис.
262). Х5500
Рис. 273. Образование пит-
тинга на внутреннем кольце
упорного самоустанавливаю-
щегося роликового подшипни-
ка (сталь 100 Сг 6); по по-
верхности этого кольца рас-
пространились также уста-
лостные изломы на глубину
0,2 мм параллельно поверх-
ности (на рисунке справа на-
лево). Левая часть поверх-
ности разрушения сохрани-
лась лучше, чем остальная,
так как участок поверхнос-
ти приработки, хорошо
сцепленный с основой, при-
крывал излом и был удален
только в лаборатории. Х22
14а
Рис. 274. Питтинги, получен-
ные при испытании стали
16 МпСгб. На основании рас-
смотрения чашевидных об-
ластей излома можно сде-
лать вывод, что трещины
распространяются из глуби-
ны 0,2—0,3 мм по направле-
нию к поверхности. Х18
Рис. 275. Образование тре-
щин в поверхностном слое
тела качения роликового
подшипника, в котором при
высокой скорости вращения
происходило сильное про-
скальзывание. Х2800
Рис. 276. Тело качения ро-
ликового подшипника, кото-
рый работает при высокой
скорости вращения и силь-
ном проскальзывании. Нача-
ло разрушения — от вклю-
чения — показано справа
вверху. Усталостные изломы
распространяются влево, про-
никая на глубину примерно
0,01 мм. Углубление обра-
зующейся канавки в на-
правлении вращения состав-
ляет 0,5 мм. Х140
144
Рис. 277. Износ при обкатке
внешнего незакаленного
кольца самоустанавливаю-
щегося роликового подшип-
ника из стали 100 Ог 6
(1С-0,5 Cr-0,25 Si-0,3 Мп).
Небольшая твердость бла-
гоприятствует образованию
больших пластически дефор-
мированных языков. Анало-
гичные структуры возникают
на цилиндрических поверх-
ностях вращения из серого
чугуна вследствие самопро-
извольного хонингования.
Х240
Рис. 278. См. рис. 279.
145
Рис. 279
В седле клапана, подвергну-
том твердому никелирова-
нию, через вентиль была
пробита канавка шириной
около 50 мкм, от которой в
никелевом слое распростра-
нились трещины; это приве-
ло к последующим вырывам.
Х20; Х220
Рис. 280. См. рис. 281
Мб
смазке жидким маслом поверхностного слоя. При этом
еще видны продольные риски между снятыми шлифо-
вочными заусенцами. Кроме того, происходит отслаива-
ние маленьких чешуек толщиной около 0,1 мкм и диа-
метром около 3 мкм. Этот процесс не вызывает образо-
вания трещин, проникающих в глубину.
Несколько более сильное повреждение поверхности
возникает при достаточно большой нагрузке или/и при
недостаточной смазке. Вследствие непосредственного
соприкосновения снимается гладкий (толщиной около
0,1 мкм) поверхностный металлический слой; иногда об-
нажаются выступающие карбиды (см. рис. 262,в). После-
дам царапания от карбидов можно установить места не-
посредственного механического соприкосновения. Интен-
сивная переменная нагрузка может приводить к возник-
новению усталостных изломов (рис. 262, г), для которых
характерны вытянутые полоски толщиной и глубиной в
несколько микрометров. По искривленным бороздкам (по-
лоскам) можно заключить, что надрывы (следы от каса-
ния режущих кромок карбидов) возникают на глубине
в несколько микрометров и распространяются изнутри
по направлению к поверхности. Часто образуются мик-
роямки, но повреждения в виде глубоких ямок не на-
блюдаются.
В случае быстроходных подшипников возникает опас-
ность того, что движение качения может перейти в
преобладающее движение скольжения. Тогда одновре-
менно прорвется смазочный слой, что приведет к сме-
шанному трению и повышению температуры.
Возникшие вследствие этого повреждения роликов
выражаются в появлении в поверхностной зоне надры-
вов размерами порядка микрометров. Под действием
повышенных нагрузок может образоваться большой
фронт усталостных изломов. Последние приводят к от-
слаиванию чешуек диаметром до 0,5 мм и толщиной
до 10 мкм.
Питтинги миллиметровых размеров
Герцевское переменное напряжение между телом каче-
ния и дорожкой качения вызывает образование под по-
верхностью больших касательных напряжений [13];
процессы, которые определяют образование глубоких
питтингов, иллюстрируются рис. 263.
В зоне максимальных касательных напряжений на-
блюдаются структурные изменения: на шлифе эта зона
после травления представляется темной, подобно мар-
тенситу отпуска. При рассмотрении под электронным
микроскопом видны полосчатые структуры, которые
пересекают иглы мартенсита. Твердость падает. Глуби-
на зоны измененной структуры с увеличением числа
циклов нагрузки возрастает. Она достигает от 0,1 до
0,7 мм после 5-Ю6 циклов перемен нагрузки при на-
пряжении соприкосновения 5 кН/мм2.
Микротрещины возникают, как правило, на неметал-
лических включениях, расположенных под поверхно-
стью. На травленом металлографическом шлифе они
видны как скопления в темной области (подобной —
см. выше — мартенситу отпуска) [14].
Начинаясь от микротрещин на неметаллических вклю-
чениях, наклонно к поверхности располагаются уста-
лостные изломы, причем их магистральное направление
распространения почти соответствует направлению рас-
пределения точек нагружения на поверхности.
Было обнаружено, что склонность к питтингообразо-
ванию уменьшается с увеличением степени чистоты ма-
териала по неметаллическим включениям и улучшением
качества поверхности.
Глубокие питтинги можно хорошо изучить с помощью
РЭМ. Распространение трещин из глубины в несколько
десятых миллиметра к поверхности можно обнаружить
по чашечному или ракушечному выкрашиванию.
Рис. 281
Ударный износ двух кон-
тактных пластинок одного
переключателя; пластинки
из Fe—Ni-сплава с покры-
тием из Rh и Au. Повреж-
дение происходит в основ-
ном из-за адгезионного из-
носа, т. е. за счет переноса
Fe—Ni сплава с одной сто-
роны на другую. Так как
пластинки переключателя ра-
ботают в вакууме, окисление
в этом случае отсутствует.
Перенос материала происхо-
дит после приложения на-
пряжения. В остальном про-
цессы можно сравнить с
усталостным износом при
трении: пластическая де-
формация, небольшие уста-
лостные надрывы, отслаива-
ние и спекание металличес-
ких частиц. Х1800
147
3.3.1.3.3. Ударный износ
3.3.1.3.4. Усталостный контактный износ
(фреттинг-коррозия)
При повторяющихся соударениях двух деталей могут
возникать следы ударов и насечек. Процесс связан с
пластической деформацией поверхности и износом^ при
трении в микроскопически малых областях и поэтому
в большой степени соответствует явлениям, наблюда-
емым при фреттинг-коррозии.
При взаимном осциллирующем движении двух
таллических поверхностей под действием норма;
силы может происходить усталостный износ при tj
(фреттинг-коррозия). Этот вид дефекта является ре
татом многих одновременно действующих механг
повреждения поверхности [39] (рис. 282).
Рис. 282. Схема процессов
при контактном усталостном
износе (фреттинге):
1 — адгезия металла, пере-
несенного с противополож-
ной стороны; 2 — окислен-
ные усталостные изломы; 3 —
окисление металла (трибо-
окисление); 4 — выкрашива-
ние металла, перенесенного
с противоположной стороны;
5 — языки металла; 6 —
окисленные частицы метал-
ла; 7 — пластический отпе-
чаток частиц металла; 8 —
расплющенное оксидное утол-
щение; 9 — снятие стружки
оксидными частицами; 10 —
агломерат спеченных оксид-
ных частиц; 11 — усталост-
ный излом в основном ма-
териале; 12 — выкрашива-
ние оксидного агломерата;
13 — след движения (плас-
тический след при расплю-
щивании) оксидной части-
цы; 14 — утолщение на конце
Состояние
Сухое
жидкая смазка/
сухаясмазка
Сухое,
жидкая смазка/
сухая смазка
Жидкая смазка/
сухая смазка
Рис. 283. Виды разрушений
металлических поверхностей
за счет контактного уста-
лостного износа [17] (Со-
стояние: сухое — без смаз-
ки; жидкая смазка / сухая
смазка — со смазкой):
1 — «серая пятнистость»
(возникновение микрокана-
вок); проявляется в различ-
ной форме при больших пло-
щадях сцепления; 2 — «вол-
нистость», частично светлая
с металлическим блеском,
гладкая; 3 — образование
питтингов вследствие лока-
льного скопления частиц из-
носа; расплющенные утол-
щенные участки, пластичес-
кие отпечатки скоплений час-
тиц в материале; 4 — шеро-
ховатость в виде регулярных
вмятин; пластическая дефор-
мация вследствие скопления
и / или внедрения порошко-
вых частиц, возникших при
истирании, образование рых-
лот; 5 — колонкообразные
скопления отдельных сильно
упрочненных (наклепанных)
пастообразных продуктов из-
носа в контактных точках
при трении
Z
148
Рис. 285
Рис. 286
При контактном усталост-
ном износе стального коль-
ца поверхность окислена и
имеет террасовидное строе-
ние. Форма канавок в окис-
ленном слое указывает на
направление движения при
качении. Х180; Х480; ХЮОО
149
Рис. 287. Титан и его сплавы
имеют низкую контактную
усталостную износостой-
кость. Иллюстрация относит-
ся к лопатке компрессора;
в местах приложения давле-
ния к поверхности лопатки
от продуктов коррозии на-
чался усталостный излом.
Х1ЮОО
Рис. 288. Продукты реакции
при контактном усталостном
изломе под давлением были
внедрены в пластически де-
формированную матрицу
стальной втулки гнезда под-
шипника; образовались пит-
тинги (см. рис. 283). Х1000
150
Рис. 291. Четкое рельефное
повреждение при контактном
усталостном износе; виден
рифленый узор, являющийся
результатом воздействия
(внедрения) оксидных частиц
(см. волнистость, рис. 283).
хно
Рис. 289
Рис. 290
Упорный шарикоподшипник
из стали 10'0 Сгб; вследствие
вибрации возник контактный
усталостный износ. Видны
неповрежденные слои и
смятые области. ХЮО; Х500
151
Рис. 292. Испытания на пе-
рекрещивающихся и голь-,
чатых роликах из стали
,100 Сгб; контактный уста-»
лостный износ. Обнаружены:
направление распростране-
ния усталостных поврежде-
ний, перенос материала с
одной стороны на другую
(адгезионный износ); плас-
тическая деформация [39].
Х55
Рис. 293. Участок рис. 292.
В центре — место на поверх-
ности разрушения в виде
оторванного деформацион-
ного языка. Образец по
сравнению с рис. 292 повер-
нут на 901°. Х550
152
Рис. {2'941. Деформированная)
чешуйка, состоящая из ме-
таллических и оксидных час-
тиц; она пронизана усталост-
ными трещинами и раскро-
шилась на концах. XI100
Рис. 295. См. рис. 296.
153
Рис. 296
Контактный усталостный из-
нос скрещенных стержней
квадратного поперечного се-
чения из стали 10’0 Сгб (ла-
бораторные испытания). В
канавках под выкрошенными
деформированными чешуй-
ками скапливаются тонко-
дисперсные продукты износа
(размером» около 1 мкм).
Они представляют собой
окисленные частички стали
и карбиды (ср. рис. 282).
XI10; ХЫ ООО’
На начальной стадии процесс представляет собой
образование металлических частиц - - продуктов абра-
зивного резания, усталостного разрушения и пгрс, оса
материала. Образовавшиеся частицы тотчас реагируют
с окружающей средой (например, смазочными матери-
алами, воздухом, водой) и полностью или частично
химически изменяются. Поскольку частицы вследствие
осциллирующего движения не могут удалиться из кон-
тактного зазора, они размалываются, подвергаются
дальнейшему химическому изменению, спекаются, уп-
лотняются и, наконец, пластически вдавливаются в по-
верхность металла.
Благодаря этому изменяется состояние поверхностей
соприкосновения, а значит, изменяются и условия рас-
пределения давления в трибоконтакте. Кроме того, при
локальном разрушении поверхностных слоев могут об-
разовываться тончайшие оксидные слои. Образовавши-
еся при трении новые металлические поверхности под
воздействием выделяющегося тепла сразу же снова
окисляются (трибоокисление).
Смазочные материалы принимают участие в химичес-
ких реакциях с вновь образовавшимися частицами и
металлическими поверхностями и влияют на изменение
способности к пластической деформации основного ме-
талла.
Некоторые конечные состояния поверхностей со зна-
чительно измененными пластическими свойствами при-
ведены на рис. 283. Пластическая деформация при ус-
талостном износе под влиянием трения не только при-
водит к повреждению поверхности, но может способст-
вовать также проникновению усталостных изломов в
глубину материала.
3.3.1.3.5. Эрозионный износ
При осуществлении ряда технологических процессов
и в транспортной технике часто возникает необходи-
мость в подаче потока твердых частиц на определен-
ное расстояние и/или их сепарации. Используемые в
таких конструкциях материалы подвержены сильному
износу, связанному с воздействием струи. Металличес-
кие детали в машинах, использующих энергию потока,
омываются газовыми потоками и также испытывают
износ под воздействием струи. Различают действие
струй, направленных перпендикулярно, наклонно и па-
раллельно (тангенциально) к изнашиваемой поверхно-
сти. Эрозию при воздействии твердотельных частиц,
которые подаются на поверхность изделия вместе с
жидкостью, в большинстве случаев можно рассматри-
вать как износ за счет действия тангенциальных струй.
Каждая сталкивающаяся с поверхностью пластичных
металлов частица вызывает локальную пластическую
деформацию; обычно образуется небольшой кратер с
сильно смятыми краями. При перпендикулярном паде-
нии струи кратеры почти равноосны; при наклонном и
тангенциальном падении струи образованные при ударе
кратеры имеют форму желобка. При этом наиболее
сильно пластически деформированные объемы находят-
ся в конце желобка (в направлении движения струи).
Образованные при ударе кратеры принимают форму
частиц, которые транспортировались струей. Так, округ-
лые частички образуют сферические отпечатки на по-
верхности, ребристые частицы песка — ограненные от-
печатки ст. удара.
154
Унос, т. е. потеря материала или истирание, происхо-
ди* преимущественно на выступающих участках изде-
шя (детали). Эти участки вследствие повторяющихся
юбстрелов» частицами одних и тех же мест сильно
реформируются и испытывают плоское сжатие до тех
юр, пока не исчерпывается способность пластически
эелаксировать энергию удара продолжающих движение
)бстреливающих частиц. В перенаклепанном состоянии
эти участки отламываются.
Унос происходит благодаря чисто механическому
воздействию без химических реакций. В зависимости от
характера вызывающей эрозию среды выбиваются ато-
мы, группы атомов или макроскопические (большие)
частицы. Внешний вид разрушения формируется в за-
висимости от условий падения струи на поверхность
изделия. Износ за счет действия струи и эрозия в об-
ластях, которые значительно превосходят по размерам
величину воздействующих частиц, создают структуру
в виде характерного узора дюн, или «почковидной»
формы, и/или «наплывов» от внедряемых в основной
металл твердых частиц. Рельефная эрозионная структу-
ра возникает на металлических образцах также и после
ионной бомбардировки.
Целенаправленная струйная обработка изделий (пес-
коструйная очистка, дробеструйное упрочнение) может
служить моделью износа, вызванного действием струи.
Действие струи, кроме того, создает на поверхности
остаточные напряжения, которые могут привести к
образованию трещин и вспучиванию. Большинство воз-
никших поверхностных трещин при последующем на-
гружении могут служить исходными точками, о г кото-
рых начинается разрушение.
В закаленной стали после дробеструйной обработки
отдельные вдавленные кратеры не обнаруживаются; в
этом случае образуются плоские, как бы «вбитые» че-
шуйки.
Рис. 297. Наклонно падаю-
щая шарообразная частица
при струйной обработке об-
разовала впадину с возвыше-
нием на конце отпечатка в
сплаве нимоник 90. Наряду
с этим видны плоские раз-
вальцованные чешуйки, ко-
торые образовались из ранее
существовавших выступов на
поверхности сплава. Края
этих тонких чешуек могут
быть отбиты в ходе дальней-
шей струйной обработки.
Х570О
155
Рис. 298. Свежая вмятина
на поверхности алюминия,
подвергнутой пескоструйной
обработке, образовалась от
удара частицы песка, на-
клонно летящей справа на-
лево. Частица вызвала от-
деление стружки и перемес-
тила ее. Х2000
Рис. 299. Алюминиевая по-
верхность после струйной
обработки стеклянными ша-
риками. Отчетливо видны
вмятины от ударов. Х240
156
Рис. 3'00. Алюминиевая по-
верхность со вмятинами, под-
вергнутая струйной обработ-
ке; видны попадания на нее
раскалывающихся стеклян-
ных шариков. Сверху спра-
ва — светлое пятно, пред-
ставляющее собой 'осколок
стекла. Х240
Рис. 301. Растрескивание по-
верхности шатуна электро-
двигателя при сильной пес-
коструйной обработке. От
этой трещиноватой поверхно-
сти начался усталостный из-
лом. XI40
157
Рис. 302. Поверхность зака-
ленной пружинной проволоки
после дробеструйной обра-
ботки; вследствие малой де-
формируемости материала
кратеры от ударов не обра-
зовались; можно обнаружить
только сплюснутые чешуйки
Х600
Рис. 303. Образование эрози-
онного узора в результате
ионной бомбардировки поли-
кристаллического вольфра-
мового листа дюнами крип-
тона при напряжении
150 кэВ. Направление ионно-
го потока можно определить
по сохранившимся вытяну-
тым вверх «почкообразным»
пикам. Х1000
158
Рис. 304
Рис. 305
Рис. 306
Эрозия на конической поверх-
ности клапана, вызванная
перемещающейся с циркули-
рующим маслом частицей
алюмосиликата. Аустенит-
ная хромоникелевая сталь
была сильно механически из-
ношена. В результате воз-
никли направленные вдоль
движения потока канавки.
При большом увеличении
можно обнаружить возвыше-
ние в объеме за твердым
включением. Кроме того,
возникают рифленые струк-
туры, внешне подобные тем,
которые потоки воздуха или
воды создают на песке.
Х20; Х500; Х900
л 15'3
Рис. 307
Рис. 308
Эрозия на поверхности вкла-
дыша подшипника скольже-
ния из трехкомпонентного
сплава, возникшая под воз-
действием содержащегося
в масле песка. Типичным
признаком являются канав-
ки, вытянутые в направле-
нии движения потока. Х60;
Х24ОО
160
3.3.1.3.6. Износ,
обусловленный ударами капель жидкости
Попадание быстролетящих капель жидкости на метал-
лические поверхности вызывает повреждения, которые
носят название капельного удара. Большое значение
эта форма повреждения имеет для внешней облицовки
самолетов. Локальные ограниченные повреждения, выз-
ванные капельными ударами, часто возникают на ло-
патках паровых и гидравлических турбин. Решающим
фактором, обусловливающим повреждение поверхности,
является повторяющаяся пластическая деформация и
связанное с ней деформационное упрочнение поверхно-
сти, заканчивающееся разрушением перенаклепанных
объемов. При этом перед очагом разрушения обнаружи-
ваются микроскопически видимые следы скольжения.
В твердых металлах после некоторого инкубационно-
го периода, возникают локальные усталостные изломы,
которые приводят к образованию так называемого вы-
крашивания [7].
В мягких металлах наблюдается протекание процес-
сов скольжения и связанное с ними искривление по-
верхности, а также образование бороздок. Характерным
признаком повреждения при капельном ударе в пла-
стичных (мягких) металлах является формирование
многочисленных кратеров. Уже попадание одной капли
диаметром 1,2 мм при скорости падения 410 м/с на
поверхность чистого алюминия вызывает появление кра-
тера такого же диаметра (рис. 309). После 30-с «дож-
девания» чистого алюминия при таких же скорости и
размерах капель наблюдается множество отдельных
кратеров диаметром от 0,1 до 0,25 мм. Попадание во-
дяной струи на поверхность котельной стали СК 22
приводит к образованию одновременно большого числа
кратеров диаметром около 0,2 мм [8]. На рис. 309—
318 отчетливо видно сильное пластическое искривление
краев кратеров, вытягивание стенок между отдельными
кратерами, образование складок и откалывание концов
выступов (гребней), заусенцев. Таким образом, в случае
мягких материалов унос материала происходит не
вследствие распространения трещин, а путем пласти-
ческой деформации, образования тонких вытянутых пе-
ремычек и их откалывания или отслаивания.
3.3.1.3.7. Кавитационный износ
Кавитация означает образование полости. Первоначаль-
но образование такой полости понимали применительно
к жидкости, имея в виду образование внутри нее пу-
зырьков пара (газа) за счет местного падения давле-
ния. Когда газообразные пузырьки разрушаются вбли-
зи поверхности твердого тела на последней происхо-
дит скачок давления. Лопающиеся пузырьки (диамет-
ры их составляют несколько десятых миллиметра) про-
изводят разрушения в слое металла на границе с
жидкостью. Это разрушение получило повсеместно
название кавитации.
Возникновение кавитационных разрушений не огра-
ничивается только металлами, они могут наблюдаться
также в стекле и пластмассах [40]. Материалы, кото-
рые бы в соответствующих эксплуатационных условиях
вообще в течение длительного времени не подверга-
лись кавитации, отсутствуют. Различают гидродинами-
ческую и усталостную кавитацию. Гидродинамическая
кавитация возникает в местах повышенной скорости
потока, в которых давление лавинообразно падает. Из-
вестными примерами являются гребные винты, водяные
турбины, работающие в определенных жидких средах,
трубы, сопла и подшипники. Усталостная кавитация
наблюдается тогда, когда колеблющаяся стенка грани-
Рис. 309. Систематическое
попадание капли воды на
поверхность чистого алюми-
ния вызвало образование на
ней «морщинистого» крате-
ра такого же диаметра. Х50
161
Рис. 310. Поверхность листа
чистого алюминия, пронизан-
ного трещинами,, которые об-
разовались через 30 с после
непрерывного ударного дей-
ствия капель, падающих со
скоростью 410 м/с. Харак-
терно образование большого
числа отдельных кратеров
диаметром от 0,1 до 0,25 мм.
Диаметр одной капли 1,2 мм.
Х20
Рис. 311. Участок рис. 310.
Отдельные кратеры диамет-
ром 0,11 мм.ХЭОО
162
Рис. 312
Рис. 313
Локальные сужения (шейки)
и отколовшиеся частицы ма-
териала между канавками
и кратерами, появившиеся
после удара капель о поверх-
ность чистого алюминия.
Кроме того, при этом также
возникают пластически де-
формированные слои со
складчатыми образованиями.
От тончайших заусенцев
(язычков) откалываются час-
тицы материала. XW00;
Х2000
i
Рис. 314. Эрозия на входном
ребре лопатки паровой тур-
бины, образовавшаяся под
воздействие ударов капель,
хио
Рис. 314А. Пластическая де-
формация и усталостное
разрушение в основании
кратера — характерные при-
знаки эрозии, возникшей
вследствие удара капель.
Х220О
164
чит с жидкостью. Эта кавитация происходит на стен-
ках деталей, работающих в жидких средах в диапазоне
ультразвуковых частот, а также на циклически нагру-
жаемых подшипниках скольжения. В последнем случае
причину ищут в колебаниях опор подшипников, кото-
рые, например, могут возбуждаться вследствие колеба-
ний, создаваемых в зубчатых передачах [13].
Существует много общего между повреждениями,
вызванными ударами капель, и кавитацией. Эта об-
щность видится в том, что при разрыве газовых пузы-
рей жидкость вылетает с большим ускорением [41].
Отсюда следует возникновение нагрузок двух видов:
1) механического действия на металлическую поверх-
ность микроструи, подобного быстрому потоку инород-
ных тел;
2) усталостных нагрузок, которые возникают при
часто следующих друг за другом ударах струи о по-
верхность.
При кавитационной нагрузке мягкие материалы вна-
чале подвергаются пластической деформации. Возника-
ют следы скольжения и через некоторое время —
экструзии и интрузии, характерные для повреждения
поверхности при приложении усталостной нагрузки.
При этом поверхность становится волнистой. При даль-
нейшем пластическом течении под действием возникших
при разрыве пузырьков многих тысяч ударных импуль-
сов возникают, наконец, перенаклеп и растрескивание с
образованием большого числа микрократеров диамет-
ром примерно от 4 до 12 мкм. Между кратерами мате-
риал сильно вытягивается, сужается и отрывается в
виде осколков размером в несколько микрометров. Ра-
зумеется, в ряде случаев могут также отделяться
участки и большего размера.
В твердых металлах, например в закаленных сталях,
непрерывно продолжающиеся ударные импульсы при-
водят не к заметному развитию процессов течения, а к
распространению усталостного излома [14], для кото-
рого характерна стесненная и сильно локализованная
приповерхностная деформация.
Особые виды усталостной кавитации возникают в
подшипниках скольжения вследствие сильно гетерофаз-
ной структуры подшипниковых сплавов и частично мно-
гослойного строения заливки вкладыша подшипника.
Под воздействием ударных импульсов более твердая
Al-фаза вкладыша подшипника из применяющегося для
заливки сплава AlSn20 вдавливается в лежащий под
ней материал. При этом расположенная между крис-
таллами Al-фазы более мягкая Sn-фаза как бы выдав-
ливается кверху. С увеличением числа ударных импуль-
сов поверхность становится сперва волнистой и, на-
конец, глубоко пронизанной трещинами. В этом случае
также образуются микрократеры диаметром от 10 до
20 мкм. Разрушение подшипника из трехслойного ма-
териала (гальванический слой на вкладыше подшипника
из сплава PbSnCu), проведенное в лабораторных ус-
ловиях при кавитации за счет ультразвуковых колеба-
ний и усталостной кавитации в эксплуатационных усло-
виях, схематически показано на рис. 315. В обоих слу-
чаях повреждение начинается с образования трещин,
которые идут с поверхности, распространяясь перпен-
дикулярно к ней, и внедряются в слой заливки вклады-
ша. В случае воздействия ультразвуковых колебаний
трещины часто концентрируются в местах перехода
сечений.1 В эксплуатационных условиях почти прямоли-
нейные 'трещины располагаются поперек направления
вращения. В данном случае речь идет преимущественно
об усталостном изломе, который еще не характеризуется
типичными признаками кавитации. Материал, структура
которого состоит из тонкодисперсных сфероидизирован-
ных фаз, ведет себя как «твердый». Не видно сильного
развития пластической деформации, в заблуждение
вводит межкристаллитное распространение трещин.
В никелевом слое гальванического покрытия устало-
стный излом разветвляется и далее распространяется
над этим слоем почти концентрически. При этом обра-
зуются почти круглые канавки. Только теперь становит-
ся макроскопически видимым действие ударных импуль-
сов. В основании канавок материал заливки вкладыша
Рис. 315. Схематическое пред-
ставление о кавитации в
трехслойном вкладыше под-
шипника:
1 — усталостный излом; 2 —
AlSn 20-сплав; вкладыш под-
шипника; 3 — свинцовистая
бронза; 4 — микрократер;
5 — края с большими на-
плывами (утолщениями)
165
Рис. 316. Трехслойный под-
шипник скольжения со сло-
ем заливки из сплава PbSnCu
подвергался в лабораторных
условиях ультразвуковой об-
работке с целью образова-
ния кавитации. Для началь-
ной стадии характерно рас-
ширение канавки и возник-
новения трещин, которые об-
разуются преимущественно
у основания утолщений. От-
дельные сферические участки
не деформированы. Х2300
Рис. 317. Зона, в которой
слой заливки износился
вплоть до никелевого покры-
тия. По направлению линий
можно сделать вывод, что
отрыв типа усталостного из-
лома в слое заливки рас-
пространился вдоль никеле-
вого слоя. Последний слу-
жит преградой при распро-
странении кавитации. Обра-
щает на себя внимание боль-
шая выпуклость краев кана-
вок, образовавшаяся при
пластической деформации
Х23О
Рис. 318. Расширение кавита-
ционной канавки вдоль ни-
келевого слоя, который ока-
зывает противодействие
ударным импульсам; мягкий
слой заливки вкладыша на
краях канавки пластически
деформируется. Х2400
166
Рис. 319. В центре образовав-
шейся при ультразвуковой
обработке кавитационной ка-
навки в PbSnCu-слое вкла-
дыша подшипника никелевый
слой разрушился (на фото-
графии внизу слева). Темные
места у верхнего края цент-
рального кратера представ-
ляют собой опустившийся
край чешуйки в никеле (се-
редина фотографии). Х60О
Рис. 320. Центральный кра-
тер внутри полученной после
ультразвуковой обработки
кавитационной канавки, глу-
боко внедрившийся в распо-
ложенную под ним свинцо-
вистую бронзу. Слева на фо-
тографии виден край ма-
ленькой чешуйки в никеле-
вом слое, который в исход-
ном состоянии находился
над неповрежденной свинцо-
вистой бронзой. На этой фо-
тографии также показано,
что никелевая чешуйка под
воздействием ударных им-
пульсов вдавлена в бронзу,
так что боковые стороны ее
несколько приподняты. На-
ряду с пластической дефор-
мацией в свинцовистой брон- J
зе заметно межкристаллит-
ное разрушение. Х6000
167
Рис. 321. Кавитационное раз-
рушение вкладыша подшип-
ника из трехслойного мате-
риала в условиях эксплуата-
ции; разрушение началось с
возникновения тонких прямо-
линейных усталостных изло-
мов, расположенных перпен-
дикулярно к направлению
вращения. Х2000
Рис. 322. В центре двух ка-
витационных канавок, обра-
зовавшихся в слое заливки
вкладыша подшипника из
сплава PbSnCu, был разру-
шен нижележащий никелевый
защитный слой, прйчем так
глубоко, что маленькие цент-
ральные кратеры уже пере-
шли на расположенную под
никелевым слоем свинцовис-
тую бронзу. Х120
Рис. 323. В условиях эксп-
луатации никелевый слой в
центре кавитационных кана-
вок может также разруши-
ться. Прошитый трещинами
никелевый защитный слой в
виде сита может опуститься
в глубину. Расположенная
под ним более мягкая свин-
цовистая бронза продавли-
вается через отверстия в
разрушенном ситообразном
никелевом слое; образовав-
шиеся при этом гребни (за-
усенцы) могут отламываться.
Х5500
168
Рис. 324. Начальная стадия
кавитации, воспроизведенной
в лабораторных условиях с
помощью ультразвука; мате-
риал — слой заливки вклады-
ша подшипника скольжения
из сплава AlSn (20 % Sn;
1 % Си). Мягкая оловосодер-
жащая фаза способствует
образованию экструзий, рас-
положенных между темными
областями алюминиевой мат-
рицы. Эти экструзии сходны
с экструзиями, которые воз-
никают на начальной стадии
усталостного излома. При
дальнейшем воздействии
ударных ультразвуковых им-
пульсов экструзии продол-
жают деформироваться, и
повреждения матрицы меж-
ду ними углубляются. Х1000
Рис. 325. При развитии ка-
витации (однако еще до об-
разования сквозных отвер-
стий) экструзии продолжают
деформироваться вследствие
дальнейшего воздействия
ультразвука. Основания вмя-
тин в матрице, образовав-
шихся за счет ударных им-
пульсов, состоят из алюми-
ния (темные участки); меж-
ду ними выдавливается вверх
слово. Х1000
Рис. 326. Конечная стадия
кавитации: при продолжаю-
щемся действии ударных
импульсов экструзии продол-
жают непрерывно деформи-
роваться и кратеры углубля-
ются. Изображение центра
глубокого кратера характе-
ризуется следующими при-
знаками: 1) дно кратера
имеет вид «отпечатка паль-
ца»; 2) стенки кратера —
слоистые, с большим1 числом
складок: 3) имеются отко-
ловшиеся частицы материа-
ла. XI 000
6 Зак. 304
16»
Рис. 327. Канавки, образо-
вавшиеся в результате кави-
тации в потоке жидкого
топлива, идущего под давле-
нием через трубопровод из
стали Х5 CrNi 189. Х50
Рис. 328. В кавитационной
канавке видны следы силь-
ной пластической деформа-
ции: 1) кратеры различной
величины, диаметром от 4
до 12 мкм; 2) складки ма-
териала на краях кратеров;
3) признаки разрушения
вдоль границ зерен; 4) ос-
колки и обломки (продукты
разрушения) различных раз-
меров. Х2ОО0
Рис. 329. Следы деформации
в кавитационных канавках
в виде кратеров различных
размеров; например, два ма-
леньких кратера наверху,
слева и справа, у края фо-
тографии. Х2000
170
Рис. 330i
Рис. 331,
Кавитация, наблюдаемая в
турбинном! подшипнике из
литого сплава 80 Sn-12 Sb-6
Cu-2 Pb. Типичные призна-
ки — линии скольжения на
кристаллах твердого раство-
ра Sb-Sn и усталостные из-
ломы, распространяющиеся
в глубину. Х2400; ХбООО
Зак. 304
171
Рис. 332. В твердых материа-
лах кавитационное нагруже-
ние приводит к выкрашива-
нию, являющемуся следстви-
ем усталостных изломов.
Это явление сходно с обра-
зованием питтинга при кон-
тактном трении (контактной
усталости) (ср. с рис. 271 и
272). На рис. 332 видно вы-
крашивание «высвобожден-
ных» карбидов хрома в ста-
ли lC-1,25 Cr-Oi.3 Мп. Х5500
Рис. 333. Вызванные кавита-
цией усталостные изломы в
стали 210CrW12, ориенти-
рованные по шлифовочным
рискам. Х5000
172
спрессовывается с никелевым слоем и образует кратеры
и локальные сужения вокруг них. Края канавок сильно
«спрессовываются», одновременно образуются местные
утолщения. Постоянно повторяющаяся переменная на-
грузка способствует дальнейшему распространению ус-
талостного излома вдоль никелевого слоя. В донной
части некоторых кавитационных канавок образуется
центральный кратер (см. рис. 315, 319, 320 и 322). Там
никелевый слой прорывается, и разрушение от образо-
вавшегося кратера переходит на свинцовистую бронзу.
Особенностью при этом является то, что остатки нике-
левого защитного слоя иногда вдавливаются в более
мягкую свинцовистую бронзу. Между этими остатками
никеля более мягкая бронза вытесняется вверх.
3.3.2. Химическое воздействие
Унос металла под влиянием химического воздействия
носит название коррозии. Коррозионные явления пред-
ставляют собой гетерогенные реакции, в которых при-
нимают парное и множественное участие различные фа-
зовые составляющие, как, например, твердая фаза с
твердой фазой, твердая фаза с жидкой фазой, твердая
фаза с газообразной фазой; во многих случаях вызы-
вающие коррозию реакции протекают преимущественно
по границам фаз (и/или зерен).
Первым шагом коррозионного процесса является об-
разование реакционного слоя между фазами, в котором
реализуется концентрация насыщения. При этом собст-
венно процесс коррозии, как следствие химической ре-
акции, протекает очень быстро. Если концентрация на-
сыщения превышается, то на поверхности твердого тела
образуется покровный слой из продуктов реакции. Этот
процесс включает образование центров кристаллизации
и их рост. Включения, имеющиеся в корродирующей
фазе, могут этот процесс тормозить или в редких слу-
чаях ускорять.
Количество ионов, поступающих из твердого тела в
раствор, зависит: от градиента концентраций между
твердым телом и активным реагентом; эффективной
поверхности твердого тела; условий протекания потока
веществ, вызывающих коррозию, вдоль корродирующей
поверхности; от диффузии этого вещества (точнее его
ионов) и атомов твердого тела сквозь реакционный
слой.
Таким образом, диффузия во многом контролирует
весь ход реакции. С увеличением толщины защитного
(покровного) слоя реакция сильно замедляется. От
свойств тонких покровных слоев, их структуры, раство-
римости в них других реагентов, устойчивости покровно-
го слоя против действия активной среды и зависит
стойкость металла против химического воздействия. В
большинстве случаев возникают рыхлые пористые по-
кровные слои, которые лишь в малой степени затруд-
няют развитие вызывающей коррозию реакции. Поэтому
одной из главных задач является выбор в качестве кор-
розионностойкого металла или сплава такого твердого
тела, покровный слой на котором позволяет добиться
оптимальной защиты, препятствующей распространению
коррозии, т. е. это должен быть слой, в котором в мак-
симальной степени заторможена диффузия..
На основании микроскопических исследований извест-
но, что металлы взаимодействуют с поверхностью и
растворяются на ней неравномерно. Преимущественное
взаимодействие наблюдается в местах расположения
дислокаций и загрязнений. Возникают фигуры травления
(углубления) вдоль особых кристаллографических
направлений.
3.3.2.1. Воздействие твердых тел
Случаи, когда два соприкасающихся тела взаимодей-
ствуют в производственных условиях, не будучи соеди-
нены с помощью сварки или пайки, встречаются крайне
редко. Практическое значение имеет взаимодействие ме-
таллов с серой или углеродом.
Переход реагента в металл происходит за счет объем-
ной или граничной диффузии, т. е. через зерно или
вдоль границ зерен. Образовавшиеся в результате кор-
розионной реакции фазы могут при определенных ус-
ловиях приводить к таким повреждениям материала,
при которых он теряет требуемые свойства, особенно
пластичность.
Случаи, когда реакции в твердой фазе приводят к
уносу материала, практически не наблюдаются. Одна-
ко в результате обмена атомами может происходить
образование ряда сплавов, вследствие чего могут из-
меняться прочностные характеристики. Поверхностное
охрупчивание может при одновременном механическом
воздействии привести к выкрашиванию. Наиболее изве-
стный случай — охрупчивание стали в результате це-
ментации при образовании на поверхности сплошного
карбидного слоя..
3.3.2.2. Воздействие водных растворов
З.З.2.2.1. Электрохимическая коррозия
в водных растворах
З.З.2.2.1.1. Электрохимическая коррозия
в спокойных водных растворах
Коррозия вызывается воздействием на металлическую»
поверхность ионов диссоциирующих солей, кислот и
щелочей. Исходя из самого характера химической связи
должен происходить обмен зарядами. Важными явля-
ются реакции в кислой или основной среде.
Кислотное или основное действие среды является не-
характеристическим свойством вещества, а функцией
характера взаимодействия компонентов реакции и их
концентрации. Кислоты служат донорами протонов, они
легко отдают ионы водорода. Основания являются ак-
цепторами протонов, они легко воспринимают ионы во-
дорода. Согласно этому, могут существовать как ней-
тральные молекулы, так и кислотные или основные
ионы [6].
Электрохимические реакции состоят из следующих,
элементарных реакций:
а) анодное растворение металлов, например М->
-^-М2++2е (окисление);
б) катодное восстановление растворенных окислите-
лей (кислородная коррозия) Ot2+4e+2H2O->4OH;
в) выделение водорода (кислотная коррозия): 2Н++
4-2e->Hi2-
В случае если на поверхности металла имеются уча-
стки с различным потенциалом, например ступеньки
скольжения, границы зерен, инородные фазы, то в этих
местах происходит локальное взаимодействие и металл
растворяется в электролите.
Мерой способности металлов к растворению являют-
ся электрохимические потенциалы, которые сравнива-
ются с собственным потенциалом нормального водород-
ного электрода (например, Hg-каломельного электрода).
Если выстроить элементы по их потенциалам, то мож-
но получить электрохимический ряд напряжений эле-
ментов Na+, Al3+, Mn2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+, Ni2+, Мо3+^
Sn2+, Pb2+, Н+, Cu2+, (Hg2)2+, Ag+, Hg2+, Pt2+, Au3+.
Эта последовательность справедлива только при опре.
деленных условиях (одномолярный водный раствор иона
металла при 25°С). В присутствии посторонних атомов
склонность к растворению металлов в электролитах из-
меняется, благодаря чему может измениться их положе-
ние в ряду напряжений.
Металлы, которые расположены в ряду перед водоро-
дом, обладают меньшим сродством к электронам, чем по-
следний. Водород отнимает от этих металлов электроны,
ион металла переходит в раствор, причем образуется мо-
лекулярный водород. Металлы, стоящие в ряду после
водорода, имеют большее сродство к электронам и при
отсутствии кислорода в кислотах не корродируют.
173
Рис. 3341
Рис. 335
На внутренней стороне тру-
бы из стали с 25 % Сг и
20 % Ni при 1050° С выделил-
ся графит. Из этого графи-
тового слоя углерод продиф-
фундировал в структуру и
образовал крупные карбиды,
которые заняли около трех
четвертей объема материала.
В видоизмененных таким об-
разом областях произошло
выкрашивание и образование
трещин (рис. 334 после ульт-
развуковой очистки). В изло-
ме (рис. 335) наблюдаются
темные пронизанные трещи-
нами карбиды, между кото-
рыми видны светлые участ-
ки аустенита. ХЮ00; Х2000
174
Рис. 336
Рис. 337
Рис. 338
К рис. 334 и 335. На шлифе
можно различить светло-се-
рую карбидную фазу, по
краям которой расположен
черный графит. Строение
карбидов в прилегающей к
основному металлу облас-
тях (на рис. 337 и 338 —
светлое поле) весьма раз-
лично. На краю изделия
(рис. 337) — карбид типа
М23С6. На нижней фотогра-
фии показана центральная
часть изделия с карбидами
и выделившимися частичка-
ми металла в соответствии
с реакцией М23Сб->2М7Сз+9М.
Эти более богатые углеро-
дом карбиды образовались
в результате дополнительной
диффузии его из выделив-
шейся графитовой фазы.
Х75; Х1650
175
Для такого материала, как железо, это означает, что
юно постоянно растворяется в кислотах. Из рассмотрения
системы железо — вода (рис. 339) следует, что при низ-
ких значениях pH и малых концентрациях железа имеет-
ся большая разность потенциалов, т. е. наблюдается силь-
ная склонность к окислению. При увеличении pH раз-
ность потенциалов уменьшается, поскольку из раствора,
насыщенного ионами железа, выпадает гидроксид же-
леза (образование защитного слоя). Таким образом, при
использовании ряда напряжений необходимо принимать
во внимание потенциалы образующихся реакционных
«слоев.
Рис. 339. Диаграмма состояния железо — вода (бескислородная)
(по: Homig Н. — Metall u. Wasser, 1984):
1 — потенциал водородного электрода; 2 — насыщение ионами
Fe; 3 — потенциалы железных электродов при различных со-
держаниях железа в электролите
302 + 6Н20 + 12е — 120Н
4Fe3+ + 120H‘ —- 4Fe(0Н)3
4Fe — 4Fe2+ + 8е
4Fe2++ 02 + 4H20
^4FeJ++4OH’
Рис. 340. Схема образования локального гальваноэлемента в
местах разрыва покровного слоя в железных сплавах полосами
скольжения или трещинами:
1 — трещина в покровном слое за счет релаксации упругой
энергии в основном металле; 2 — полоса скольжения; 3 — по-
кровный слой; 4 — покровный слой-катод; 5 — анод
Как правило, поверхности металлов покрыты защит-
ными слоями, которые в ряде случаев делают металл
пассивным в отношении коррозионного воздействия. Эти
пассивирующие покровные слои образуются за счет ре-
акции металла со средой. Особое значение имеют оп-
ределенные соли, оксиды и химически адсорбированный
кислород. Толщина пассивирующих слоев, как правило,
составляет 1—10 нм. Большое значение для оценки по-
ведения пассивированных металлов и их стойкости про-
тив коррозии имеют плотность и структура этих слоев.
Плохо связанные с основным металлом и пористые по-
верхностные слои не могут обеспечить требуемую защиту
от коррозии и противостоять уносу материала с метал-
лической поверхности (противостоять коррозионному раз-
рушению поверхности). Прочно связанные с металлом
плотные пассивирующие слои защищают лежащий под
ними металл, однако всегда существует опасность того,
что в некоторых дефектных местах слоя, где нарушена
его сплошность, произойдет точечная (локальная) кор-
розия. Повреждения пассивирующего слоя происходят
главным образом из-за упругих и пластических дефор-
маций в результате приложения рабочих напряжений или
в результате внешнего воздействия на данное изделие со
стороны другого (твердого) тела (рис. 340). Если по-
вреждение нельзя ликвидировать прежде, чем к поверх-
ности поступят анионы коррозионной среды, то образу-
ется локальный гальваноэлемент между катодным слоем
и анодным основным металлом, и ионы металла раство-
ряются (элементарная реакция типа а). При наличии
кислорода в растворе последний в соответствии с эле-
ментарной реакцией типа б восстанавливается на пасси-
вирующем слое до ионов ОН, что приводит к образова-
нию локального гальваноэлемента согласно схеме
рис. 340. Такой локальный элемент стабилизируется бла-
годаря различию в скоростях элементарных реакций в
отдельных местах поверхности. На анодных участках
вследствие гидролиза образуется большое число ионов
водорода, что важно при реализации реакции типа б.
Первоначальное различие в величине pH поэтому сохра-
няется, что стабилизирует локальный элемент. В кислой
среде протекает элементарная реакция типа а. Вследствие
участия ионов водорода реакция на катоде зависит от
величины pH. Потенциал анода, напротив, определя-
ется только концентрацией растворенных ионов металла.
Однако поскольку растворимость ионов металла с уве-
личением pH уменьшается, анодный потенциал также
косвенно зависит от pH. Разность потенциалов между
анодом и катодом следует рассматривать как движущую
силу реакции. Общим для обоих типов реакций (электро-
лит содержит кислород или он свободен от кислорода)
является то, что анодная элементарная реакция по-
ставляет электроны, которые используются во второй
элементарной реакции.
При малой склонности ионов металлов к гидролизу и
хорошей пассивируемости локальные элементы могут
вызвать изъязвление поверхности металла, подобное
уколам иголками. При недостаточной пассивируемости и
сильной тенденции к гидролизу наблюдаются повреж-
дения в виде канавок на поверхности. Чем меньше склон-
ность среды к образованию пассивирующего слоя, тем
равномернее происходит химический унос материала с
поверхности.
Местяая (локальная) коррозия
Каждое местное химическое воздействие на поверхность
металла обусловлено образованием вызывающего кор-
розию локализованного гальванического элемента. Про-
исходит обмен зарядами, причем корродирующий металл
является анодом. В зависимости от расположения ка-
тодов различают точечную коррозию и избирательную
коррозию (рис. 341). При точечной коррозии вся струк.
тура металла подвержена коррозии (в целом), а при из-
бирательной коррозии — только определенная структур-
ная составляющая, а именно: та имеющаяся в структуре
металла фаза, которая является относительно менее бла-
176
городной; на более благородную фазу в данных усло-
виях коррозия влияния не оказывает.
В среде с высоким содержанием кислорода точечная
коррозия происходит в том случае, когда в определен-
ных местах (трещинах в слоях покрытий, при выходе на
поверхность неметаллических и других инородных вклю-
чений) имеется недостаток кислорода. В этих местах
дефектный покровный слой переходит в раствор. Кор-
розионное разрушение может протекать как транскри-
сталлитно, так и межкристаллитно. Особое значение
этот последний вид коррозии имеет в случае хромистых
или хромоникелевых сталей, а также при использовании
гетерофазных сплавов.
Статистически неравномерное распределение легиру-
ющих элементов в сплаве предопределяет то, что области
вблизи границ зерен могут быть либо обогащены, либо
обеднены конкретными примесями. Таким образом, воз-
никают катодные и анодные участки, и коррозионный
процесс может избирательно поддерживаться в пригра-
ничных объемах. Наиболее известна межкристаллитная
коррозия хромистых и хромоникелевых сталей. После
определенной термической обработки, так называемой
сенсибилизации (нагрев на 850рС для хромистых и на
550—650°С для хромоникелевых сталей), по границам
зерен в этих сталях выделяются карбиды типа МавСб.
(обогащенные хромом), а объемы металла у границ зе-
рен обедняются хромом. Этот процесс зависит от про-
должительности и температуры нагрева и может быть
для каждого конкретного случая изучен металлографи-
чески.
Вводя добавки таких стабилизирующих элементов, как
титан и ниобий, образующих труднорастворимые кар-
биды, в которых углерод прочно связан, а также огра,
ничивая содержание углерода, эти сплавы можно в изве-
Точечная коррозия
Избирательная коррозия
Рис. 341. Различные виды локального коррозионного воздействия вследствие образова-
ния микрогальваноэлементов. Схема:
а — контактная (К) и щелевая (Щ) коррозия; б — «обесцинкование», «обезникелева-
яие», «обезалюминиевание»; в — точечная коррозия; г — избирательная коррозия; 0 —
распад по границам зерен; е — «губчатая» коррозия в чугуне 1 — участок благородного
металла; 2 — участок неблагородного металла; 3 — кристаллы чистой меди; 4 — покров-
ный слой; 5 — медный сплав; 6 — покровной слой; 7 — металл; 8 — благородная фаза;
9 — неблагородная фаза; 10— основной металл; 11 — выделения по границам зерен, на-
пример карбиды; 12 — перлит, феррит; 13 — графит
177
Рис. 34,2. В хромоникелевой
стали в результате воздей-
ствия HNO3 растравливание
и потеря металла произошли
преимущественно по грани-
цам зерен. XI000
стной степени сделать нечувствительными к этому виду
коррозии, так как из-за «нехватки» свободного углерода
карбиды хрома практически не будут образовываться.
Кроме приведенных на схеме рис. 341 вариантов, в ка-
честве причин, вызывающих локальную коррозию, еще
известны:
пористость и другие поверхностные дефекты; механиче-
ские направленные остаточные напряжения; различия в
концентрации (сегрегации); неравномерное распределе-
ние температур; резкие различия в ориентировке кристал-
лов (например, неблагоприятная текстура).
З.З.2.2.1.2. Эрозионно-коррозионные повреждения
Электрохимическая коррозия
в быстро текущих водных растворах
Эрозию металлов с образованием желобков (углублений)
от воздействия потока при одновременном влиянии
электрохимических процессов растворения поверхности
предложено называть коррозионной эрозией. Если обра-
зование плотно прилегающих к поверхности продуктов
коррозии затруднено из-за достаточно высоких скоро-
стей потока (рис. 377) или вследствие недостаточной
концентрации ионов ОН“, то защитный покровный слой
образоваться не может (особенно в случае обычных уг-
леродистых сталей). В этих случаях подвергаемый эро-
зии металл постоянно растворяется в электролитах.
3.3.2.2.2. Коррозия в водных растворах,
контролируемая диффузией в твердой фазе
Под контролируемыми диффузией в твердой фазе ви-
дами коррозии понимают такие химические изменения
поверхности металла под воздействием растворов, ко-
торые происходят без участия электрохимических про-
цессов Наиболее известный пример — коррозия стальных
труб в горячей воде. Процесс начинается с роста слоя
магнетита на поверхности железа. В нормальных усло-
виях этот слой защищает сталь от дальнейшего окис-
ления. Обогащение поверхностного слоя примесями и
соединениями (силикаты, фосфаты, карбиды, оксиды же-
леза, оксиды меди) затрудняет теплоотдачу и способ-
ствует вследствие этого сильному местному перегреву.
Это приводит к разрушению защитного слоя, и вода мо-
жет непосредственно войти в соприкосновение с метал-
лом трубы, который при этом корродирует под образо-
ваниями магнетита. Постоянное повторение этого про-
цесса приводит к уменьшению толщины стенок и к раз-
рыву труб.
3.3.2.3. Воздействие расплавов
При осуществлении ряда производственных процессов
на поверхность металлов оказывают непосредственное
воздействие расплавы солей и металлические расплавы.
В первом случае происходит электрохимическая реак-
ция, а во втором — образование сплава в соответствии с
существующей диаграммой состояния.
Различают воздействие кислых и основных расплавов
солей. При этом под кислыми солями понимают вещества,
образующие катионы, а под основными — вещества, об-
разующие анионы.
Наиболее часто встречающийся в технике случай — ра-
створение металлов с покровными слоями при повышен-
ных температурах в присутствии кислорода. Поскольку
происходит значительная диссоциация расплавов солей
с образованием ионов можно считать, что процессы та-
кого растворения имеют электрохимическую природу.
Несмотря на принципиальное общепринятое определение
понятий основания и кислоты, для характеристики рас-
плавов недостаточно знания величины pH. В расплавах
рассматриваются кислоты как 02"-акцепторы и основа-
ния как О2“-доноры.
178
Рис. 343. На внешней повер-
хности труб из ферритной
стали при 11CFG произошла
конденсация HNO3. Под ока-
линой произошло растравли-
вание ферритной основы
(матрицы). Равномерная по-
теря материала макроскопи-
чески заметна уже при ма-
лых увеличениях: появляют-
ся канавки, у которых вид-
ны многочисленные ямки
травления; средний диаметр
этих ямок составляет 2 мкм.
Наконец, вся поверхность
трубы покрывается ямками
травления, так что она ка-
жется матовой. Х2200
Рис. 344. Воздействие серу-
содержащих паров масла на
углеродистую сталь при
300°С. Высвобождающийся в
результате реакции серово-
дород растворяет поверхность
зерен, создавая террасовид-
ные образования. Х6500
179
Рис. 345:
Рис. 346
Внешняя поверхность трубы
водопровода из-за неправиль-
ного монтажа постоянно и
со всех сторон подвергалась
воздействию влаги при до-
ступе воздуха. Снаружи на
большом протяжении поверх-
ности трубы произошло силь-
ное ржавление вплоть до
сквозного прорыва стенки
трубы. С помощью ультра-
звуковой очистки были уда-
лены рыхлые, «скваченные»
с основным металлом слои
гидроксида, так что стали
видны зерна феррита. Ма-
ленькие светлые структур-
ные составляющие — перлит.
Х1100; Х2200
ISO
Рис. 347. Канавки, заметные
даже при макроскопическом
рассмотрении; образовались
в результате воздействия па-
ра, содержащего NaOH, при
1|00°С на углеродистую сталь.
При микроскопическом ис-
следовании (РЭМ) обнару-
живается террасовидная де-
струкция поверхности зерен;
террасы ориентируются вдоль
определенных кристаллогра-
фических направлений. Х2000
Рис. 348. Углеродистая
сталь; 10%-ная горячая сер-
ная кислота оказывает раз-
рушающее воздействие, разъ-
едает металл по границам
зерен и на поверхности.
Х2000
181
Рис. 34.9. Локальная (мест-
ная) коррозия алюминия,
вызванная воздействием
сильно щелочного водного
раствора. Белые точки пред-
ставляют собой «высвобо-
дившиеся» кремнийсодержа-
щие фазы. Х140
Рис. 350. Локальная (точеч-
ная) коррозия трубы тепло-
обменника из Cr-Ni стали.
Покровный слой был локаль-
но разрушен активной сре-
дой (водный раствор пер-
хлорэтилена). Х500
182
Рис. 351
Рис. 352
Коррозия в присутствии кис-
лорода в водопроводной тру-
бе из углеродистой стали,
через которую непрерывно
течет вода. Признаками та-
кой «кислородной» корро-
зии являются: круглые лун-
ки вида вишневой косточки,
состоящие из V-FeOOH; в
ряде мест видна иголь-
чатая структура. На рис. 351,
вверху — «высвобожденный»
в результате коррозионного
воздействия цементит по
границам зерен стали. Х630;
X23Q0
183
Рис. 353. Коррозия трубы из
углеродистой стали, через
которую протекает горячая
вода в присутствии кисло-
рода; в результате образова-
лись отложения гетита
(сс-FeOOH). Последний мож-
но различить по округлым
переплетенным пластинкам.
Макроскопическая окраска —
красно-коричневая. Х5000
Рис. 354. Коррозия трубы из
углеродистой стали, через
которую протекает горячая
вода в присутствии кислоро-
да; в данном случае обра-
зовались отложения типич-
ного лепидокрокита
(T-FeOOH). Последний име-
ет вид игольчатых образо-
ваний. Макроскопическая
окраска — коричневая Х7000
184
Рис. 355
Рис. 356
В результате недостаточной
химической обработки (очист-
ки) котловой воды содержа-
ние кислорода в ней было
слишком высоким. Вследст-
вие этого на внутренних по-
верхностях труб подогрева-
теля возникла сильная точеч-
ная коррозия. Кислород по-
стоянно связывает переходя-
щие в раствор ионы железа.
Образующийся гидроксид
железа откладывается на
поверхности стальной трубы,
что служит причиной того,
что непрерывно поддержива-
ется локальный коррозион-
ный процесс. Локальные эле-
менты состоят из растворен-
ных активных областей и
слоев гидроксида железа.
Микроструктура углублений
определяется наличием кар-
бидной сетки; последняя при
растворении металлической
матрицы при коррозии прак-
тически не затрагивается.
Х200; Х2000
185
Рис. 357
Рис. 358
«Обезникелевание» трубки
холодильника из сплава
GuNi30Fe. При воздействии
загрязненной воды на внут-
реннюю поверхность трубы
вначале образуется раствор,
содержащий медь и никель.
Затем из него выпадают ку-
бические кристаллы меди;
между ними и основным ма-
териалом внутренней поверх-
ности трубы могут образовы-
ваться локальные гальвано-
элементы. Будучи анодом,
основной материал растворя-
ется с образованием бороз-
док. Так как никель остает-
ся в растворе, содержание
его в сплаве уменьшается.
Х10О; Х50О
Рис. 359. В конденсаторной
трубе (латунь CuZn 28 Sn)
поток соленой воды вызывал
«обесцинкование». Корроди-
рующая поверхность омыва-
лась раствором, который со-
держал ионы цинка и меди.
Затем на этой поверхности
выпали из указанного рас-
твора кубические кристалли-
ки меди. Между матричны-
ми кристаллитами a-твер-
дого раствора латуни и толь-
ко что выделившимися кри-
сталликами меди образова-
лись локальные гальваноэле-
менты. Действующий как
анод основной материал (ла-
тунь) подвергается дальней-
шему растворению, при этом
процесс проходит преимуще-
ственно по границам зерен.
ХЮОО
186
Рис. 3601. Труба из сплава
CuZn 28 Sn. Под отложения-
ми известкового мергеля
произошла местная (локаль-
ная) коррозия. Признаками
ее являются квадратные и
треугольные ямки травления
[выходы плоскостей (100) и
(111)1 и разъедание по гра-
ницам зерен. Из раствора
выпала медь (в виде купри-
та). Х2000
Рис. 361. Очищенная щеткой
поверхность листа дверцы
холодильника из стали
X 8 Сг 17. Материал корроди-
ровал под воздействием хло-
ридсодержащих солей. Хло-
риды были обнаружены в
оставшихся на поверхности
отложениях. При очистке
щеткой пассивирующие слои
были разрушены, так что
при их отсутствии малоус-
тойчивая в отношении сопро-
тивления коррозии сталь в
дальнейшем корродировала
еще быстрее. Х450
187
Рис. 362
Рис. 363
На поверхности холодноде-
формированной мартенситно-
стареющей Ni-Co-Mo-стали
во влажной атмосфере, со-
держащей ионы галогенов,
между отложениями и чис-
той поверхностью образовал-
ся локальный гальваноэле-
мент, приводящий к образо-
ванию точечной (дырчатой)
коррозии. В основании кор-
розионных канавок видны
кристаллографически ори-
ентированные ямки травле-
ния. Х500; ХбООО
188
Рис. 364. Аустенитная сталь
X НО CrNiMoTi 18 10 менее
восприимчива к коррозии по
сравнению с 17%-ной хромис-
той ферритной сталью, кото-
рая в присутствии хлоридов
корродирует с образованием
канавок. Однако несмотря
на большую устойчивость
против воздействия хлорид-
содержащей атмосферы все
же образуются повреждения,
подобные проколам острой
иглой (но канавки не наблю-
даются). Х400
Рис. 365. Фильтр из аусте-
нитной стали (18% Сг; 8% Ni),
используемый для фильтро-
вания серы; видны дырки,
образовавшиеся в результате
коррозии проволоки под влия-
нием серусодержащего СаС12.
Х55О
Рис. 366. На подводящем
электрическом проводнике в
одном месте было повреж-
дено гальваническое золо-
ченое покрытие; в отлетев-
шем месте золото образова-
ло с расположенным под
ним неблагородными (же-
лезным) сплавом и какой-
то электролитической средой
активный элемент. Этот вид
коррозии известен как кон-
тактная коррозия. ХЗОО
189
Рис. 367
Рис. 368
При проникновении воды ас-
бестовая изоляция стала
влажной. В этих условиях
прилегающая к асбесту алю-
миниевая поверхность.корро-
дировала. В некоторых мес-
тах коррозия происходила
вследствие прилипания пуч-
ков волокон асбеста. При-
липшие волокна затрудняли
поступление кислорода, и
покровный защитный слой
под ними не мог обновлять-
ся. Этот вид коррозии но-
сит название щелевой. Кроме
того, происходит капилляр-
ное действие волокон, кото-
рые постоянно доставляют
воду. Х100; Х200
190
Рис. 369. Труба из хромомо-
либденовой стали. Для уда-
ления отложений на внут-
ренней стенке трубы реакто-
ра для химического синтеза
проводили стравливание
8%-ным раствором соляной
кислоты. На поверхности
выявились статистически
распределенные язвинки и
поры. Х60
Рис. 370. Травленая 10%-ной
серной кислотой поверхность
листа из углеродистой стали.
Процесс травления вызывает
образование глубоких пор,
которые отделены друг от
друга острыми гребнями.
Х50
191
J
Рис. 371. Селективная (изби-
рательная) коррозия рабоче-
го колеса центробежного на-
соса из серого чугуна, выз-
ванная воздействием смеси
бензина с водой. Металличе-
ская матрица растворяется;
катодные пластиночки гра-
фита (справа внизу и слева
вверху снимка) не подверг-
лись коррозионному воздей-
ствию. XI050
Рис. 371 А. «Филигранная»
(или «ограненная») корро-
зия на поверхности анодиро-
ванного алюминиевого листа
(сплав AlMgO,5). Поврежде-
ние вызвано использованием
для очистки листотравиль-
ных средств, содержащих
хлориды и сульфаты. Х5400
192
Рис. 372. Сенсибилизирован-
ная сталь Х20Сг13. Вблизи
места высокотемпературной
пайки произошло межкрис-
таллитное растрескивание в
результате действия фторсо-
держащего флюса. Х2000
Рис. 373. Трубчатый шланг
из аустенитной стали
X5CrNil8,9. При микроскопи-
ческом исследовании обна-
ружено межкристаллитное
растрескивание и выделение
(оболочка) карбидов по гра-
ницам зерен. В течение года
через трубу протекал бензол
при 600>°С, в результате чего
по границам зерен выдели-
лись карбиды (сенсибилиза-
ция). При последующем про-
паривании трубчатого шлан-
га хлоридсодержащим мок-
рым паром возникла сильная
межкристаллитная коррозия,
приведшая в конечном счете
к межкристаллитному рас-
трескиванию. ХбСЮ
Рис. 374. Селективная (из-
бирательная) коррозия а-фа-
зы на поверхности несущего
ребра из Mg-Zr-Zn сплава,
возникшая вследствие непра-
вильного хранения его во
влажной, содержащей хло-
риды атмосфере; 3-фаза кор-
розионного воздействия не
испытывала. Х230
193
?' 4^ '"ib""- ’ ' ЙЙг W
Рис. 375.
Рис. 376
На отдельные участки по-
верхности бронзового кольца
насоса для питания котло-
вой водой налипли островки
низколегированной хромистой
стали. Между бронзой и
сталью в потоке среды об-
разовались микрогальвано-
коррозионные элементы. Бла-
годаря этому а+0-эвтектоид
бронзы подвергся селектив-
ной коррозии. Х65; Х260
194
Для расплава сульфатов это означает:
SO^-^+OV;
Основание -> кислота + О2”.
Для слоев оксидов хрома в щелочных расплавах:
Cr2O3+2Na2O+3O2“->2 Na2CrO4, или упрощенно
Сг2О3+5 022-->2(Сг04)2-.
Кислота +О2~ -> основание.
Отсюда можно сделать принципиальный вывод, что
при малых содержаниях О2- (условия восстановления)
мы имели дело с кислым расплавом, который также в
соответствии с определением величины pH (—lgH3O+)
должен соответствовать большим значениям рО2. Малые
значения рО2 (условия окисления) указывают на нали-
чие основного расплава.
Большое сходство между коррозией в водной среде и
в солевых расплавах не должно вводить в заблуждение в
тех случаях, когда мы рассматриваем кинетику упомя-
нутых реакций. Разница в кинетике будет большая, по-
скольку только при высоких температурах возможно бы-
строе установление равновесия.
Материал Скорость потока, м/с Общее содер- жание солей, мг/л Содержание хлоридов, мг/л Суспензирован- ные твердые вещества., мг/л Карбонатная жесткость, мг-экв/л NH3, мг/л pH °C
CuAsP <1,5 <3QOO*3 <1Ю00*4 <;Ю*в < 1,0 >6,5
CuZn28fSn < i.,8*1 <5000*3 <2000*4 <1(0/*6 — <1,0 >6,5 —
CuZn20Al <2,2*‘ — <5ЮЮКГ» <,Ю*6 — < 1,0 >6,5 —
CuNilOFe <2,5*2 — —м — — >6,0 —.
CuNi30Fe <й,0*г — — —. — — >6,0 —.
CuZn39PbOw5 >— — — ,— ' *> < 1.0 >6,5 —
Углеродистая >«1,0 <5000*5 <50|0*5 < 10*6 ^0,7 — —1 —•
сталь
X5CrNil(89 <|5,0 —I < надо <1i0*6' — — —। <40
X5CrNiMoli810i <5,0 i <2000 <1О*6 — — —. <40
X5CrNiMoli812 <|5,O 1 <5000 <Ю*6 — — —1 <40
При превышении предельно допустимого содержания хлоридов необходимо строго ограничизать скорость потока, а именно:
до 1,5 м/с для сплава CuZn 28 Sn и до 1,8 м/с для сплава CuZn20Al.
*2 Если используемая охлаждаемая среда вызывает эрозию (например, вода, содержащая песок), то следует ограничивать
скорость потока, а именно: до 2,0 м/с для сплава QuNi 10 Fe и до 2,2 м/с для сплава CuNi 30 Fe.
*3 При использовании ингибиторов допускается иметь общее содержание солей до 10000, мг/л.
*4 При добавке ингибиторов допускается содержание хлоридов до 5000 мг/л.
*5 Предполагается использование ингибиторов.
*6 Более высокое содержание твердых веществ требует добавки диспергирующих средств. При содержании твердых веществ
выше 20 мг/л необходима частичная фильтрация воды.
Рис. 377. Основные данные для выбора материала труб, используемых в системах охлаждения за '.чет циркуляции воды ['43]
Рис. 378. Эрозионно-корро-
зионное воздействие, вызван-
ное потоком морской воды,
протекающей по внутренней
поверхности трубы теплооб-
менника из сплава CuNilOFe.
ХГ200
195
Рис. 379. В зазоре уплотня-
ющего Си—Sn-бронзового
кольца насоса для подачи
котловой воды обнаружен
приведенный на снимке узор,
характерный для эрозионно-
коррозионного воздействия.
Ребристые и «дюновидные»
образования позволяют опре-
делить направление потока.
Маленькие поры указывают
на серьезное развитие корро-
зионного процесса. Х600
Рис. 380. Внешняя поверх-
ность трубы конденсатора
паровой турбины, сплав
CuZn20Al. Эрозионно-корро-
зионные повреждения в ре-
зультате воздействия воды.
Возникли ребристые вымои-
ны в направлении течения
потока. Поры указывают на
развитие коррозионного про-
цесса. Х2200
196
Рис. 381. В результате вер-
тикального падения потока
воды на трубу конденсатора
паровой турбины (специаль-
ная латунь) образовались
характерные, ориентирован-
ные по структурным элемен-
там узоры. Х2500
Рис. 382. Трубчатая решетка
холодильника с водяным ох-
лаждением; Ms60iPb-латунь
(Мунца). Эрозионно-коррози-
онное воздействие при цир-
куляции охлаждающей сре-
ды. Фаза Р селективно рас-
творяется и преимущественно
вымывается, в то время как
на кристаллах a-фазы обна-
руживается только неболь-
шое рифление. X НОЮ
197
Рис. 383
Рис. 384
Эрозионно-коррозионное воз-
действие на поверхность ла-
туни Ms68Si (система водя-
ного охлаждения). На
рис. 383 виден сформирован-
ный в результате течения
воды выступ с наплывом
(слева вверху). Кроме того,
можно заметить, что корро-
зия несколько предпочтитель-
нее развивается на границах
зерен. Поры подтверждают
наличие коррозионного воз-
действия. Хорошо видно раз-
личие в ориентации сосед-
них зерен. Х450; Х500
198
Рис. 385. Упрощенная схема
роста оксидов на железе в
горячей воде (по Adams
А. М., Feld Е. М.» Holmes
D. R., Stanly R. S.):
1 — поры; 2 — оксид; 3 —
кристалл магнетита; 4 — ме-
талл; 5 — перенос вдоль де-
фектных мест в металле;
6 — кристалл магнетита; 7 —
перенос вдоль межфазовой
границы
3.3.2.4. Газовая коррозия
Такие газообразные фазы, как водяной пар, диоксид уг-
лерода, кислород и т. п. вещества, способны образовы-
вать оксидные соединения с металлами. Возникающие в
результате такого взаимодействия продукты реакции по-
крывают поверхность в виде кристаллического покров-
ного слоя; в другом варианте — при достаточно высо-
ком давлении газа продукты реакции газа уносятся с
этим реакционным газом, и таким образом может про-
исходить беспрепятственное растворение (унос) металла.
Даже разделение основного металла и реакционного
газа при образовании покровного слоя не прекращает
реакцию взаимодействия, поскольку ионы металла и/или
ионы реакционного газа могут диффундировать сквозь
этот покровный слой (рис. 394). Часто катионы и элек-
троны из основного металла переходят через кристал-
лическую фазу покровного слоя и уносятся с газообраз-
ными компонентами реакции.
Большое техническое значение имеет воздействие на
сталь таких окислительных газов, как водяной пар, СО2
и О2. При этом обычно образуются следующие оксиды
железа: вюстит FeO (г. ц. к. решетка); магнетит
Fe3O4 (г. ц. к. шпинельная решетка); гематит
Fe2O3 (ромбоэдрическая решетка). Доля каждого
из этих оксидов в слое окалины зависит от температуры
и парциального давления кислорода в газовой фазе. Маг-
нетит Fe3O4 присутствует практически всегда, т. е. при
всех температурах и при таких низких парциальных дав-
лениях, как 10~26 ат. При достаточном количестве кисло-
рода в окружающем газе из Fe3O4 в широком интервале
температур образуется Fe2O3. Вюстит FeO образуется
только выше 570°С. Область существования гематита и
вюстита сильно зависит от парциального давления кис.
лорода.
Вюстит, который образует нижний слой окалины, эпи-
таксиально ориентируется по решетке основного метал-
ла; в этом случае говорят, что происходит топотактиче-
ский рост кристаллитов. На FeO растут более богатые
кислородом оксиды магнетита Fe3O4, а на нем в виде
тонкого слоя в присутствии достаточного количества
кислорода происходит эпитаксиальный рост гематита.
С увеличением температуры рост постоянно продолжа-
ется. По общей толщине слоя окалины можно, согласно
Тамману [10], вычислить температуру нагрева, которая
была в условиях, когда этот слой образовался.
Целесообразность применения тех или иных металли-
ческих материалов для работы при повышенных темпе-
ратурах определяется наличием замедленной диффузии
компонентов реакции в кристаллической решетке реак-
ционных слоев. Это в известной степени достигается с
помощью легирования стали хромом, кремнием, никелем
и алюминием, оксиды которых образуют плотные слои
типа шпинелей. Эти оксиды в большей степени противо-
действуют диффузии ионов металла, чем оксиды железа,
отличающиеся более простым строением.
199
Рис. 386
Рис. 387
Дефектный слой быстрообра-
зовавшегося магнетита в
пароперегревательной трубе,
обусловленный попаданием
Си и Си2О. Каждый раз при
пуске (после очередной ос-
тановки) медь из материала
трубы конденсатора вслед-
ствие слишком высокого со-
держания кислорода раство-
ряется; в результате цирку-
ляции, происходящей в паро-
генераторе, частички Си2О
попадают в пароперегрева-
тельные трубы и там выпа-
дают. По этой причине ухуд-
шаются условия теплопере-
дачи, труба сильно перегре-
вается и начинается образо-
вание магнетита. При этом
толщина слоя окалины уве-
личивается настолько быст-
ро, что это приводит к еще
большему перегреву и
преждевременному разру-
шению труб из-за ползуче-
сти. Внизу на рис. 387 виден
тонкий (около 2 мкм) по-
кровный слой при его нор-
мальном росте. Столбчатые
кристаллы, которые занима-
ют всю оставшуюся часть
рисунка, образовались вслед-
ствие чрезвычайно быстрого
роста магнетита. Светлые
зерна представляют собой
куприт (Cu2O). Х650; Х6500
200
Рис. 388А. Плотные сросшие-
ся слои магнетита толщиной
около 20 мкм на паропере-
гревательной трубе парового
котла. Х5000
Рис. 388. Нормальный слой,
образовавшийся в условиях
нормального роста магнети-
тового защитного покрытия
в котельной трубе. Над
плотным мелкозернистым
слоем толщиной около 2—
5 мкм видны отдельные кри-
сталлы больших размеров.
Х600
7 Зак. ЗСК
201
Рис. 389. Внешняя поверх-
ность трубы (сталь 15>МоЗ)
нагревателя мусоросжигаю-
щей установки; в эксплуата-
ционных условиях поверх-
ность покрылась слоем соли,
который содержал большую
долю хлорида цинка. При ра-
бочей температуре солевая
корка расплавлялась, и в
восстановительной атмос-
фере СО растворялся пасси-
вирующий слой: Fe3O4+
-hCHCl+CO->3FeCl2 4~ СО2 4-
+ЗН2О. В результате под
этим слоем происходило
межкристаллитное разруше-
ние (см. рис. 390). Х26
3.3.3. Оплавление
Местный нагрев и оплавление поверхности металлов ча-
сто происходят из-за нежелательного и неконтролиру-
емого протекания электрического тока. При исследовании
шлифов с помощью оптического микроскопа очень труд-
но, а часто и невозможно провести идентификацию тон-
ких зон оплавления на металлической поверхности. Ра-
стровый электронный микроскоп позволяет отчетливо
различать эти участки в виде округлых образований,
кратеров и затвердевших капель. Изображения, полу-
ченные с помощью РЭМ, могут оказать ценную помощь
в определении отдельных видов повреждений; это тем
более важно, что повреждения из-за протекания блуж-
дающего электрического тока макроскопически, т. е.
внешне, похожи на изображения повреждений, например,
вследствие кавитации. При изготовлении и монтаже кон-
струкций в местах сварки или в клеммовых соединениях
цепи заземления могут неконтролируемо возникнуть оп-
лавленные места, от которых могут начинаться трещины.
К таким местам относятся точки соприкосновения со
сварочными электродами и следы электрокарандаша. Ме-
стные перегревы, возникающие в процессе эксплуатации
(в пределах или вне машины), могут также вызывать
локальное оплавление.
Все эти оплавленные места действуют не только как
механические, но так же, как структурные концентра-
торы, которые, например, уменьшают усталостную проч-
ность; в частности, в углеродистых сталях она уменьша-
ется почти на половину той величины, которая присуща
образцам без таких повреждений [18].
В оплавленных местах при циклических нагрузках
преимущественно начинаются усталостные изломы. При-
чина этого — неконтролируемые структурные превраще-
ния и напряжения как следствие быстрого расплавления
202
Рис. 390. Межкристаллитное
разрушение трубы нагрева-
теля (сталь 15МоЗ), возник-
шее под жидким расплавом
солевой корки (к рис. 389).
XI100
Рис. 391
Рис. 392
Отливка из хромистой стали
с 32% Сг. Защитный слой
оксидов хрома был видоиз-
менен (переокислен,) в ре-
зультате воздействия кисло-
родсодержащего расплава с
образованием растворимого
хромата калия: 4К2О-|-
+21СГ2О34-ЗО2-НИК2СГО4. По
светлым точкам на рис. 392
можно определить распреде-
ление калия, который внед-
ряется в виде шипов и уско-
ряет коррозионный процесс.
Х.240
I
203
7* Зак. 304,
Рис. 393. Затвердевший слой
расплава V2Os на поверхно-
сти стальной трубы. Кисло-
род, высвобождающийся при
плавлении V2OS, в момент
выделения приводит к силь-
ному окислению стали и.
преждевременному разру-
шению. Х800
Рис. 394. Схематическое
представление о диффузион-
ных процессах и реакциях
по границам фаз при окис-
лении железа в кислороде
выше 570°С
204
Рис. 395. При 600°С внутри
трубы пароперегревателя па-
рового котла образовалась
окалина; в верхней части
снимка видна ее светлая
поверхность; под ней соеди-
нительный эпитаксиальный
слой; под ним! — полученный
слой вюстита (вросший
внутрь материала); в самом
низу — поверхность стали.
Х2О
Рис. 396. Участок рис. 395.
Вверху — эпитаксиальный
слой, образованный за счет
переноса Fe2+; внизу — слой
вюстита, полученный по то-
потактической реакции; об-
разование его основано на
переходе кислорода через
смесь Н2О—Н2. Х100
205
Рис. 397. Участок рис. 395.
Топотактический слой FeO
пронизан пустотами, проис-
хождение которых можно
объяснить внедрением пу-
зырьков водяного пара меж-
ду исходной поверхностью
металла и образовавшими-
ся оксидами. Возникшие
первыми кристаллиты вюсти-
та (FeO) уже покрыты от-
ложениями. Х500
Рис. 398. Участок рис. 395.
Отложения, покрывающие
сформировавшиеся на началь-
ной стадии кристаллиты вюс-
тита, представляют собой
смесь металлического желе-
за и мдгнетита (Fe3O4). Пре-
вращение протекает по реак-
ции 4FeO->Fe+Fe3O4. Х500
206
Рис. 399
Рис. 400
Участки рис. 395. На обоих
снимках изображен эпитак-
сиальный слой оксидов. Об-
разование FeO с кубической
структурой очень хорошо об-
наруживается в нижней
части слоя. В направлении
к газовой фазе образовались
длинные столбчатые крис-
таллы Fe2O3. XI00; Х500
207
Рис. 401
Рис. 402
Коррозия никелевого сплава
нимоник 105 в результате
воздействия горячих газов.
В эксплуатационных услови-
ях при высоких температу-
рах образовался коррозион-
ный слой окалины. Кроме
того, воздействию газовой
коррозии подверглись грани-
цы зерен, выходящие на по-
верхность (рис. 4Q2), что по-
служило причиной возник-
новения усталостного излома.
Х500; X12Ш
208
Рис. 403
Рис. 404
Фланец из стали St35.8 уста-
новки для синтеза спиртов.
В некоторых местах поверх-
ность глубоко прокорроди-
ровала с образованием ка-
навок в соответствии с ре-
акцией Fe4-5CO->Fe(CO)5.
При этом возник легко уле-
тучивающийся карбонил же-
леза. Последний уносился
потоком и не мог поэтому
образовывать защитных сло-
ев. Х52; Х45
209
и последующего резкого охлаждения. В местах оплав-
ления многих сталей возникают местные участки мар-
тенсита. Спонтанно развивающиеся трещины непосред-
ственно после охлаждения быстро оплавленного матери,
ала наблюдаются также после электроэрозионной или
электроннолучевой обработки. Эти трещины могут сразу
же распространиться внутрь основного материала под
расплавленным участком и в дальнейшем привести к
усталостному разрушению.
3.4. Исследование
металлографических шлифов
с помощью РЭМ
Использование РЭМ дает возможность проводить не
только изучение поверхности, но и глубокие металлогра-
фические исследования внутренней структуры при рас-
смотрении шлифов. С одной стороны, с помощью РЭМ.
можно изучать тонкодисперсные фазы за пределами
разрешающей способности оптического микроскопа; с
другой стороны, этот микроскоп позволяет индентифи-
цировать неизвестные фазы с помощью приданных к
нему анализирующих систем.
Не всякий шлиф может быть пригоден для непосред-
ственного исследования с помощью РЭМ. Первым за-
труднением при исследовании является заливочная пла_
стмасса, в которую запрессовывается образец. Этот за-
ливочный материал занимает слишком большой объем,
что нежелательно для многих растровых микроскопов
и, кроме того, не является электропроводным. Таким об-
разом, исследуемый образец необходимо извлекать из
заливочной массы или обеспечивать ее электропровод-
ность за счет нанесения плотно прилегающего проводя-
щего слоя серебра или другого металла (желательно при
металлизации распылением).
Рис. 405. Под влиянием
блуждающих токов возникли
оплавленные участки на ра-
бочей поверхности кольца
шарикового подшипника из
стали ЮОСгб. Подшипник
был установлен в конструк-
ции светильника маяка.
Х120О
210
Рис. 406
Рис. 407
Блуждающие токи оставля-
ют оплавленные участки на
резьбе водопроводной тру-
бы. Х200
211
Рис. 408
Рис. 409
При прохождении тока воз-
никали отдельные оплавлен-
ные кратеры на рабочей по-
верхности вкладыша подшип-
ника из сплава PbSnCu.
Х230; Х1300
212
Рис. 410. Покрытые оксида-
ми участки сварочных элек-
тродов являются не только
механическими, но и струк-
турными концентраторами.
Быстрое охлаждение распла-
ва сварочной ванночки, ок-
руженной холодным метал-
лом, причем более резкое,
чем при обычных процессах
закалки, приводит к образо-
ванию непредсказуемых ме-
тастабильных переходных
структур, например мартен-
сита в ферритных сталях.
При этом возникают высо-
кие суммарные усадочные
напряжения при затвердева-
нии металла шва и напря-
жения, вызванные структур-
ными превращениями. Ре-
зультатом является сильное
уменьшение усталостной
прочности. Х24
Рис. 411. Применение элект-
рографа сопровождалось оп-
лавлением отдельных участ-
ков на поверхности листа из
углеродистой стали. В цент-
ре фотографии — растрески-
вание участка оплавленного
металла. Х200
213
Рис. 412
Рис. 413
В изделии из цементованной
закаленной стали в отвер-
стии, полученном с помо-
щью электроэрозии, в высо-
коуглеродистом слое образо-
вались многочисленные тре-
щины, которые распростра-
нились в основной материал.
Они вызваны как усадочны-
ми напряжениями, так и
структурными напряжениями
в результате превращений
(особенно при образовании
мартенсита). Х22; Х550
214
Рис. 414. Следы пережога
на лопатке компрессора из
титанового сплава. Х20
Рис. 415. От трещины в
оплавленном поверхностном
слое образованного электро-
эрозией отверстия в никеле-
вом сплаве начался устало-
стный излом. \240
215
Поскольку РЭМ не дает возможности получить цвет-
ное изображение, а контраст изображения Отдельных
элементов в ряде случаев недостаточен, иногда трудно
распознать изучаемую структуру. Кроме того, осадок
при травлении может закрывать собственную поверх-
ность металла. По этой причине необходимо особо тща-
тельно применять правильно выбранные методы травле-
ния образцов. В отличие от оптической микроскопии
структура при исследовании с помощью РЭМ тем лучше
распознается, чем глубже протравливается поверх-
ность (больше рельефность). Разумеется, оптимальная
продолжительность травления и ее глубина определяются
экспериментальным путем для каждого конкретного
сплава.
Областью исследования может быть и травленая по-
верхность шлифа, сделанного по месту излома. При этом,,
правда, разрушаются первичные структуры излома, од-
нако может быть получена информация о структуре,
лежащей под поверхностью разрушения.
Рис. 416. Стальная литая де-
таль, протравленная 2%-ным
раствором HNO3 в спирте.
В результате вытравливания
феррита обнаружились плас-
тинки цементита. X63Q0
216
Рис. 417. Отливка, протрав-
ленная 2%-ным раствором
HNO3 в спирте. Широкая
темная фаза представляет
собой первичные карбиды.
Тонкие пластинки — цемен-
тит перлита. Феррит перлита
был вытравлен (перешел в
травитель). Х2900
Рис. 418. Сталь 13СгМо44
протравлена 2%-ным раство-
ром HNO3 в спирте. Свет-
лая светящаяся фаза состо-
ит из скоагулированных кар-
бидов, которые характерны
для состояния стали после
длительного воздействия вы-
сокой температуры. X 540'0
217
Рис. 419. Сталь C.lCr про-
травлена 2%-ным раствором
HNO3 в спирте. В результа-
те травления отчетливо вы-
явлены кристаллы мартен-
сита. Х5000
Рис. 420. Сталь ДООСгб про-
травлена 2%-ным раствором
HNO3 в спирте. За счет гер-
цевского переменного давле-
ния при контактной устало-
сти образовались специфич-
ные дефекты, так называе-
мые фигуры типа «баттер-
фляй», представляющие со-
бой стесненно пластически
деформированные зоны (ср.
со схемой рис. 263). ХЗООО
218
Рис. 421. Углеродистая сталь,
подвергнутая смягчающему
отжигу, протравлена 2;%-ным
раствором HNO3 в спирте.
Зафиксирована глубина плас-
тической деформации под
поверхностью усталостного
контактного разрушения (по-
верхность фреттинга). Х2800
Рис. 422. Сталь 35Ni-25Cr-
4Мо, протравленная царской
водкой. Воздействию подвер-
глась сг-фаза, имеющая фор-
му штрихов и V-образная.
Х125О
219
Рис. 423. Вольфрамовый лист после травления. Характерные фигуры травления, определяемые кристаллографией о.ц.к.
решетки вольфрама.ХЮОО
220
--—— — ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Сопоставление характерных признаков на поверхности изломов
с символами приведенными на рисунках
1 2 J <s» о 4
О / 5 7 UUUUU ииии 8
9 АЛАА АЛА 11 Л Ад 12
— к ''16
1 Характерный элемент в изломе Уточнения Символ (рисунок) Характерный элемент в изломе Уточнения Символ (рисунок)
Направление, вдоль кото- рого проводится рассмот- рение элементов излома на конкретном рисунке Направление распрост- ранения излома Пути распространения грещин, ступеньки Поры Сферические выделения, <апример, карбидов Дендрит эаковина эавноосные ц/или прямо оправленные ямки Имеет важное значе- ние при изменении направлений съемки на РЭМ Усталостные изломы, хрупкие изломы при действии статической нагрузки То же Эллипсы черного цве- та * Центральный ствол с ветвями Группировки типа «ягод» Дырка, окруженная дендритами, полно- стью окрашенная в черный цвет । ! i I 2 3 4 5 6 7 8 । I Наклонные (косые) ямки Поверхности границ зе- рен Поверхность скола Пики (гребни) Начало усталостного из- лома на поверхности Вторичные трещины Расходящиеся следы в изломе (обычно усталост- ные) Усталостные бороздки I [ —< Межкристаллитный излом Т ранскристаллитный хрупкий излом, выяв- ленная зернистая структура в изломе «Амбразуры» Лучше всего сочета- ется со стрелками, указывающими на- правление, вдоль кото- рого проводится рас- смотрение Лучше всего сочета- ются со стрелками, указывающими на- правление, вдоль ко- торого проводится рассмотрение 9 10 и 12 13 14 15 16
221
II. Линии рентгеновского спектра
£-серия К-серия KOB HOI
Поряд- к овый номер Эле- мент I °1,2 ₽1 ₽2 V2,3 “2 “1 ₽2 Поряд- ковый номер Эле- мент 5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 < 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 н Не Li Be В С N О F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar К Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Rd Ag Cd In Sn Sb Те I Xe Cs 0,15 0,18 0,22 0,26 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,56 0,61 0,68 0,74 0,81 0,88 0,96 1,04 1,12 1,20 1,29 1,38 1,48 1,58 1,69 1,79 1,90 2,02 2,14 2,25 2,38 2,50 2,63 2,77 2,90 3,04 3,19 3,34 3,48 3,64 3,79 0,34 0,39 0,45 0,5b 0,57 0,64 0,70 0,77 0,85 0,93 1,01 1,10 1,19 1,28 1,38 1,48 1,59 1,69 1,81 1,92 2,04 2,17 2,29 2,42 2,56 2,70 2,84 2,98 3,13 3,29 3,44 3,60 3,77 3,94 4,11 4,29 0,34 0,40 0,46 0,52 0,58 0,65 0,72 0,79 0,87 0,95 1,03 1,12 1,22 1,32 1,42 1,53 1,64 1,75 1,87 2,00 2,12 2,26 2,39 2,54 2,68 2,83 2,99 3,15 3,32 3,49 3,66 3,84 4,03 4,22 4,42 4,62 2,22 2,37 2,52 2,67 2,84 3,00 3,17 3,35 3,53 3,71 3,90 4,10 4,30 4,51 4,72 4,94 2,30 2,46 2,62 2,79 2,96 3,14 3,33 3,52 3,72 3,92 4,13 4,35 4,57 4,80 5,04 5,28 2’05 2’20 2’35 2’50 2’66 2’83 3’01 3’18 3’36 3’55 3’75 3’95 4’16 4’38 4’60 4’83 5’07 5’29 5’55 9,23 9,85 10,51 11,18 11,88 12,60 13,33 14,10 14,88 15,69 16,52 17,37 18,25 19,15 20,07 21,02 21,99 22,98 24,00 25,04 26,11 27,20 28,32 29,46 30,62 0,05 0,11 0,18 0,28 0,39 0,52 0,68 0,85 1,04 1,25 1,49 1,74 2,01 2,31 2,62 2,96 3,31 3,69 4,09 4,51 4,95 5,41 5,90 6,40 6,93 7,48 8,05 8,64 9,25 9,89 10,54 11,22 11,92 12,65 13,39 14,16 14,96 15,77 16,61 17,48 18,37 19,28 20,22 21,17 22,16 23,17 24,21 25,27 26,36 27,47 28,61 29,78 30,97 0,86 1,07 1,30 1,56 1,84 2,14 2,46 2,82 3,19 3,59 4,01 4,46 4,93 5,43 5,95 6,49 7,06 7,65 8,26 8,90 9,57 10,26 10,98 11,73 12,49 13,29 14,11 14,96 15,83 16,74 17,67 18,62 19,61 20,63 21,66 22,72 23,82 24,94 26,09 27,27 28,48 29,72 30,99 32,29 33,62 34,98 8,33 8,98 9,66 10,37 11,10 11,86 12,65 13,47 14,31 15,18 16,08 17,01 17,97 18,95 19,96 21,00 22,07 23,17 24,30 25,45 26,64 27,86 29,11 30,39 31,70 33,04 34,41 35,82 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 зз 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 н Не Li ' Be В С N О F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar К Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd . In I Sn Sb Те ’ I Xe Cs
l “1,2 ₽1 ₽2 V2,3 °2 al P2
А-ерия К-серия —
1 1
222
Поряд- ковый номер Эле- мент , M-серия L-серия Поряд- ковый номер Эле- мент
*h.*2 “1.2 3 T MIH °IV,V I a2 «1 Pi 3г Yi V2 Тз
.56 Ва 0,60 0,97 3,95 4,45 4,47 4,83 5,16 5,53 5,80 5,81 56 Ba
57 La 0,64 0,83 0,85 1,03 4,12 4,63 4,65 5,04 5,38 5,79 6,06 6,07 57 La
:58 Се 0,68 0,88 0,90 1,07 4,29 4,82 4,84 5,26 5,61 6,05 6,33 6,34 58 Се
59 Рг 0,71 0,93 0,95 1,13 4,45 5,01 5,03 4,49 5,85 6,32 6,60 6,62 59 Pr
60 Nd 0.75 0,98 1,00 1,18 4,63 5,21 5,23 5,72 6,09 6,60 6,88 . 6,90 60 Nd
61 Pm 1,03 1,05 1,23 4,81 5,41 5,43 5,96 6,34 6,89 7,18 7,20 61 Pm
62 Sm 0,83 1,08 1,10 1,29 4,99 5,61 5,64 6,21 6,59 7,18 7,47 7,49 62 Sm
63 Eu 0,87 1,13 1,15 1,35 5,18 5,82 5,85 6,46 6,84 7,48 7,77 7,80 63 Eu
64 Gd 0,91 1,19 1,21 1,40 5,36 6,03 6,06 6,71 7,10 7,79 8,09 8,H 64 Gd
65 Tb 0,95 1,24 1,27 1,46 5,55 6,24 6,27 6,98 7,37 8,10 8,40 8,42 65 Tb
66 Dy 1,00 1,29 1,32 1,52 5,74 6,46 6,49 7,25 7,64 8,42 8,71 8,75 66 Dy
67 Ho 1,04 1,35 1,38 1,58 5,94 6,68 6,72 7,53 7,91 8,75 9,05 9,09 67 Ho
68 Er 1,09 1,41 1,44 1,64 6,15 6,90 6,95 7,81 8,19 9,09 9,39 9,43 68 Er
69 Tm 1,14 1,46 1,50 1,70 1,91 6,34 7,13 7,18 8,10 8,47 9,43 9,73 9,78 69 Tm
70 Yb 1,18 1,52 1,57 1,77 1,97 6,55 7,37 7,42 8,40 8,76 9,78 10,09 10,14 70 Yb
71 Lu 1,23 1,58 1,63 1,83 2,04 6,75 7,60 7,66 8,71 9,06 10,14 10,46 10,51 71 Lu
72 Hf 1,28 1,64 1,70 1,89 2,11 6,96 7,84 7,90 9,02 9,35 10,52 10,83 1*0,89 72 Hf
73 Ta 1,33 1,71 1,77 1,96 2,19 7,17 8,09 8,15 9,34 9,65 10,89 11,22 11,28 73 Ta
74 W 1,38 1,77 1,83 2,04 2,28 7,39 8,33 8,40 9,67 9,96 11,29 11,61 11,67 74 W
75 Re 1,43 1,84 1,91 2,11 2,37 7,60 8,59 8,65 10,01 10,27 11,68 12,01 12,08 75 Re
76 Os 1,48 1,91 1,98 2,18 2,46 7,82 8,84 8,91 10,35 10,60 12,09 12,42 12,50 76 Os
77 Ir 1,54 1,98 2,05 2,25 2,55 8,05 9,10 9,17 10,71 10,92 12,51 12,84 12,92 77 Ir
78 Pt 1,69 2,05 2,13 2,33 2,74 8,27 9,36 9,44 11,07 11,25 12,94 13,27 13,36 78 Pt
79 Au 1,65 2,12 2,20 2,41 2,84 8,49 9,63 9,71 11,44 11,58 13,38 13,71 13,81 79 Au
80 Hg 1,71 2,19 2,28 2,49 2,94 8,72 9,90 9,99 11,82 11,92 13,83 14,16 14,26 80 Hg
81 T1 1,77 2,27 2,36 2,57 3,05 8,95 10,17 10,27 12,21 12,27 14,29 14,62 14,74 81 T1
82 Pb 1,83 2,34 2,44 2,65 3,15 9,18 10,45 10,55 12,61 12,62 14,76 15,10 15,22 82 Pb
83 Bi 1,89 2,42 2,53 2,74 9,42 10,73 10,84 13,02 12,98 15,25 15,58 15,71 83 Bi
84 Po 9,66 11,01 11,13 13,45 13,34 15,74 16,07 84 Po
85 At 9,90 11,30 11,43 13,88 13,71 16,25 16,58 85 At
86 Rn 10,14 11,60 11,73 14,32 14,08 16,77 17,12 86 Rn
87 Fr 10,38 11,89 12,03 14,77 14,45 17,30 17,66 87 Fr
88 Ra 10,62 12,20 12,34 15,24 14,84 17,85 18,18 18,36 88 Ra
89 Ac 10,87 12,50 12,65 15,71 15,23 18,40 18,73 89 Ac
90 Th 2,34 3,00 3,15 3,37 3,96 11,12 12,81 12,97 16,20 15,62 18,98 19,31 19,51 90 Th
91 Pa 2,41 3,08 3,24 3,47 4,08 11,37 13,12 13,29 16,70 16,02 19,57 19,87 20,10 91 Pa
92 u 2,48 3,17 3,34 3,56 4,20 11,62 13,44 13,61 17,22 16,43 20,17 20,49 20,71 92 U
£1,2 al,2 ₽ V Miii OlV, V «2 ai ₽1 ₽2 Yi T2 Уз
1 М-серия | L-серия 1 ’
223
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1) Schumann, Н.: Metallographie, Leipzig. 1969
2) Fitzgerald, R. und Gantzel, L.: X-Ray Energy Spectrometry in the 0.1 to 10 A Range, ASTM-STP.
Philadelphia, USA, 1971, S. 3ff.
3) Russ, I. C.: Progress in the Design and Application of Energy Dispersion X-Ray Analyzers for
SEM. EDAX Laboratories, North Carolina, USA, 1971
4) Malissa, H.: Elektronenstrahl-Mikroanalyse, Wien, 1966
5) Hirst, W.: Metallurg. Review, London, GB, 1969, S. 145ff.
6) Niemann, G.: Maschinenelemente, Band 1, Berlin, 1963
7) Rieger, H.: Zeitschrift Metallkunde, Stuttgart, 1966, S. 696ff.
®) Erdmann-Jesnitzer, F. und Laschinke, R.: Archiv EisenhOttenwesen, Dusseldorf, 1966, S. 998ff.
9) Atom, Struktur der Materie, Leipzig, 1970
10) Hauffe, K.: Oxidation vo® Metallen und Metallegierungen, Berlin, 1956
11) Niemann, G. und Rettig, H.: Maschinenschaden, Munchen und Berlin, 1956, S. 46ff.
12) Goll: Gesellschaft fur Tribologie und Schmiertechnik, Vortrag, Essen, 1971
13) Nagumo, M. und Sugino, K.: Fracture, London, 1969, S. 587ff.
14) Schlicht, K.: Hartereitechnische Mitteilungen, Bremen, 1970, S. 47ff.
15) Frossel, W.: Maschinenmarkt, Wurzburg, 1960, S. 23ff.
16) Rieger, H.: Zeitschrift Metallkunde, Stuttgart, 1967, S. 821 ff.
17) Bartel, A.: Zeitschrift Metall, Berlin, 1973, S. 622ff.
18) Welz und Keinert: Zeitschrift SchweiBen und Schneiden, Dusseldorf, 1968, S. 209ff.
19) Wells: ASTM STP 495, Philadelphia, USA, 1971, S. 76
20) Tetelmann, A. S. und McEvily, A. J.: Bruchverhalten technischer Werkstoffe, Dusseldorf 1971
21) Fischer, A. und Ohaski, T.: Archiv EisenhOttenwesen, Dusseldorf, 1971, S. 541 ff.
22) Kochendorfer, A.: Zeitschrift Metallkunde, Stuttgart 1971, S 72ff.
23) Grosskreutz, I. C.: ASTM STP 495, Philadelphia, USA, 1971
24) Beachem, C. D., auch Pellou, R.M.N.: ASTM STP 381, Philadelphia, USA, 1965
25) Schmitt-Thomas, К. H. Klingele, H. und Woitschek, A.: Praktische Metallographie, Stuttgart,
1970, S. 102ff.
26) Jacoby, G.: AGARD-Report, Mulheim/Ruhr, 1966, S. 541 ff. V Application of microfractography
to the study of crack propagation under fatigue stresses
27) Laird und Smith in Kochendorfer, A.: Zeitschrift Metallkunde, Stuttgart, 1971, S. 263ff.
2S) Spath, W.: Bander, Bleche, Rohre, Dusseldorf, 1972, S. 61 ff.
29) Schmeer, E.: Kohler, J.; Klingele, H.: Archiv EisenhOttenwesen, DOsseldorf, 1971, S. 489ff.
30) Heckel, K.: EinfOhrung in die technische Anwendung der Bruchmechanfk, MOnchen, 1970
31) Beachem, C. D.: Trans. ASM 60, Philadelphia, USA, 1967, S. 325
32) Plattner. R. undSchOnemann, D.:4 KolloquiumOberMikroanalyseu. miRromorphologische Ab-
bildungen von Oberflachen, Bremen, 1971
33) Gedke, D. A.: X-Ray Spectrometry, London-, GB, 1972, S. 129ff.
34) Fichter, R.: Korrespondenz Abwasser 20, 1973, Beilage Materia! und Technik, S. 24-32
S5) Gangloff, R. P. und Wei, R. P.: Fractographic Analysis of Gaseous Hydrogen Induced Cracking
in 18 Ni Maraging Steel, ASTM STP 645, S. 87-106, Philadelphia, 1978
3€) Anwendung des REM be! Eisen- und Stahlwerkstoffen, Radex-Rundschau, Heft 34, 1978,
S. 743
37) Petersen, M. B., Gabel, M. K., Devin, Martin J.: Understanding Wear, ASTM Standardization
News, Sept. 1974, S. 9-12
38) Ludemer, К. C.: A Perspective on Wear Model. ASTM Standardization News, Sept. 1974, S. 20
39) Dayber, Paul: Personliche Mitteilung Ober Reibvibration, MOnchen, 1979 und Vortrag Techni-
sche Akademie Esslingen, 1978
4o) Engel, L. und Klingele, H.: Kunststoffschaden, Hanser-Verlag MOnchen, 1978, S. 104-106
41) Lauterborn, W., Hansch, K. und Bader, F.: Hochfrequenzkinematografische und holografisch©
Untersuchungen zur Dynamik von Kavitationsblasen, DFG-Forschungsbericht, Bonn 1974
42) Engel, L. und Klingele, H.: Beitrag des REM zur Beurteilung wasserstoffinduzierter BrOche,
Archiv EisenhOttenwesen 48, 1977, Nr. 10, S. 555-560
43) VGB-Richtlinie KOhlwasser, Essen 1975
44) Homig, H. E.: Metall und Wasser, Vulkan-Verlag, Essen 1964
45) Kalweit, H.: REM-Auswertung von Bruchflachenbei ErmOdungsversuchenanFlugzeugstruktu-
ren, Vortrage der 8. Sitzung des Arbeitskreises Rastermikroskopie im DVM, Berlin, 1977,
S. 195-202
224
----в ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абразивное резание 154
Адгезия 111, 124, 128, 130, 148 х
Адсорбционно-хрупкого излома гипотеза 86
Азот жидкий 45
Азотная кислота 178
----спиртовой раствор 216, 217, 218, 219
Азотнокислая ртуть 85
Алюминиевые сплавы 41, 70, 71, 72
----1 AlZnMgCu 0,5 90
----<AlZnMg3 93
----AlMgO,5 192
Алюминий 130, 133, 156, 157, 161, 182
— чистый 161—163
Алюмосиликаты 159
Аммиак 92, 93, 195
Аммония цитрат 10
Амплитуда 70, 72
Анодное растворение 176, 173
Анод, РЭМ 8
Аноды электрохим. 176, 186
Апертурная диафрагма 8
Асбест 190
Аустенит 174
— границы зерен 101, 112
Аустенитная сталь 30, 31, 41, 70, 71, 159
----17%Сг; 15%Ni; 4,3%Мо 94
----18%Сг, 8%Ni 54, 189
----18%Cr, 9%Ni 91
----18Cr-10Ni-2Mo 100
Бейнит верхний 40
Бензин 192
Бензол 193
Блуждающие токи 210, 211
Бороздки 68, 143
— искривленные 147
— усталостные 12, 61, 70, 71, 72, 73, 74, 76, 77,78,82,96,
97, 98, 99
----дуговые 94
----количественная оценка 62, 70
Бороздчатая структура 112
Бронза 194
— пружина 125
— сито бумагоделательной машины 134
Брэгга уравнение 14
Вакансии 7, 80, 86
Валлнера линии 55
Веллера кривые 53, 95
Ветвление многократное 61
Вкладыш подшипника 126
----кавитационное разрушение 168
Включения 29, 57, 144
Вмятины 148, 156, 157, 169
Вода:
диссоциация 95
котловая 94, 100, 194, 196
морская 195
Водные растворы, воздействие 173
Водород:
взрывное воздействие 103
диффузия 95
интенсивность разрушения 101
источники поступления в металл 95, 101
макрофрактографические признаки в изломе 101
охрупчивание стали 95
-----схема образования излома 101
проникновение в сталь 101
растворимость в железе 95
Водородная болезнь 110
Волнистость 148, 151
Волосовины 102, 103, 106, 107
Волочение 114
Вольфрам 22, 55, 220
— поликристаллический 158
Воронья нога 103, 107, 141
Восстановление, условия 195
Впадины (интрузии) 57
Вспучивание 155
Втулка гнезда подшипника 150
Выделения 86
— дисперсные 53
— когерентные 7
— некогерентные 7
— по границам зерен 50
Выкрашивание 141, 148, 161, 172, 174
— ракушечное 147
— чашечное 147
Вырывы 136, 146
Выступы (экструзии) 57
Вязкость разрушения 41
-----параметр 41
-------влияние обработки 41
Вюстит 199, 205, 206
Газовая коррозия 199
Газовые пузыри 19, 23
Газы:
горячие 208
диссоциация 95
Гальванические процессы 95
Гематит 199
Гетит (a-FeOOH) 184
Глинозем 115
Горячая трещина хрупкая 46
Границы:
зерен 7, 31, 41, 44, 46, 47, 48, 49, 50, 53, 67, 74, 76,
86, 88, 173, 183, 186, 198,. 124
— выделения 7, 57, 58, 61, 178
— карбиды 60, 113
— пленки 59, 60
— ямки 34
кручения 51
наклона, симметричная 51, 52
раздела фаз 137, 173
Графит 35, 54, 83, 174, 175, 177, 192
Гребни 21, 30, 31, 35, 46, 47, 191
— отрыва 31
— шлифовочные 139
Губы среза 29, 30
Г. ц. к. решетка 199
Двойники 51, 52, 53, 54
Двойникбвание 8
Дельта-фаза 219
Дендриты 19, 31, 42, 221
Детектор Si (Li) 13
Дефекты внутренние 40
— кристаллического строения 7
-------линейные 19
-------образование по Френкелю 50
— металлургические 26
— поверхности 111
— упаковки 80
Деформационное упрочнение 19, 41, 124, 161
Диаграмма состояния железо — вода 176
Динамический излом 53
Диоксид углерода 199
Дислокации 19, 53
— плотность 19
Дифракционно-дисперсионная детекторная система 13
-------преимущества, недостатки 15
Дифракционно-дисперсионный микроанализ 15
Диффузия 111, 173
— граничная 173
— объемная 173
225
Длительная прочность, испытания 42
Долом 62
— виды поверхностей 69
— ямочная структура 75
Древовидный излом 38
Дробеструйная обработка 155, 158
Дырчатая коррозия 188, 189
Дюновидные образования 196
Едкий натр 87
«Жевательная резинка» 42
Железа карбонил 209
Железо 79
— окисление в кислороде 204
— альфа, плоскость скола 53
Задиры 57
Заедание 128
Закалка 41
Закаты 57, 111
Затвердевание 19, 22
Заусенцы 114, 116, 123, 129, 163
Защитный сло,й 173
«Зеркала» 129
Зерно 7, 29, 63
— укрупнение 50
Зубчатые колеса 130, 137
Излом:
в виде «террас» 83
влияние температуры 19, 31, 41
вязкий 19, 30
— образование под действием статической нагрузки
19, 31
— фрактограмма 38
малопластичный 94
межкристаллитный 19
механический 19
направление распространения 221
определение преимущественного направления 10
под действием статической нагрузки .128, 137
от продуктов коррозии 150
тарелочно-чашечный 29
типа «конус — чашка» 29
—«террас» 31
транскристаллитный 19
с образованием шейки 29
срезом 29
усталостный — см. Усталостный излом
хрупкий 19
Игольчатая структура 183
Изгиб:
односторонний 69
при кручении 69
знакопеременный 69
Излучение:
непрерывное тормозное 9
рентгеновское, кванты 9
— характеристическое 9
Износ 124
— абразивный с резанием 127
— адгезионный 132, 137
—в результате электрохимических процессов 138
— колонкообразные скопления 148
— коррозионных пленок (коррозионный унос) 124
— под давлением всасывания 134
-----ударами капель жидкости 161
—при качении 138
-----скольжении 124, 130
-------виды 127
—------в результате поверхностных реакций 138
-------------расплавления 128
—------вследствие адгезии и переноса материала 128
----------пластической деформации 124
-------со снятием стружки (абразивный) 128
•------сопряженный с усталостным разрушением 128
— резанием 127
— с задирами 128
— со снятием стружки 124
— усталостный (питтинг) 124
— ямочный 29
Импульсные испытания 64
Инкаллой 800 (32% Ni, 20% Сг) 94, 100
Инконель 713 С 65
Инконель 718, 72, 74, 76
Инородные включения 137
Инородные тела, воздействие на поверхность 119, 124
Интенсивность напряжений 94, 95
Интрузии (впадины) 62, 63, 64, 96
Ионная бомбардировка 95, 158
Ионный поток, направление 158
Ионы (СгО4) 2“ 92
Искривление поверхности 161
Истирание 155
Кавитационное воздействие на материалы:
мягкие 165
твердые 165
Кавитационные повреждения 119
Кавитационный износ 161
Кавитация 161, 166, 171
— в трехслойном вкладыше подшипника 165
— гидродинамическая 161
— усталостная 161
Кальций марки NN100 48
Кальция нитрат, раствор 88
Канавки 30, 114, 136, 144, 146, 154, 159 160, 163, 176,.
181
— кавитационные 166, 167, 168
— коррозионные 188
— открытые 116
— сжатые 116
Капельный удар 161
Каплевидная структура 47, 49
Карбидная сетка 185
Карбидное охрупчивание 61
Карбидные ламели 82
— пленки 53
-----по границам зерен 60
Карбиды 60, 71, 83, 86, 113, 142, 147, 154, 174, 193, 21Т
— типа М2зСб 175, 177
— титана 47, 59
— хрома 61, 172
Карбонатная жесткость 195
Катод 176
— РЭМ 8
Катодолюминесценция 9
Катодное восстановление 173
Квазиотрыв 30
Квазискол 40, 45, 53, 105, 106, 108
Квазихрупкий скол 30
Кислород 56, 205
Кислоты 173
Кобальтовые сплавы 57
Когезивная прочность 19, 21, 27, 53
Когезивность, потеря 19
Концентраторы напряжений 57
Коррозионная усталость 95
— эрозия 178
Коррозионное разрушение:
межкристаллитное 177
транскристаллитное 177
Коррозионное растрескивание 79, 85
-----зарождение 80
Коррозионные повреждения типа проколов 189
— среды 85
Коррозия 67, 95, 173—201
— в водных растворах, контролируемая диффузией ь
твердой фазе 178
— границ зерен 208
— «губчатая» в чугуне 177
226
— избирательная 176, 177
— кислородная 173, 183
— кислотная 173
—контактная 177, 189
— точечная 57, 176, 177
— усталостное растрескивание 95
— щелевая 177, 190
— электрохимическая 178
— элементарные реакции 176
— язвенная 138, 191
Коэффициент интенсивности напряжений К 40
Кратер «морщинистый» 161
Кратеры 154, 161, 162, 163, 170
Критическая глубина проникновения излучения 9
Кристаллиты 7
— топотактический рост 199
— эпитаксиальный рост 199
Кристаллическая решетка:
дефекты — См. Дефекты кристаллической решетки
период 7
Кромки 30
— острые 134
Кулачковый вал двигателя легкового автомобиля 135
Куприт 200
Латунь 197
— альфа 92
— альфа + бэта 93
— CuZn28Sn 98, 186, 187
— Ms60Pb (Мунца) 197
— Ms68Si 198
Лепидокрокит (y-FeOOH) 184
Лейрда и Смита модель распространения усталостной
трещины 61
Линейный анализ 16
Линии разрушения 89
— скольжения 32, 171
Локальная деформация 42
— (местная) коррозия 178, 182
Локальные сужения (шейки) 163
Локальный гальваноэлемент 176
— усталостный излом 161
Лопатка компрессора 28, 126, 150
— паровой турбины 164
Магистральные трещины 53
Магнетит 199, 200, 201, 206
Магниевый сплав (9% Al—2%Zn) 48
---MgA19Znl 92
Мартенсит 210, 214, 218
Мартенситностареющая сталь 36, 41
---Ni—Со—Мо 29, 188
Медь 30, 41, 57, 58, ПО, 187, 200
— распределение 125
— электротехническая 39, 89
Междендритное разрушение 31
Межкристаллитное коррозионное растрескивание 102,
193
Межкристаллитное охрупчивание 58
---водородное 102
---карбидное 10
— разрушение 56, 167, 202, 203
Межкристаллитный излом 31
— — доля 95
---хрупкий 53
— отрыв 104, 113
Мельхиор 85
Местная (локальная) коррозия 187
Металлические материалы, выбор для работы при вы-
соких температурах 199
Металлические пары, совместимость с точки зрения
схватывания при трении 127
Микроискажения 102
Микроканавки 148
Микрократер 165
Микро-пластическая деформация 53
---локальная 61
Микро-поры 104, 105, 106, 107, 108
— по границам зерен 102
Микрорентгеновский анализ:
суммарный 16
линейный 16
точечный 16
Микростружка 135
Микро-трещины 147
Микроямки 147
Модель износа под воздействием струи 155
Модуль нормальной упругости 127
Молибден 56
Мышьяк 95 *
Мягкая фаза 127
Нагружение, скорость 40
Нагрузка статическая 19, 31, 40
«Надвиги» 130
Надрез 40 ’
Надрывы 19, 57, 138, 147
Накат 124, 138
Наклеп 124
«Наплывы» 130, 155, 165
Напряжение возбуждения 8
Напряжения:
номинальное 69
первого рода 102
растягивающие 80
структурные 213, 214
усадочные 213, 214
циклические 53
Напряженное состояние;
многоосное 59, 40
трехосное 40
Нейтронное облучение 50
Неметаллические включения 19, 95, 139
Никелевые сплавы 43, 49, 57, 66, 67, 70, 78, 78, 112, 215
Никелированный слой 58
Никель 167
— чистый мягкий 63
Нимокаст 743, 42, 67
Нимоник 21, 22
Нимоник 80 74
Нимоник 80А, 74, 11
Нимоник 90 155
Нимоник 105, 45, 67, 75, 208
Нитриды 86
«Обезникелевание» 177, 186
Обезуглероженные зоны 57
«Обесцинкование» 177, 186
Облучение нейтронное 40
Обработка резанием 114
Образцы для механических испытаний:
гладкий 69
с надрезом 69
Образцы, РЭМ:
исследование 12
отбор 10
подготовка 10
ультразвуковая очистка 10, 11
«Ограненная» коррозия 192
Оже-переход 9
Оже-электронная спектроскопия 9
---разрешение 18
Оже-электроны 9, 18
Окисление 121, 124, 149, 173, 204
— условия 195
Окисления продукты 121
Оксидные пленки 128
— слои 154
---типа шпинелей 199
Оксиды 79, ПО, 148, 151, 153, 154
— рост на железе 199
— хрома 195
227
Оплавление 111, ГЗЗ, 202, 210, 213
— кратеры 212
Основания 173
Отклоняющая катушка 8
Отпускная хрупкость 40
Отрыв:
межкристаллитный 87
типа усталостного излома 166
пластический 128
транскристаллитный 90
Отслаивание 141, 142, 147
Охрупчивание под воздействием окружающей среды 86
Пайка 193
— высокотемпературная 27, 28
Пакеты скольжения 128, 136
Пассивирующий слой 86, 176
Пачки 'скольжения 85
Пережог 48
Перенос материала 111, 124, 127, 128, 147, 152, 154, 199
— тепла 111
Перистый излом 53, 90, 91, 92, 93, 98
Перлит 35, 71, 80, 105, 109, 177, 180, 217
Пескоструйная обработка 156, 157
Пики (гребни) 221
Питтинги 127, 128, 136, 137, 138, 144, 147, 150
Питтингообразование 147
— в подшипниках качения, схема 139
Пластмасса заливочная 210
Пластическая деформация 8, 41, 111, 124, 127, 147, 148,
152, 163, 164, 170
---локальная 103
Пластические отпечатки скоплений частиц 148
— сдвиги 114
Пластическое течение 53
Плоское сжатие 138, 139
Поверхности скола кристаллографические 67
---плоские 91, 98, 99
— с измененными пластическими свойствами 154
Поверхностное отслаивание 117
— охрупчивание 173
Поверхностные реакции 124
Повреждение поверхности 126
Подшипник 130, 133, 212
— опорный 131
— роликовый, внутреннее кольцо 139
--- износ при обкатке 145
---конический 141, 142
—скольжения 169
---из трехкомпонентного сплава 160, 166
— шариковый радиальный 140, 142
---упорный 151
Покровный слой 199
Ползучесть 31, 41
Поршневое кольцо 134
Полосчатые структуры 147
Полосы разрушения 51, 52, 53, 70, 75, 86
---слабые 84
— скольжения 62
Поляризация металла 109
Поры 19, 23, 24, 27, 28, 29, 31, 43, 45, 57, 68, 93, 95,
106, 107, 191, 196, 198, 199, 221
— ползучести 31
Потенциал водородного электрода 176
Поток частиц (газов), направление 154
«Почковидная» структура 155
«Почкообразные» пики 158
Приводной механизм авиационный 135
Прижог при шлифовании 119
Приработка 124
Проволока вольфрамовая холоднотянутая 38
Проволока стальная 37, 38
Прокатка 111
Проскальзывание отрицательное 128
Пространственная решетка 7
Пружинная проволока закаленная 158
— сталь 33
Пузыри, возникающие при бомбардировке поверхности
стали ионами водорода 101
— травильные 101
Пустоты 19, 101, 206
Разрешение 10
Разрушение:
локализация начала 12
осколки, обломки 170
отрывом 29
под давлением водорода 95
— действием термических напряжений 102
сдвигом 29, 128
ямочное 31
Разъедание (расплавление) 124, 181
— по границам зерен 187
Разрыв 19
— поверхностных пленок 86, 115
Раковина 222
Раковинообразные изломы 31
— элементы 46
Раскалывание 22
Расплавы:
кислородсодержащий 203
металлические 178
солевой корки 203
солей, кислые 178
— основные 178
Распределение элементов 18, 125, 130
Растрескивание поверхности 157
Растягивающие напряжения тангенциальные 138
Растяжение 69
Растяжение — сжатие 69
Ребиндера эффект 138
Ребристые образования 195, 196
Рентгеновские спектры по Фицжеральду 18
Рентгеновский микроанализ 10, 13
— спектр, линии 222, 223
Рентгеновское излучение, дифракция от кристалличе-
ской решетки 14
Ржавление 180
Риски 114, 118, 129, 130, 138, 140, 147
— износа 129
— обработки 129
— резания 116
— шлифования 138, 172
Рифление 197
Рифленые структуры 159
Рифленый узор 151
Розетки 31
Розеточный излом 30
Ролики игольчатые 152
Ромбовидные узоры 55
Ромбоэдрическая решетка 199
Ручьистый узор 53
Рыбий глаз 19, 101, 105
РЭМ:
область применения 210, 216
схема 8
увеличение 10
Сварка 213
— лазерная 59
— точечная 58
Сварные трещины 47
Свинец 20
Свинцовистая бронза 167
Сглаживание 124
Селективная (избирательная) коррозия 192, 193, 194
Сдвиг:
следы 138
поверхность 31
ступеньки 39
Селен 95
228
Сенсибилизация 177, 193
Сера 58
Серая пятнистость 148
Серебро 60
Серная кислота 181
Сероводород 95, 105
Силикатные включения 33
Складки 161
— скругленные 48
Складчатые области 137
Склонность материалов к хрупкому разрушению 50
Скол 55, 81, 108, 109
— плоские поверхности 90
— поверхность 53
— с двойникованием 54
Скольжение 8, 19
— множественное 30, 86
— плоскости 8
— серпантинное 30, 39
— следы 19, 31, 44, 53, 65, 162
параллельные 12
— ступеньки 85
Скорость потока 195
Следы заедания 133
Смесь Н2О—Н2 205
Соли, содержание 195
См азочные м атер налы 154
Спекание металлических частиц 147
Спеченные материалы 19
Спирт 209
Сплавы:
AlMgO,5 192
ALCuMg2 62, 64
Al—Si 130
AlSn 169
CuAsP 195
CuNilOFe 195
CuNi30Fe 186, 195
CuZn20Al. 99, 195, 196
CuZn28Sn 96, 97, 195
CuZn39PbO,5 195
Fe—Ni 147
Mg—Zr—Zn 193
Ni—Cr—Fe—Ti 32
PbSnCu 126, 129, 166, 168, 212
80Sn— 12Sb—6Cu—2Pb 171
Ti684 126
Ti685 122
гетерофазные 122
Сродство к электронам 173
Скол:
ступеньки 80, 83, 99
транскристаллитный 94
Скорость нагружения 50
Срез 114
Сталь:
аустенитная — см. Аустенитная сталь
высоколегированная 32
жаропрочная 31
жаростойкая 0,4С—20Со—20Сг—20Ni 120
кованая 46
литая 108
‘Мартенситностареющая — см. Мартенситностареющая
сталь
низкоуглеродистая 115
перлитная, усталостный излом 71
подшипниковая 26, 27, 60, 61
температура КТХ 50
углеродистая — см. Углеродистая сгаль
упрочненная 94
ферритная 44, 87, 179, 213
хромистая 57, 115, 177
хромомолибденовая 191
хромоникелевая 178, 182
цементованная 103, 214
ЮОСгб 143, 145, 151, 152, 154, 210, 218
Ск22 161
Ск45 129
S+35.8 209
15МоЗ 109, 202, 203
13СгМо44 217
16МпСг5 84, 144
20МоСг4 121
24СгМо5 112
26СгМо7 ИЗ
TTS+E36 (0,2С—0,5Si— l,5Mn—0,13V) 105
Х8Сг17 115, 187
Х20Сг13 98, 124, 193
X5CrNil89 103, 170, 193, 195
30СгМо4 118
37Сг4 103
X5CrNiMo 1810 195
X5CrNiMo 1812 195
X12CrNil77 116
X2CrNiCoMo 1385 73
X2NiCoMo 18125 46
X2NiCoMo 1883 107
X2NiCoMo 1385 73
X2NiCoMo 1895 37
XIOCrNiTi 189 91
XlOCrNiMoTi 1810 90, 189
210CrW12 172
CICr 218
0,2C—l,25Mn—0,5Cr 121
1C—l,25Cr—0,3Mn 172
16'%Cr и 13%Ni 43
17Cr—3Ni—2Cu 106
25%Cr и 20%Ni 174
35Ni—25Cr—4Mo 219
30% Cr 51
32%Cr 203
Cr—'Ni—Mo 88
Cr—Mo—V 40
Старение:
деформационное 41
закалочное 41
Столбчатые кристаллы 200, 207
Стружка 127, 135
— вдавленная 125
— снятие оксидными частицами 148
Струйная обработка стеклянными шарами 156, 157
Структура металла 7
Ступеньки 83, 221
— сдвига 42, 43
— среза 136
Ступенчатая структура затвердевания 22
Сужение полное точечное 29
Сульфаты 192
— расплав 195
Сульфиды 94, 95
— водорода 91
— марганца 25, 26, 27, 34, 105, 106
Суммарный анализ 16
— пик 15
Суспензированные твердые вещества 195
Схватывание при трении 127, 128, 131
Таблицы по Хамнеру 85
Тантал 55, 109
Твердая фаза 127
Твердое состояние 31
— тело, виды воздействия на поверхность 11, 173
Твердо жидкое состояние 19, 21, 46, 47, 48
Твердый раствор:
внедрения 7
замещения 7
Термическая усталость 102, 111
Термические напряжения 102
Террасовидная деструкция 181
Террасовидные образования 179
Террасы 43, 83
Титан 150
Титановые сплавы 24, 41, 56, 71, 131, 150
Топотактическая реакция 205
Топотактический слой FeO 206
Точечная коррозия 176, 185, 188
Точечный анализ 16, 17
Травление 95
Транскристаллитноквазискольные изломы 107
Транскристаллитный излом 50, 53
- — — перистый 91
— скол 53
Трещины 31, 32, 39, 43, 214
— описание 12
— в заусенце 126
----хромированном слое 132
•—вторичные 12, 70, 98, 109, 221
— горячие 119
— закалочные 53, 112, 113
— изогнутые 133
— магистральные 12, 40, 137
— образование межкристаллитное 86
----под действием струи 155
---- транскристаллитное 86
— оплавленные 114
— раскрытие 50
— распространение, направление 53
— слияние 31
— С-образный след 136
— термоударные 102
— усталостные, зарождение 57
----распространение 53, 58, 57
----шлифовочные 40, 119
— энергия распространения 41
Трибоконтакт 154
Трибоокисление 148, 154
Трубы 57, 179, 180, 182, 183, 184, 185, 186, 193, 195,
196, 199, 201, 204, 205, 211
Уаспаллой 47, 60
Углеродистая сталь 25, 30, 33, 45, 52, 87, 88, 95, 104,
179, 181, 183, 184, 191, 195, 2(13, 219
Ударная вязкость 41
----влияние обработки 41
Ударный износ 147, 148
Узор дюн 155
Ультразвуковая обработка 166, 167, 169, 174
— очистка 180
Унос материала 111, 131, 134, 138, 155
----мягкого 161
----под влиянием химического воздействия 173
Упругая деформация 111
Усадка 19
Усадочная раковина 19, 20
Усталостное разрушение 128, 154, 164
----зарождение 53, 116, 138, 221
----пластическая деформация 61
----стадия I 65—67
----стадия II 75, 77
— —схема распространения 79
У ста лосиные бороздки 80, 221
— трещины 153
Усталостный излом 24, 53, 165
— — виды поверхностей 69
----кавитационный 172
----макроскопическое рассмотрение 69
----межкристаллитный 79
----окисленный 148
----хрупкий 71, 80
Усталостный износ:
вследствие вибрации 151
контактный 152, 154
— виды разрушений 148
при трении (фреттинг-коррозия) 148
Утяжки 38
Фаза 7
— выделения 7
— кремнийсодержащая 182
— легкоплавкая 31
Фасетки 31, 54, 93, 95, 101
— косые 53
Феррит 35, 71, 177, 180, 216, 217
— ламели 82, 83
Феррит-дельта 57
Фестоны 19, 21, 46, 47
Фигуры типа «баттерфляй» 218
«Филигранная» коррозия» 1£2
Флокены 19, 101, 106
Фосфор 59, 95
Фотоны 8, 9
Фотоумножитель 8
Фреттинг-коррозия 148, 219
— схема процессов 148
Фторсодержащий флюс 193
Хемосорбированный слой 128
Холодная деформация 37
Хонингование 129, 145
Хлориды 94, 187, 192, 193, 195
— ионы 98
— магния, раствор 90, 91
— свинца, щелочной раствор 94
— цинка 202
Хромат калия 203
Хромированный слой 134
Хрупкий излом 38
Хрупкое разрушение 40
•Царская водка 219
Цементит 35, 109, 183, 216, 217
Цементованный слой 84
Цирконий 16
Чашевидный излом 144
Черепицевидный чешуйчатый узор 102
Черепичный узор 60
Чешуйки 135, 167
— вбитые 153
— деформированные 153, 154
—отслаивание 147
-—развальцованные плоские 155
— сплюснутые 158
Чугун:
ковкий 135
перлитный (GGL 26) 82, 83
с шаровидным графитом 54, 71, 80
серый 35, 82, 83, 130, 192
Шатун электродвигателя 157
Шейка, образование 41
Шероховатость 148
Шероховатые структуры 131
Шиферная структура 128, 138
Шиферный излом 22
Шлаковые включения 26
Шлифовка 116
Шлифовочные гребни 141
— трещины 48, 120
Шлифовочный прижог 121
Штамповка 114
Щелевая коррозия 177, 190
Щелочной расплав 195
Эквикогезивная температура 31
Экструзии (выступы) 57, 62, 63, 64, 95, 169
Электронное изображение, контраст 9
Электроннолучевая сварка 46, 47
— трубка 8
Электронный зонд 8
----первичный 8
Электроны:
вторичные 9
230
зоны проникновения 15
излученные 8
отраженные 8, 9
работа выхода 9
Электротехническая сталь 81
Электрохимическая коррозия 173
Электрохимические процессы 124
Электрохимический потенциал 173
— ряд напряжений элементов 173
Электроэрозия 214, 215
Элементарная ячейка 7
Энергетический спектр:
молибдена 15
свинца 14, 15
серы 15
Энергодисперсионная детекторная система 13
--------недостатки 13, 14
--------преимущества 14
Энергодисперсионный микроанализ, пределы обнаруже-
ния 15
- т микроанализатор 13
— рентгеновский анализ 130
— спектр, расшифровка 14
Эпитаксиальный слой 205, 207
Эрозионно-коррозионное воздействие 195, 196
Эрозионно-коррозионные повреждения 178
Эрозионный износ 154
— узор 158
Эрозия 160
— от удара капель 164
-------твердых частиц 154
Язвины 57
Языки 127, 136, 137, 148
— деформационные 127, 128, 135, 136, 138, 145, 152
— образование 127
— шиферная структура 137
Ямки 29, 30, 34, 43, 71, 221
— глубина 30
— параболические 30
— равноосные 30, 33
— среза (сдвига) 30, 31, 36
— травления 179, 188
Ямочная структура 27, 54, 105, 138
-----вязкого излома 137
— — строчечная 34
СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Л. Энгель, Г. Клингеле
РАСТРОВАЯ
ЭЛЕКТРОННАЯ
микроскопия.
РАЗРУШЕНИЕ
Перевод с немецкого Б. Е. Левина
Под редакцией М. Л. Бернштейна
Редактор Л. М. Гордон
Художественный редактор Ю. И. Смурыгин
Технический редактор В. М. Курпяева
Корректор Ю. И. Королева
ИБ № 3076
Сдано в набор 05.06.86.
Подписано в печать 26.09.86.
Формат бумаги 84X108716
Бумага книжно-журнальная
Гарнитура литературная
Печать высокая
Усл. печ. л. 24,36 Усл. кр.-отт. 24,78 Уч.-изд. л. 23,32
Тираж 5000 экз. Заказ № 304 Цена 1 р. 60 к.
Изд. № 13-48
Ордена Трудового Красного Знамени
издательство «Металлургия», 119857
ГСП Москва Г-34
-2-й Обыденский пер., д. 14
Подольский филиал ПО «Периодика»
Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
142110, г. Подольск, ул. Кирова, д. 25