автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Методы анализа хрупкого разрушения по рельефу излома

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.КТУРНЫЕ ФАКТОРЫ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Зернограничное разрушение и скол.

1.2. Хладноломкость жаропрочных интерметаллидов.

1.3. Алгоритмы анализа трехмерной поверхности разрушения.

1.4. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕРНОГРАНИЧНОГО РАЗРУШЕНИЯ.

2.1. Материалы и образцы для исследования.

2.1.1. Модельные образцы

2.1.2. Образцы интерметаллида Ы1А1.

2.2. Сканирующая электронная микроскопия интерметаллидов.

2.3. Металлографический анализ. Стереометрия.

2.4. Статистический анализ поверхности разрушения.

2.4.1. Инварианты поверхности.

2.4.2. Анализ временных рядов. Параметры авторегрессии.

ГЛАВА 3. АВТОТЕНЕВАЯ ТРЕХМЕРНАЯ МИКРОСКОПИЯ.

3.1. Установка для съемки автотеневым методом.

3.2. Алгоритм теневой стереофотограмметрии.

3.3. Верификация и область применимости разработанного метода.

ГЛАВА 4. ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕРНОГРАНИЧНОГО

РАЗРУШЕНИЯ.

4.1. Статистическая геометрия излома.

4.2. Наблюдения рельефа зернограничного разрушения модельного материала.

4.3. Дальность взаимовлияния в системе фасеток.

ГЛАВА 5. РАЗРУШЕНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛ И ДНОГО

КОМПОЗИТА.

Разрушение по границам зерна - наиболее опасный вид разрушения (с наименьшим поглощением работы - даже в сравнении со сколом). Условия его проявления весьма многообразны, а структурные причины - обычно повреждение границ сегрегацией примеси, зернограничной сеткой или "россыпями" инородных включений или пор. Хотя иногда ни микроскопия, ни Оже-спектроскопия таких причин не находят: в чистом молибдене, в интерметаллидах или в соединениях с металлоидами.

Зернограничное разрушение рассматривают обычно как некую "аномалию", устранив структурную причину которой можно вернуться к "естественному" виду разрушения - к вязкому ямочному или хотя бы к сколу. Но для этого надо бы знать, каковы приемлемые "степень охрупчивания границ" и их неравнопрочность. Важнейшее средство выявления степени охрупчивания - наблюдения микрорельефа изломов. Чтобы ввести здесь некоторую меру, от визуального сопоставления изломов необходимо прейти к измерениям рельефа.

Основная тенденция развития микроскопии "для массового потребителя": вместо многообразия аппаратных средств (микроскопов и приставок к ним) иметь к стандартному микроскопу одно устройство цифровой регистрации и мощные пакеты обработки изображений, обеспечивающие решение разнообразных задач.

Комбинация [бытовая видеокамера (или цифровой фотоаппарат) + персональный компьютер] на два порядка дешевле сканирующего электронного микроскопа, рядового металлографического микроскопа или специализированного автоматического анализатора изображений класса "Квантимет". Поэтому перспектива - в развитии и распространении пакетов "трехмерных" методов обработки и анализа микро- и макроизображений, полезных для широкого пользователя.

Целью настоящей работы является разработка методов изучения поверхностей разрушения материалов различной природы для дифференциации возникающих в них видов разрушения, выявления структурных факторов, ответственных за возникновение разрушения и количественное определение параметров геометрии поверхности разрушения и их взаимосвязи с характеристиками разрушения.

Актуальность работы. Для изучения разрушения материалов необходимо использование» фрактографической информации для количественной характеристики разрушения. Чтобы внутри одного класса изломов (например, зернограничных) находить различия в процессе разрушения, эксперименты требуют столь значительного объема статистики, какой нельзя получить без использования компьютера уже на стадии сбора информации.

Для решения этой задачи материаловедения необходимо развитие компьютерных методов получения и анализа трехмерного изображения. Необходимо создание комплекса: принцип измерения, аппаратура, алгоритмы и программные средства^ измерения рельефа поверхности разрушения. При этом всякий новый метод должен быть тестирован на модельных образцах, позволяющих всесторонне исследовать поверхность разрушения также и иными известными методами, чтобы затем правильно выбрать характеристики геометрии поверхности. Для оценки материала необходимы также «эталонные» геометрические модели распространения трещины.

Поэтому весьма актуальна задача создания компьютеризованных методов трехмерной микро- и макросъемки поверхностей разрушения материалов различной природы.

Научная новизна.

О Предложен новый - автотеневой - принцип стереофотограмметрии: алгоритм восстановления рельефа поверхности по его собственным теням.

О Разработанный алгоритм реализован в аппаратуре и программных средствах, его эффективность проверена макросъемкой изломов модельного материала (пенопласта) путем параллельных измерений разрезов рельефа.

О Разработана методика автотеневой микросъемки изломов при 6 применении универсального светового металлографического микроскопа и видеокамеры.

О Измерениями рельефа поверхности заведомо зернограничного разрушения изотропного модельного материала (пенопласта) показано в каких пределах траектории рельефа зернограничного излома зависят от формы очага разрушения.

О Из геометрической модели поликристалла указана связь размеров зерен и фасеток излома и ожидаемая статистика наклонов фасеток в однородной структуре.

О Из анализа геометрии изломов поликристаллического интерметал-лида №А1 и сотового композита на его основе (материал типа «пена с наполнителем») показано, что межзеренной прослойки металла толщиной 2 мкм достаточно для перехода от 100 % зернограничного излома к 100 % скола. При этом на выбор ориентировки сколов влияет не только кристаллографическая ориентировка данного зерна, но и ориентировка сколов в соседних зернах до второй координационной сферы.

Практическая ценность диссертации заключается:

0 в разработке аппаратуры и программно-алгоритмических средств измерения и анализа макро- и микрорельефа поверхности разрушения материалов различной природы,

0 в экспериментальном определении дальности влияния формы очага разрушения на характер распространения трещины,

0 в установлении возможности выявления неравнопрочности границ по измерениям рельефа изломов,

0 в обнаружении возможности подавления зернограничного разрушения интерметаллида тонкой прослойкой металла по границам зерна.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи: Автотеневая трехмерная микроскопия; Возможности световой трехмерной микроскопии; Статистическая геометрия поверхности зернограничного разрушения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен и реализован в аппаратуре и программах метод автотеневой трехмерной микроскопии: численного восстановления рельефа по собственным теням на его поверхности. Работоспособность метода проверена на макро- и микрорельефах в диапазоне увеличений светового микроскопа.

2. Указаны геометрические инварианты рельефа зернограничного излома: соотношение размеров зерна и фасеток, наименьший возможный в изотропной структуре среднеквадратичный наклон рельефа.

3. На модельном материале (пенопласте) показано, что траектории рельефа зернограничного излома зависят от формы очага разрушения (точечный или линейный). Из коэффициентов авторегрессии траекторий следует, что выбор вскрываемой фасетки определяют смежные зерна в двух координационных сферах.

4. Поликристаллы интерметаллида №А1 из зерен размером 15.20 мкм разрушаются при 20 °С зерногранично, обнаруживая те же геометрические закономерности строения излома, что и макроскопическая модель из пенопласта.

5. В композите разделение таких же зерен №А1 прослойкой вольфрама толщиной в 1/7 от поперечника зерна приводит к разрушению сколом, что в 1,5 раза повышает прочность по сравнению с однофазным поликристаллом. Выбор одной из кристаллографически возможных плоскостей скола зависит не только от ориентировки решетки в данном зерне, но и от ориентировки сколов в окружающих зернах (в двух координационных сферах).

125

1. Штремель М. А. Зернограничное разрушение стали // МиТОМ. 1988. -№11. - с. 2.

2. Krauss G. Heat treated martensitic steels: microstructural systems for advanced manufacture // Iron Steel Inst. Japan Int. 1995. - v.35. - №4. - p. 349.

3. Установщиков Ю. И., Банных О. А. Природа отпускной хрупкости сталей. -М.: Наука, 1984, 239 с.

4. Kuramoto S., Itoh G., Kanno M. Intergranular fracture in some precipitation -hardened aluminum alloys at low temperatures // Met. Mat. Trans. 1996. -v.27A. -№10. -p. 3081.

5. Чаус А. С., Рудницкий Ф. И. , Мургаш M. Структурная наследственность и особенности разрушения быстрорежущих сталей // МиТОМ. 1997. - №2. -с. 9.

6. Kimura H. Intergranular fracture in BCC metals // Trans. Jap. Inst. Met. 1988. -v.29.-№7.-p. 521.

7. Daniluk S., Wolke I. Low temperature impact properties of phosphorus and sulfur doped and sensitized type 304 stainless steel // Met. Trans. 1986. -v.17A.-№4.-p. 663.

8. Степанова H.H., Родионов Д. П. и др. Интеркристаллитная хрупкость стали Гадфильда // ФММ. 1989. - т. 68. - №4. - с. 812.

9. Ботвина JI. Р., Тетюева Т. В., Иоффе А. В. Стадийность множественного разрушения низколегированных сталей в среде сероводорода // МиТОМ. -1998. №2. - с. 14.

10. Матвиенко А. Ф., Баддин А. В. и др. Коррозионное растрескивание под напряжением сталей магистральных газопроводов // ФММ. 1998. - т. 86. -№2,-с. 139.

11. Suzuki H. G., Nishimura S., Yamaguchi Sh. Characteristics of hot ductility in steels subjected to the melting and solidification // Trans. Iron Steel Inst. Japan. -1982.-v.22.-№l.-p. 48.126

12. Wolf M. M. Fine intergranular surface cracks in bloom casting 11 Trans. Iron Steel Inst. Japan. 1984. - v.24. - №5. - p. 351.

13. Беленький Д. М., Шамраев JI. Г. К определению предела трещино-стойкости // Зав. лаборатория. Диагностика мат. 2000. - т. 66. - №4. - с. 41.

14. Сурикова М. А. Структурные особенности порошковых материалов, предназначенных для работы, в условиях высоких температур, напряжений и изнашивания // МиТОМ,- 1998. №7. - с. 10.

15. Gwihwan Byun, Seungchan Oh et al. Correlation of microstructure and microfracture mechanism of five work rolls // Met. Mat. Trans. 1999. - v.30A. -№1. - p. 234.

16. Larouk Z., Pilkington R. Creep deformation and fracture of a Cr/Mo/V bolting steel containing selected trace element additions // Met. Mat. Trans. - 1999. -v.30A. - №8. - p. 2049.

17. Bika D., Pfaendther J. A. et al. Sulfur induced dynamic embrittlement in a low - alloy steel // Acta Met. Mat. - 1995. - v.43. - №5. - p. 1895.

18. Штремель M. А., Князев А. А. Кинетика раскрытия внутренней зернограничной трещины водородом // ФММ. 1986. - т. 62. - №4. - с. 645.

19. Laws N., Lee J. С. Microcracking in polycrystalline ceramics: elastic isotropy and thermal anisotropy // J. Mech. Phys. Solids. 1989. - v.37.- №5. - p. 603.

20. Жаров А. И., Михалев M. С., Гришина В. E. Влияние химического состава и структуры на хладноломкость стали Г13Л // МиТОМ. 1980. - №2. - с. 40.

21. Штремель М. А., Абдель Керим А. А. Количественная характеристика изломов мартенсита по электронномикроскопическим наблюдениям // ФММ,- 1973. т. 35. - №5. - с. 1034.

22. Рейхарт В. А., Дудкина Т. П. и др. Нормирование механических свойств железнодорожных рельсов при испытании поперечных образцов // Сталь. -1984. №5. - с. 68.

23. Голованенко С. А., Чевская О. Н. Влияние контролируемой прокатки на характер разрушения малоперлитных сталей для сварных труб большого диаметра // Сталь. 1984. - №12. - с. 51.127

24. Добаткин В. И. Свойства конструкционных алюминиевых сплавов в рекристаллизованном и полигонизованном состояниях // Изв. АН. Металлы,- 1982,- №2. с. 76.

25. Venkateswara Rao К. Т., Hayashigatani Н. F. et al. On the fracture toughness of aluminum lithium alloy 2090 - T8E41 at ambient and cryogenic temperatures // Scripta Met. - 1988,- v.22. - №L - p. 93.

26. Шнейдер Г. Л., Шевелева Л. М., Кафельников В. В. Замедленное разрушение алюминиевых сплавов // МиТОМ. 1999. - №3. - с. 18.

27. Штремель М. А.,* Никулин С. А., Канев В. П. Вязкое разрушение высокомарганцевой стали // Изв. АН. Металлы. 1981. - №4. - с. 98.

28. Liu J. М., Shen В. W. Direct measurement of the work of fracture for grain boundaries of twist misorientation about <100> in tungsten // Met. Trans. 1984. - v.15A. - №6. - p. 1289.

29. Kurushita H., Kuba Sh. et al. Misorientation dependence of grain boundary fracture in molybdenum bicrystals with various <110> twist boundaries // Trans. Jap. Inst. Met. 1985. - v.26. - №5. - p. 332.

30. Lim L. C., Watanabe T. Fracture toughness and brittle ductile transition controlled by grain boundary character distribution in polycrystals // Acta Met. Mat. - 1990. - v.38. - №12. - p. 2507.

31. Crawford D. C., Was G. S. // Met. Trans. 1992. - v.23A.- №4. - p. 1195.

32. Menyhard M., McMahon C. J. Anisotropic distribution of the segregated atoms between the two fracture surfaces // Scripta Met. 1991,- v.25. - №4. - p. 935.

33. Miura H., Saiyo K., Sakai T. High temperature deformation and fracture behavior of Cu - Si02 bicrystals with 011. twist boundaries // Mat. Trans. Jap. Inst. Met. - 1996. - v.37. - №4. - p. 754.

34. Утевский Л. M. и др. Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа. М.: Металлургия, 1987, 221 с.

35. Голубев В. К., Соболев Ю. С., Юкина Н. А. О характере разрушения урана при ударно-волновом нагружении в температурном диапазоне -196 800 °С // Металлы. - 1997. - №2. - с. 123.128

36. Губенко С. И. Влияние скорости и температуры деформации на развитие микроразрушений вблизи неметаллических включений // Металлы. 1998. -№6. - с. 62.

37. Van Stone R. Н., Сох Т. В. et al. Microstructural aspects of fracture by dimpled rupture // International Met. Reviews. 1985. - v.30. - №4. - p. 157.

38. Маркович A. JL, Штремель ,M. А. Разрушение в системе зеренных границ //ФММ. 1997. - т. 83. - №3. - с. 37.

39. Soboyejo W. О., Mercer С., Lou К., Heath S. An investigation of the fatique and fracture behavior of Mn containing gamma titanium aluminides // Mat. Met. Trans. - 1995,- v.26A. - №9. - p. 2275.

40. Semiatin S. L., Seetharaman V. A criterion for intergranular failure during hot working of a near gamma titanium aluminide alloy // Scripta Met. - 1997. -v.36. - №3. - p. 291.

41. Meng W. G., Vaudin M. D. et al. Experimental assessment of crack tip dislocation emission models for an Al67Cr8Ti25 intermetallic alloy // Met. Mat, Trans. - 1995. - v.26A. - №2. - p. 329.

42. Morris D. G., Morris M. A., Leboeuf M. Fracture of manganese modified titanium tri - aluminide alloy // Acta Met. Mat. - 1993. - v.41. - №7. - p. 2077.

43. Бунтушкин В. П., Поварова К. Б. и др. Влияние кристаллографической ориентации на механические свойства монокристаллов легированного интерметаллида Ni3Al // Металлы. 1998. - №2. - с. 49.

44. Yang J.-M. The mechanical behavior of in-situ NiAl refractory metal composites // J. Metals. - 1997. - №8,- p. 40.

45. Heathcote J., Odette G. R. et al. On the micromechanics of low temperature strength and toughness of intermetallic/metallic microlaminate composites // Acta Met. Mat. 1996. - v.44.- №11. - p. 4289.

46. Pickard S. M., Zhang H., Ghosh A. K. Interface shear properties and toughness of NiAl/Mo laminates // Acta Met. Mat. 1997. - v.45. - №10. - p. 4333.

47. Wang L., Xu K. et al. Dislocations in continuous filament reinforced W/NiAl and Al203/NiAl composites // Mat. Met. Trans. 1997. - v.28A. - №12. - p. 2755.129

48. Jackson M. R., Bewlay В. P. et al. High temperature refractory metal -intermetallic composites // J. Metals.- 1996. - №1. - p. 39.

49. Fior G. O., Morris J. W. Characterization of cryogenic Fe-6Ni steel fracture modes: a three dimensional quantitative analysis // Met. Trans. 1986. - v.17A. -№5. - p. 815.

50. Фрактография и атлас фрактограмм / Справочник. Пер. с англ. под ред. М. Л. Бернштейна. М.: Металлургия, 1982, 488 с.

51. Штремель М. А., Пантелеев Г. В., Жевнерова О. В. Возможности световой трехмерной микроскопии // Зав. лаборатория. Диагностика мат. 2000. - т. 66. - №8. - с. 30.

52. Kilikoglou V., Vekinis G., Maniatis Y. Toughening of ceramic earthenwares by quartz inclusions: an ancient art revisited // Acta met. mat. 1995. - v.43. - №8. - p. 2959.

53. Ebara R., Yamada Т., Kawano H. Corrosion fatique process of 12 Cr stainless steel // ISIJ International. 1990. - v.30. - №7. - p. 535.

54. Takano Т., Sumiyoshi H., Masuda C. Algorithm for three-dimensional analysis of cleavage facet and its application for brittle fracture surface of steels // ISIJ International. 1990. - v.30. - №7. - p. 552.

55. Беломытцев M. Ю., Ежов И. П. Получение малых образцов интерметал-лидных композиций // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1999. - №7. - с. 50.

56. Штремель М. А. и др. Патент РФ №2135619. Композиционный материал (его варианты) и способ его получения / БИ. 1999,- № 24.

57. Штремель М.А., Беломытцев М. Ю., Жевнерова О. В. Разрушение интерметаллидного композита типа «пена с наполнителем» // Изв. Вузов. Черная металлургия. 2000. - в печати.

58. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976, 271 с.

59. Баранова Л. В., Демина Э. Л. Металлографическое травление металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1986, 180 с.130

60. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир, 1980, 515 с.

61. Хусу А. П., Витенберг Ю. В. Пальмов В. А. Шероховатость поверхности (теоретико-вероятностный подход). М.: Наука, 1975, 344 с.

62. Лонге-Хиггинс М. С. // В сб. Гидродинамическая неустойчивость. Пер. с англ. М.: Мир, 1964, с. 124. .

63. Теребиж В. Ю. Анализ временных рядов в астрофизике. М.: Наука, 1992, 392 с.

64. Кендалл М. Дж.,' Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды / Пер. с англ. М.: Наука, 1976, 736 с.

65. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление / Вып. 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1974, 408 с.

66. Штремель М. А., Чижиков В. И., Жевнерова О. В. Автотеневая трехмерная микроскопия // Зав. лаборатория. Диагностика мат. 1999. - т. 65. - №10. - с. 32.

67. Веденов А. А. Объемные компьютерные копии объектов // Успехи физ. наук. 1994. - т. 164. - №9. - с. 967.

68. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения / 2-е изд., т. 1.-М.: Мир, 1964, 500 с.

69. Штремель М. А., Жевнерова О. В. Статистическая геометрия поверхности зернограничного разрушения // ФММ. 2000. - в печати.

70. Штремель М. А. Прочность сплавов. Часть I. Дефекты решетки. М.: МИСиС, 1999, 383 с.

71. Штремель М. А. Конкуренция двух механизмов хрупкого разрушения в поликристалле // ФММ. 1982. - т. 53. - №4. - с. 807.

72. Lim L. С., Watanabe Т. Grain boundary character distribution controlled toughness of polycrystals a two-dimensional model // Scripta Met. - 1989. -v.23.-№4. - p. 489.