Riepilogo delle modalità di frattura dei metalli e analisi della superficie di frattura

Ⅰ Introduzione

I materiali metallici spesso affrontano scenari di guasto quali frattura, corrosione, usura e deformazione in varie applicazioni. Tra questi, la frattura è considerata uno dei tipi di guasto più pericolosi e ha sempre ricevuto ampia attenzione. Quando un metallo si divide in due o più pezzi sotto stress (a volte anche influenzato dal calore o da mezzi corrosivi), si parla di frattura completa. Quando ci sono crepe all'interno del metallo, si parla di frattura incompleta.

Ⅱ Tipi di frattura del metallo

1. Classificazione in base al grado di deformazione plastica prima della frattura

La sabbiatura utilizza aria compressa come potenza per spruzzare materiali abrasivi (come minerale di rame, sabbia di quarzo, corindone, sabbia di ferro, sabbia di Hainan, ecc.) ad alta velocità sulla superficie del pezzo in lavorazione. A causa dell'impatto e dell'azione di taglio dell'abrasivo, la superficie del pezzo in lavorazione cambia, raggiungendo un certo livello di pulizia e una diversa rugosità.

Frattura duttile

Noto anche come frattura duttile o frattura plastica.

Caratteristiche della superficie di frattura:Macroscopicamente, la superficie di frattura di una frattura duttile mostra una significativa deformazione plastica, cambiamenti nelle dimensioni della frattura, la presenza di regioni fibrose e di labbro di taglio e un colore opaco. Microscopicamente, mostra motivi a fossette, strutture fibrose, motivi a creste a spina di pesce e a raggi.

Determinazione:In generale, si definisce frattura duttile se la riduzione dell'area di un campione liscio sottoposto a trazione è maggiore del 5%.

▲ Superficie macroscopica della frattura duttile

▲ Superficie microscopica della frattura duttile

Frattura fragile

Caratteristiche della frattura:Le caratteristiche della frattura fragile sia a livello macroscopico che microscopico sono la mancanza di una deformazione plastica significativa e superfici relativamente lisce e lucide. Queste caratteristiche si verificano perché il materiale non subisce una deformazione plastica sufficiente durante la frattura, causando la rapida propagazione delle crepe e la formazione di superfici di frattura ordinate e lisce. A livello microscopico, i passaggi di scissione, i modelli di fiume e i modelli di linguetta rivelano ulteriormente i meccanismi di frattura e i percorsi di propagazione delle crepe delle fratture fragili.

Pericolo:In genere non ci sono sintomi precoci e si manifesta all'improvviso, spesso con gravi conseguenze.

Determinazione:Una riduzione dell'area della sezione trasversale inferiore al 5% in campioni di trazione lisci può indicare una deformazione plastica uniforme minima, considerata una frattura fragile.

▲ Frattura fragile Superficie macroscopica

▲ Frattura fragile Superficie macroscopica

2. Classificazione in base al percorso di propagazione delle crepe

Frattura transgranulare

Caratteristiche:La crepa si propaga all'interno dei grani.

Natura:Può essere duttile o fragile.

▲ Schema della frattura transgranulare

▲ Micrografia della frattura transgranulare

Frattura intergranulare

Caratteristiche:La crepa si propaga lungo i bordi dei grani.

Natura:Per lo più fratture fragili.

▲ Schema di frattura intergranulare

▲ Micrografia della frattura intergranulare

3. Classificazione in base al tipo di stress e alla posizione relativa dell'orientamento della superficie di frattura rispetto allo stress

Frattura da trazione

L'orientamento della superficie di frattura è perpendicolare alla massima sollecitazione normale.

Natura:Per lo più frattura fragile, ma può anche presentare una significativa deformazione plastica.

Frattura da taglio

L'orientamento della superficie di frattura si allinea con la direzione della massima sollecitazione di taglio, formando un angolo di 45 gradi con la massima sollecitazione normale.

Natura:Frattura duttile.

 

4. Classificazione in base alla natura del carico e alla causa dello stress

Frattura da fatica

Definizione:Frattura che si verifica nei materiali sottoposti a carichi alternati.

Meccanismo:Risultato dell'effetto combinato di stress e tempo alternati.

▲ Frattura da fatica causata da tensione e compressione combinate

Frattura ambientale

Definizione:Frattura a basso stress dei materiali causata da fattori ambientali.

Classificazione:Comprende principalmente la corrosione sotto sforzo e la fragilità da idrogeno.

▲ Frattura da corrosione

II. Metodi di analisi della superficie di frattura dei metalli

Il metodo in tre fasi per l'analisi delle superfici di frattura dei metalli è un processo sistematico volto a comprendere le cause, i meccanismi e le proprietà delle fratture dei materiali mediante l'osservazione e la valutazione delle superfici di frattura.

Fase 1: Osservazione macroscopica

Scopo:Per effettuare un'osservazione iniziale a occhio nudo, con lente di ingrandimento o microscopio ottico a bassa potenza, raccogliere informazioni macroscopiche sulla superficie della frattura.

Contenuto

Osservazione generale:Inizialmente osservare l'aspetto generale e le interrelazioni delle varie regioni della superficie della frattura utilizzando l'occhio nudo e lenti a basso ingrandimento.

Analisi della natura della frattura:Determinare in via preliminare la natura della frattura, ad esempio frattura duttile, frattura fragile, ecc.

Giudizio sull'origine della crepa:Analizzare la posizione dell'origine della crepa e la direzione della sua propagazione.

Valutazione della qualità metallurgica e del trattamento termico:Utilizzare l'osservazione macroscopica per valutare in via preliminare la qualità metallurgica e la qualità del trattamento termico.

Registrazione:Fotografare e registrare i risultati delle osservazioni macroscopiche per analisi successive.

Fase 2: Osservazione microscopica

Scopo:Per effettuare un'osservazione più approfondita utilizzando microscopi ad alta potenza (come microscopi metallografici e microscopi elettronici a scansione) per ottenere informazioni microscopiche sulla superficie di frattura.

Contenuto

Osservazione diretta della superficie della frattura:Osservare le caratteristiche morfologiche microscopiche della superficie di frattura utilizzando microscopi metallografici o microscopi elettronici a scansione.

Osservazione del profilo di frattura:Approfondire la microstruttura, il percorso di propagazione delle crepe e il meccanismo di frattura.

Verifica delle informazioni macroscopiche:Utilizzare l'osservazione microscopica per verificare ulteriormente le informazioni raccolte durante l'osservazione macroscopica.

Determinazione della natura della frattura:Determinare con maggiore accuratezza la natura, la velocità di propagazione e la posizione dell'origine della frattura sulla base dei risultati dell'osservazione microscopica.

Identificazione della causa della frattura:Attraverso un'analisi completa, identificare la causa e il meccanismo della frattura.

Fase 3: Analisi quantitativa

Scopo:Condurre ricerche più approfondite sulla superficie di frattura attraverso test e analisi quantitative per ottenere dati sulle prestazioni più accurati.

Contenuto

Analisi della composizione chimica:Analizzare la composizione chimica del materiale di frattura, incluso il contenuto di elementi principali, impurità e inclusioni non metalliche.

Test delle proprietà meccaniche:Eseguire prove di trazione, impatto, durezza e altre prove meccaniche sul materiale di frattura per valutarne la resistenza, la tenacità e la durezza.

Analisi della morfologia della frattura:Utilizzare strumenti quali microscopi elettronici a scansione (SEM) per l'analisi quantitativa della morfologia della frattura, come lunghezza, larghezza, profondità, ecc. della crepa.

Valutazione del meccanismo di frattura:Valutare il meccanismo di frattura, ad esempio frattura duttile, frattura fragile, ecc., sulla base dei risultati dei test quantitativi.

Valutazione completa:Combinare i risultati dell'osservazione macroscopica, dell'osservazione microscopica e dell'analisi quantitativa per valutare in modo completo le prestazioni del materiale.

Attraverso il metodo in tre fasi dell'analisi della superficie di frattura dei metalli, è possibile acquisire una comprensione completa e approfondita delle cause, dei meccanismi e delle proprietà delle fratture dei materiali metallici, fornendo importanti riferimenti per la progettazione, la produzione e l'uso dei materiali.