Фрактография

Фрактография – это исследование поверхностей излома материалов. Фрактографические методы обычно используются для определения причины отказа инженерных конструкций, особенно при отказе продукции, а также в практике судебной инженерии или анализа отказов . В исследованиях в области материаловедения фрактография используется для разработки и оценки теоретических моделей поведения роста трещин.

Одной из целей фрактографического исследования является определение причины разрушения путем изучения характеристик изломанной поверхности. Различные типы роста трещин (например , усталостное , коррозионное растрескивание под напряжением , водородное охрупчивание ) создают характерные особенности на поверхности, которые можно использовать для определения вида разрушения. Однако общий характер растрескивания может быть более важным, чем одна трещина, особенно в случае хрупких материалов, таких как керамика и стекло .

Использование

Фрактография — это широко используемый метод в судебной инженерии , судебной экспертизе материалов и механике разрушения для понимания причин отказов, а также для проверки теоретических прогнозов отказов с реальными отказами. Его можно использовать в судебной медицине для анализа разбитых продуктов, которые использовались в качестве оружия, например, разбитых бутылок. Таким образом, ответчик может утверждать, что бутылка была неисправной и случайно разбилась, когда она ударилась о жертву нападения. Фрактография может показать, что обвинение ложно, и что необходима значительная сила, чтобы разбить бутылку, прежде чем использовать сломанный конец в качестве оружия для преднамеренного нападения на жертву. Пулевые отверстия в лобовых стеклах или окнах также могут указывать направление удара и энергию снаряда. В этих случаях для восстановления последовательности событий жизненно важна общая картина растрескивания, а не конкретные характеристики отдельной трещины. Фрактография может определить, был ли причиной схода поезда с рельсов неисправный рельс или перед катастрофой на крыле самолета были усталостные трещины.

Фрактография используется также при исследовании материалов, поскольку свойства разрушения могут коррелировать с другими свойствами и структурой материалов.

Идентификация функции

Источник

Важной целью фрактографии является установление и изучение происхождения трещин, поскольку исследование источника может выявить причину возникновения трещин. Первоначальное фрактографическое исследование обычно проводится в макромасштабе с использованием оптической микроскопии малой мощности и методов наклонного освещения для определения степени растрескивания, возможных режимов и вероятного происхождения. Оптической микроскопии или макрофотографии часто бывает достаточно, чтобы точно определить характер разрушения и причины зарождения и роста трещин, если известен характер нагружения.

Общими особенностями, которые могут вызвать возникновение трещин, являются включения , пустоты или пустые отверстия в материале, загрязнения и концентрации напряжений .

Рост усталостных трещин

На изображении сломанного коленчатого вала видно, что компонент вышел из строя из-за дефекта поверхности возле колбы в нижнем центре. Полукруглые метки возле начала указывают на трещину, прорастающую в объемный материал в результате процесса, известного как усталость . На коленчатом валу также имеются штриховки — линии на поверхностях излома, по которым можно проследить источник излома. Некоторые способы роста трещин могут оставлять на поверхности характерные следы, которые определяют характер роста и происхождения трещин в макромасштабе, например, отметки или полосы на усталостных трещинах.

микроскопия

Микроскопы можно использовать для определения точки зарождения и механизма, вызвавшего рост трещины. Информацию можно получить из изображений поверхности разрушения, известных как фрактограммы , и использовать при построении диаграмм. Схематическую карту поверхности излома можно использовать для выделения и идентификации особенностей на поверхности, которые показывают, почему продукт вышел из строя. Такая карта может быть ценным способом представления информации, которая ясно показывает, как возникла трещина, которая со временем росла.

USB-микроскопия

USB-микроскопы особенно полезны для изучения особенностей поверхности излома, поскольку они достаточно малы, чтобы их можно было держать в руках. Камеры различных размеров и разрешений доступны в продаже по низкой цене. Кабель камеры подключается к компьютеру через USB- разъем, и большинство таких устройств оснащены светодиодной подсветкой камеры .

Сканирующая электронная микроскопия

Во многих случаях фрактография требует исследования в более мелком масштабе, которое обычно проводится с помощью сканирующего электронного микроскопа или SEM. Разрешение значительно выше, чем у оптического микроскопа, хотя образцы рассматриваются в частичном вакууме и цвет отсутствует. Усовершенствованные СЭМ теперь позволяют проводить исследования при давлениях, близких к атмосферному, что позволяет исследовать чувствительные материалы, например, биологического происхождения. СЭМ особенно полезен в сочетании с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией или EDX, которую можно выполнять в микроскопе, поэтому можно проанализировать очень небольшие участки образца на предмет их элементного состава.

Пример

Грудной имплантат

, Там, где встречаются хрупкие трещины, образуется выступ как показано на снимке вышедшего из строя катетера (Cp). Бугорок образовался в результате хрупкого разрушения катетера на грудном имплантате из силиконовой резины . Начало трещин находится на уступе с левой стороны. Выявление таких особенностей позволит составить карту поверхности излома исследуемой поверхности. Имплантат вышел из строя из-за перегрузки, все приложенные нагрузки были сосредоточены в месте соединения катетера и мешка с солевым раствором. В результате пациент сообщил о потере жидкости из имплантата, его удалили хирургическим путем и заменили.

В случае с неудачным катетером грудного имплантата путь трещины был очень простым, но причина более незаметна. Дальнейшая сканирующая электронная микроскопия выявила многочисленные микротрещины между мешком и катетером, что указывает на преждевременное разрушение клеевой связи между двумя компонентами, возможно, из-за неправильного производства. Материал, из которого изготовлен мешок и катетер, силиконовая резина, представляет собой физически слабый эластомер, и конструкция изделия должна обеспечивать низкую на разрыв или сдвиг прочность материала .

Морской патрульный самолет

В крепежном отверстии нижней планки крыла возникла некритическая трещина. Планка изготовлена из алюминиевого сплава АА7075-Т6 толщиной 3,2 мм . Время обнаружения трещины и счетный g-метр самолета позволили следователям выяснить нагрузку на самолет от эксплуатации. Трещины на СЭМ свидетельствовали об усталости . Циклическая нагрузка и усталость , по-видимому, постепенно ухудшались: некоторые трещины стали большими, а другие - небольшими по длине и ширине, что указывает на случайную силу, превышающую 2> g. G-метр показал, что самолет совершил 2500 полетов, при этом сила перегрузки и ускорение иногда превышали 2 G. Это больше, чем заявленный производителем максимум. ^[1] Был сделан вывод, что на старых или часто используемых самолетах следует регулярно проверять усталость и трещины. ^[1] Исследование также выявило новые способы использования количественной фрактографии на самолетах, которая сравнивает историю нагрузок (в данном случае g-метр) и записи об усталости сплава в лабораторных условиях при различных давлениях, циклах и температурах. В исследовании использовалась база данных трещин для создания модели, прогнозирующей силы и развитие трещин.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Голдсмит, Северная Каролина; Ванхилл, RJH; Молент, Л. (01 февраля 2019 г.). «Количественная фрактография усталости и наглядный пример» . Анализ инженерных отказов . 96 : 426–435. doi : 10.1016/j.engfailanal.2018.10.013 . ISSN 1350-6307 . S2CID 139907051 .

Льюис, Питер Рис, Рейнольдс, К., и Гагг, К., Судебная инженерия материалов: тематические исследования , CRC Press (2004).
Миллс, Кэтлин Фрактография , справочник Американского общества металлов (ASM), том 12 (1991).
Н. Т. Голдсмит, Р. Дж. Ванхилл, Л. Молент, Количественная фрактография усталости и иллюстративное тематическое исследование, Анализ инженерных отказов, том 96 (февраль 2019 г.), страницы 426–435.

[:0-1] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Голдсмит, Северная Каролина; Ванхилл, RJH; Молент, Л. (01 февраля 2019 г.). «Количественная фрактография усталости и наглядный пример» . Анализ инженерных отказов . 96 : 426–435. doi : 10.1016/j.engfailanal.2018.10.013 . ISSN 1350-6307 . S2CID 139907051 .

[1]