Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\ARCHIWUM-lata-78-71\MTS75_t13z1_4\mts75_t13z3.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA 3,  13  (1975) O  M OŻ LI WOŚ CI  R OZ SZ ER Z EN I A  METOD YKI  BADAŃ   P OWIERZ CH N I  PĘ KN IĘ Ć ZM Ę CZEN IOWYCH *) STAN ISŁAW  K O C A Ń D A,  JAN   K O Z U B O W S K I  (WARSZAWA) Badan ia  m ikrobudowy  zł om ów zmę czeniowych  stwarzają   dobre  podstawy  do  fizycznej i  praktycznej  interpretacji  przebiegu  zmę czeniowego  pę kania.  N ajwię cej  informacji  dostar- czają   prą ż ki,  ja ko  wspóln a  cecha  wię kszoś ci  zł omów  zmę czeniowych,  umoż liwiają ce  dość peł n e  odtworzenie  historii  obcią ż enia  (liczba  cykli  rozwoju  pę kn ię cia;  orientacyjna,  cał ko- wita  liczba  cykli  obcią ż en ia;  ś rednie  prę dkoś ci  pę kan ia;  przybliż one  wartoś ci  naprę ż eń eksploatacyjnych).  Z a  pom ocą   bad ań  elektronooptycznych  moż emy  wykryć  i  scharaktery- zować  pierwotn e  i  wtórn e  ogniska  pę kn ię ć;  opisać  rozwój  pę knię cia  w  poszczególnych strefach  zł om u;  okreś lić  udział   pę kn ięć plastycznych  i  kruchych;  dowiedzieć  się   o pę kaniu wydzieleń  i stref  do nich przylegają cych;  o lokalnym  przyspieszaniu  lub  opóź nianiu pę knię- cia;  o  rozmieszczeniu,  gę stoś ci  i  zasię gu  pę knięć  wtórn ych ;  o  stopniu  oddział ywania róż- nych  oś rodków.  Rejestrujemy  róż ne  informacje  dodatkowe,  jak  sam  przebieg  i  budowę prą ż ków,  pę knię cia  wtórn e  wzdł uż  ś cianek  prą ż ków,  pasm a  poś lizgów  n a powierzchniach pę knię ć, budowę   strefy  resztkowej  i ch arakter pę kan ia w  tej  strefie.  D o opisywanych  badań wykorzystujemy  gł ównie  m ikroskopy  elektron owe  transmisyjne,  prześ wietleniowe  (ozna- czane  skrótem  TE M ) i  m ikroskopy  elektron owe  skaningowe  (SEM ).  Badanie  powierzchni pę knięć  zmę czeniowych  m etodą   replik  w  TE M  jest  dość  ż m udne.  D ostarcza  jedn ak  naj- wierniejszych  obrazów  m ikrorzeź by  zł om u,  do  czego  przyczynia  się   wysoka  zdolność rozdzielcza  i przede wszystkim  duża  gł ę bia ostroś ci  (okoł o  1000  razy  wię ksza  niż w mikro- skopie  optycznym ).  R ówn ie  duża  gł ę bia  ostroś ci  i  wystarczają ca  zdolność  rozdzielcza w  SE M   umoż liwiają   ś ledzenie  charakterystyczn ych  cech  powierzchni  pę knię ć,  bez  ko- niecznoś ci  sporzą dzan ia  replik;  wycinki  powierzchni  oglą da  się   bezpoś rednio.  Cenną   za- letą   SEM  jest  moż liwość  cią gł ej  obsefwacji  powierzchn i  zł omu  przy  stopniowo  narastają - cych  powię kszeniach  (na przykł ad  od  1 do  10 000  razy),  a  zatem  moż liwość  badan ia  inte- resują cych  n as  szczegół ów  m ikrobudowy.  P odobień stwo  obrazów  oglą danych  w  oby- dwóch  m ikroskopach  T E M   i  SE M   jest  n a  ogół   d o bre;  obrazy  uzyskiwane  z  TE M   są jedn ak'  szczegół owsze,  a  z  SE M  —ja kb y  «  gł ę bsze  »,  sprawiają ce  wraż enie  obrazów  prze- strzennych.  P oł ą czenie  bad ań  m ikrofraktograficznych  z  badan iam i  prześ wietleniowymi cienkich  folii,  mają ce  n a  celu  powią zanie  cech  m ikrobudowy  zł omów  z  substrukturą warstwy  wierzchniej  pę knię cia,  uł atwia  wnikanie  w  istotę   mechanizmu pę kan ia.  Iloś ciowe okreś lenie  tych  cech  m orfologicznych  przekształ cił o mikrofraktografię   jakoś ciową   w  ilo- ś ciową. *)  I I czę ść referatu  problemowego  wygł oszonego  na VI  Sympozjum  Doś wiadczalnych  Badań  w  Me- chanice  Ciał a  Stał ego,  zorganizowanym  przez  Oddział   Warszawski  Polskiego  Towarzystwa  Mechaniki Teoretycznej i Stotowanej  oraz  Instytu  1 M echaniki  Stosowanej  Politechniki  Warszawskiej  w  Warszawie, we  wrześ niu  1974 r, 330  ST.  KOCAŃ D A,  J.  KOZU BOWSKI D o  obserwacji  w  T E M  uż ywa  się   najczę ś ciej  konwencjonalnych  replik jedn o-  lub  dwu- stopniowych,  cieniowanych  param i  róż nych  m etali.  Istnieje  jedn ak  moż liwość  bł ę dów odwzorowania  i  uszkadzania  replik  podczas  ich  zdejmowania  z  bardzo  rozwinię tych powierzchni  pę knię ć,  zawierają cych  zwł aszcza  ostre  krawę dzie  czy  pę knię cia  wtórn e. U zupeł nienie T E M  urzą dzeniem  do  nachylania replik  pod  róż n ym ką tem  w  zakresie  + 60° pom ogł o  w  wyjaś nieniu  nie  zawsze  czytelnych,  a  stą d  trudnych  do  interpretacji  obrazów. Z wrócił   n a  to  szczególną   uwagę   D .  BROEK  [1]. Celem  niniejszej  pracy  jest  wł aś nie  pokazan ie  n a  podstawie  wybranych  przykł adów, jak  może  się   zmieniać  elektronooptyczny  obraz  powierzchni  pę knięć  przez  nachylanie repliki.  Badania  wykonywano  n a  m ikroskopie  transmisyjnym  P hilips  E M   300.  Wyko- rzystano  dwustopniowe  repliki  acetylocelulozowo- wę glowe  cieniowane  platyn ą   w  kierun ku przeciwnym  do  rozwoju  pę knię ć,  które  we  wcześ niejszych  badan iach  wł asnych  obserwo- wano  w  mikroskopie  JEM - 6A. Plastyczne  prą ż ki  zmę czeniowe  n a  powierzchni  pę knię cia  wyż arzonej  stali  wę glowej St2  oglą damy  n a rys.  1. Pę knię cie został o  wywoł ane  pł askim zginaniem przy  współ czynniku am plitudy  cyklu  i?  =   a mln / a max   =   0,25,  a  badan ia  elektron ooptyczn e tych  pę knięć  opi- sano  w  [2]  (stosowano  m ikroskop  JEM - 6A).  Wart o  przypom nieć,  że  prą ż ki  są   ś ladami przemieszczają cego  się   w  każ dym  cyklu  pę knię cia.  Jeden  prą ż ek  odpowiada  zatem  jed- nemu cyklowi obcią ż enia  (na ogół ).  Są   one prostopadł e lub  prawie  prostopadł e  do  kierun ku rozwoju  pę knię cia.  Z  odstę pów  mię dzy  prą ż kami  (które  szczegół owo  przean alizowan o w  [3]) oblicza  się  prę dkość  zmę czeniowego  pę kan ia. U wypuklon e  n a rys.  la  prą ż ki  stają   się wyraź niejsze po nachyleniu repliki  o ką t  + 30°  (rys.  lb ) ;  obrócenie o ką t  —30° czyni ukł ady prą ż ków  mniej  wyraź ne,  ale  wykazuje  istnienie  licznych  pę knięć  wtórnych,  których  ś lady pokrywają   się   z  krawę dziami  prą ż ków  (strzał ki  n a  rys.  lc) .  N ie  był y  one  wyraź nie  wi- doczne  n a  rys.  la  i  lb;  Obserwacje  innego  wycinka  tego  samego  zł om u,  którego  obraz przedstawiono  na rys.  2a,  ale pod  ką tem  — 30°,  doprowadził y  do  zaniknię cia  obrazu  typo- wych  prą ż ków  (rys.  2b).  U jawnił y  się   one  najlepiej  po  nachyleniu  repliki  o  ką t  + 30° (rys.  2c).  Istnieje zatem prawdopodobień stwo  niewykrycia  istnieją cych  prą ż ków  w  okreś lo- nych  warunkach  doś wiadczalnych.  Ostatnie zdję cie  (na rys.  2c) jest jednocześ nie  dowodem licznych  uskoków  i  nieregularnej  mikrorzeź by  powierzchni  pę knię cia,  czego  n ie  m oż na był o dostrzec na dwóch poprzednich zdję ciach  (rys.  2a  i 2b). Jeszcze  inny przykł ad z bad ań strefy  zmę czeniowej  stali  St2  pokazan o  n a  rys.  3.  N a rys.  3a  widoczna jest  ciem na linia  — jakby  przeką tna zdję cia,  oddzielają ca  dwa  ukł ady prą ż ków.  T aka  linia jest zwykle  wł aś ciwa pę knię ciom  wtórnym ,  biegną cym  od  powierzchni  gł ównego  pę knię cia  w  gł ą b  m ateriał u. N achylenie  repliki  pod  ką tem  40°  wykazał o jedn ak,  że linia  t a jest  ś ladem  uskoku  (spowo- dowan ego  pę knię ciem  wtórnym  typu  ś cię cia —  rys.  3b). Z atem  są siadują ce  ze  sobą   ukł ady nie  leżą   ś ciś le  w  jedn ej  pł aszczyź nie  pę knię cia,  ja k  to  m oż na  był o  są dzić  n a  podstawie zdję cia  n a  rys.  3a.  Również  nie  w jednej  pł aszczyź nie  znajduje  się   wycinek  z  plastycznymi prą ż kami  i  przejś ciowa  strefa  ś cię cia  do  przeł om u  kruchego,  wywoł anego  obcią ż eniem udarowym  (szczegół y  w  [2]).  D o  odwrotnego  przypuszczania  skł aniał oby  n as  zdję cie n a rys.  4a.  N achylenie strefy.przejś ciowej,  tworzą cej  uskok, jest  dobrze widoczne  n a rys.  4c. Z wraca  również  uwagę   zm ian a  wyrazistoś ci  obrazu  prą ż ków  n a  poszczególnych  zdję ciach. N adm ień m y, że tego  rodzaju  badan ia stref  przejś ciowych  zyskują   n a znaczeniu przy  poszu- kiwaniu  relacji  pomię dzy  tzw.  strefą   wydł uż oną   (bę dą cą  ja k  gdyby  przedł uż eniem pę knię cia Rys.  3.  Wycinek  powierzchni  zmę czeniowego  pę knię cia  w  stali  St2  (a)  z  uskokiem  ujawnionym  przez nachylenie  repliki  o  40°  (b) [333] O  MOŻ LIWOŚ CIACH   ROZSZERZEN IA  BADAŃ   PĘ KN IĘ Ć  335 zmę czeniowego)  i  wielkoś cią   nastę pują cego  po  niej  uskoku  a  odpornoś cią   na  pę kanie  K c i  wielkoś cią   otwarcia  pę kn ię cia. D alsze przykł ady  pochodzą   z  badań  powierzchni  pę knięć zmę czeniowych  w elementach z  przesyconego  i  n aturaln ie  starzon ego  stopu  alum in ium  P A6,  poddawanych  wahadł o- wemu  zgin an iu  przy  a a   — 8  kG / m m 2 .  U legł y  one  zniszczeniu  po  1,02-   J 06  cyklach  ob- cią ż enia.  Obrazy  m ikrofraktograficzn e  tych  pę knięć  (oglą dane  w  mikroskopie  JEM - 6A) przean alizowan o  w  [3]  oraz  w  publikacjach  [4] i  [5]. Kolejno  opisywane  zdję cia  wycinków tej  samej  powierzchn i  pę knię cia  pochodzą   z  obserwacji  w  m ikroskopie  Philips  EM   300 —  podobn ie  ja k  zdję cia  przeł om ów  stali  St2.  P ę knię cia  ł upliwe  wydzieleń  faz  wtórnych oraz  plastyczne  prą ż ki  w  osnowie  widać  n a  rys.  5a.  Wyglą d  powierzchni  pę knię cia  w  wy- dzieleniu  w  ś rodkowej  czę ś ci  zdję cia  sugeruje  prawie  doskonał e pę knię cie  w  pł aszczyź nie ł upliwoś ci.  Jedn ak  nachylenie  repliki  pod  ką tem  - 30°  (ryś.  4b)  i  + 30°  (rys.  4c)  wskazuje n a  liczne,  drobn e  uskoki  rozchodzą ce  się   promieniś cie  z  ogniska  n a  granicy  fazowej  wy- dzielenia  i  osnowy.  P o n ad t o  n a  rys.  5c  uwypuklił   się   wię kszy  uskok  niewidoczny  n a  rys. 5a  i  5b.  P amię tajmy,  że  powstawan ie  wszelkiego  rodzaju  uskoków  na powierzchni  pę knię- cia przyczynia  się   do  h am owan ia jego  rozwoju.  P odobn ie, wię ksze uskoki  zaznaczają   się  na zdję ciach  na  rys.  6.  F aliś cie  biegną cy  uskok  na  rys.  6c  przez  cał ą   szerokość  zdję cia  jest zupeł nie  niewidoczny  n a  rys.  6b,  a  tylko  czę ś ciowo  n a  rys.  6a.  Odzwierciedla  się  pon adto zł oż oność  i przestrzen n ość  m ikrorzeź by  powierzchni  pę knię cia,  wywoł ana  róż nymi mecha- nizm am i  pę kan ia  wydzieleń  i  osnowy  oraz  stref  do  nich  przylą gają cych.  U zyskanie  takich obrazów  uł atwia wyjaś nienie  lokaln ych  zmian kierun ku  pę kania, wskazywanych  przez ukł a- dy  prą ż ków.  N a  podstawie  szczególnych  oznak  n a  zdję ciach  n a  rys.  7a  i  7b  moż na  przy- puszczać, że powierzchnia  pę knię cia  w  wydzieleniu  fazy  wtórnej  nie pokrywa  się   z powierz- chnią   pę knię cia  w  osnowie,  ale  dopiero  oczywistym  dowodem  tego jest  zdję cie  na  rys.  7c, otrzym an e  przez  odpowiedn ie  nachylenie  repliki.  Zniszczone  wydzielenie  wystaje  ponad otaczają cą   go  strefę ,  a  tzw.  ś lady  wgnieceń  (opisane  w  [3]) n a poboczu  wydzieleń  w  strefie granicy  mię dzyfazowej  stan owią   ś wiadectwo  «  wycią gania  »  osnowy  wokół   wydzielenia. Z atem  wystają ca  kolum ien ka  wydzielenia,  ja k  gdyby  ł ą czą ca  obie,  przylą gają ce  do  siebie powierzchnie  pę knię cia,  sprzyja  ham owan iu  pę kan ia. Z aznaczmy jedn ak  wyraź nie,  że  przy innym  usytuowaniu  powierzchn i  pę knię cia  w  wydzieleniu,  pokrywają cej  się   n a  ogół  z po- wierzchnią   pę knię cia  gł ównego, t o  ostatn ie jest zwykle przyspieszane  przez pę kanie  wydzie- leń  faz  wtórn ych . Kierun ki  dalszych  badań  powierzchni  pę knięć  wytyczają   dotychczasowe  niepeł ne  wia- domoś ci  o  relacji:  prą ż ki  a  prę dkość  pę kan ia  w  warun kach  obcią ż eń  eksploatacyjnych, a  wię c —  obcią ż eń  o  widm ach  zł oż onych, przypadkowych,  z  róż nego  rodzaju  przecią ż e- niam i  i  róż ną   kolejnoś cią   ich  wystę powan ia;  nie  znam y  również  dokł adniej  tej  relacji w  strefach  inicjacji  pę kn ięć czy  w  elementach z n aprę ż en iami wł asnymi. Interesują ce  był oby też uchwycenie  wpł ywu  n aprę ż en ia  ś redniego  n a  ukł ad  prą ż ków.  N ie dysponujemy  wystar- czają cymi  wiadom oś ciami  o  rozwoju  pę knię cia  w  próż n i,  które  pozwolił oby  wyjaś nić sugestie  prawdopodobn ej,  jak  gdyby  «wtórnej  kohezji»  ś cianek  pę knię ć,  w  róż nych oś rodkach  i  przy  wysokich  ciś nieniach.  Kon tyn uacja  badań  zjawisk  zachodzą cych  w  war- stwie wierzchniej  pę kn ięć uł atwi ich sprzę ż enie z budową   prą ż ków.  Istnieje  pytanie, czy  tzw. zaciskanie  się   pę knię cia  zazn acza  się   wyraź nie  w  m ikrobudowie  zł omu.  Badan ia  powinny zdą ż ać  w  kierun ku  odtwarzan ia  budowy  prą ż ków  uszkodzonych  w  warunkach  atmosfe- Rys.  5.  Wycinek  powierzchni zł omu  zmę czeniowego  stopu PA6  z  pę knię ciami lupliwymi  w  wydzieleniach faz  wtórnych, oglą dany przy  nachyleniu repliki  0°  (a), - 30°  (b)  i  + 30°  (c). Strzał ki na rys.  5c  wskazują na  wię kszy  uskok [336] HE?m • M a n Rys.  6. Wycinek  powierzchni zł omu  zmę czeniowego  stopu P A6  z róż nie usytuowanymi  ukł adami  prą ż ków przy  nachyleniu repliki  0°  (a),  + 30°  (b) i  - 30°  (c). Strzał ki wskazują   na falisty,  wię kszy  uskok, widoczny najlepiej  na rys.  6c 3  Mechanika  Teoretyczna [337] [338] O  MOŻ LIWOŚ CIACH   ROZSZERZEN IA  BADAŃ   PĘ KN IĘ Ć  3 3 9 ryczń ych  (czy  w  in n ych  oś rodkach );  w  kierun ku  polepszenia  obrazu  skutków  zmę czenio- wego  dział ania w  zah artowan ych  elem entach  stalowych.  W  tych  wł aś nie  problem owo  na- kreś lonych  badan iach , stosowan ie  uzupeł niają cych  m etod  badawczych,  jak  przedstawione nachylanie  replik  w  T E M , przyczyni  się   do  bardzo  istotnego  wzbogacenia  tak  bardzo  po- szukiwanych  informacji  dla  rekon struowan ia  historii  obcią ż enia  —  na  podstawie  mikro- budowy  powierzchni  pę kn ięć  zmę czeniowych. Literatura  cytowana  w  tekś cie 1.  D .  BROEK,  Some  contributions of  electron fractography to  the theory of  fracture, N ational  Aerospace Laboratory  N LR  the N etherlands.  N LR  T R 72029, 1973. 2.  A.  KoCAŃ DA,  S.  KOCAŃ D A,  J.  KOZU BOWSKI,  Mikrofraktografia  strefy przejś ciowej pę knię cia w stali wę glowej wywoł anego  zmiennym i udarowym  zginaniem,  Biuletyn  WAT, 9  (1972) 33  -   39. 3.  S.  KOCAŃ D A,  Zmę czeniowe  niszczenie metali,  WN T,  Warszawa  1972.  * 4.  S.  KOCAŃ D A,  J.  KOZ U BOWSKI,  Ermiidungsrissverlauf wid Fraktographie  yon  Ermiidungsbruchen  in  Alu- minium—  mul  Kupferlegienmgen, 3  International  Congress  on  F racture,  Miinich  1973, T. IV, Ref. III- 225. 5.  S.  KOCAŃ D A,  J.  KOZ U BOWSKI,  Ermiidungsbriiche  von Ausscheidungen  in  Aluminiumlegierungen,  Zeit- schrift  f.  M etallkunde,  6  (1974)  453  -   456. WOJSKOWA  AKAD EM IA  T E C H N I C Z N A,  WARSZAWA P O LI T E C H N I K A  WAR SZ AWSKA Praca został a  zł oż ona  w  Redakcji  dnia 27 listopada  1974  r.