Механика разрушения тел 1

[nikitayev]

После небольшого перерыва снова возвращаемся к нашим трещинам. В данном разделе мы посмотрим на процесс разрушения изнутри, и выясним, почему мы видим именно такую картину излома, а не другую. Мы уже немного затрагивали основные механизмы пластической деформации, говорили о дислокациях, какие они бывают, но все это лишь термины и не более. Скоро мы узнаем как они рождаются, передвигаются, живут вообщем, приносят пользу, али вред.

[nikitayev]

ЭЛЕКТРОННАЯ ФРАКТОГРАФИЯ

 

 

Сегодня мы с вами познакомимся с фрактографией, и частным ее видом электронной фрактографией, узнаем как она делается, в чем ее преимущества и недостатки.Вообще, изучив фрактографию как науку, мы получаем универсальный ключ к механике разрушения. Судебно-медицинских изданий, в которых бы в достаточной мере освещались бы основы фрактографии, кроме работ Крюкова В.Н., я не нашел. В своей работе я не сталкиваюсь с фрактографией, потому что с ней у нас из криминалистов толком никто и незнаком. Есть одна очень классная книга, которой я с Вами хотел бы поделиться, "Фрактография и атлас фрактограмм" под ред. Дж. Феллоуза, 1982 г. В ней вы найдете все необходимое по данной тематике. У нас нет возможности детально описывать все виды изломов, механизмы лежащие в их основе, мы и так замахнулись на колоссальный массив информации и когда мы его осилим я пока не берусь сказать. Поэтому отсылаю всех к данной книге.

 

Итак, что же такое фрактография?

 

Фрактография (fractography; лат. fractis — излом) — метод исследования изломов материалов, наука о строении поверхностей разрушения. Фрактография широко используется для определения причин разрушения материалов и конструкций.

 

Краткая историческая справка

 

Термин фрактография возник в 1944 г, для обозначения науки занимающейся изучением поверхности изломов, в то время как изучением их металлурги занимались много веков до этого. В 16-18 вв. изучение изломов для определения качества металлов считалось большим секретом. Одно из первых упоминаний об этих методах имеется в работе Ванночио Бирунгуччио "De La Pirotechnio", где он пишет о возможности определения качества черных и цветных металлов по характеру изломов. 1524 г. работа Лазаруса Эркера из Праги, где описываются методы испытаний на разрушение. 1627 г. Луи Савво обубликовал работу, в которой описал применение методик, предлогаемых Бирунгучио для определения качества колоколов. В 1722 г. Реомюр выпускает сборник гравюр, на которых изображены разнообразные поверхности изломов чугуна и стали. Вот одна из них

 

 

 

[nikitayev]

продолжение

В 19 в. с появлением металлографии интерес к фрактографии ослабевает, тем не менее можно указать ряд работ. Это работа Малле в 1856 г. по разрушению орудийных стволов, Таннер (1858 г), Перси, описавший основные виды изломов: 1) кристаллический, 2) зернистый, 3) волокнистый, 4) шелковистый, 5) столбчатый, 6) стекловидный; работа Мартенса (1878 г.), изучавшего поврехности изломов и полированных шлифов , в своей работе Мартенс описывает линии разрушения, которые мы сегодня называем рубцами, также он описал изломы при кручении, изгибе, растяжении, усталости. В работах Чернова изложено влияние температуры на характер излома. Позже Бриннель обобщил их в своей работе в 1885 г. Однако микрофрактография была практически забыта до середины 20 века.

[nikitayev]

продолжение

 

К микрофотографии вернулись лишь в 1939 г. после исследований Цапфе, который пытался выяснить роль водорода в образовании флакенов в металлах, после воздействия водорода. Цапфе пытался рассмотреть наличие зеркальных площадок на изломе в микроскоп, при этом сложность заключалась в возможности повреждения оптической системы линзы острыми краями. Цапфе попытался расположить излом на не котором расстоянии получил положительный результат - появление вспышки (отраженный от зеркальной фасетки свет), что позволило рассматривать и фотографировать поверхность излома. Способы оптической фрактографии использованные Цапфе актуальны и сегодня. Методики и световой фрактографии и основы интерпретации фрактограмм мы пока опустим и поговорим о появлении растрового электронного микроскопа, который вывел фрактографию на совершенно новый уровень.

[nikitayev]

Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — прибор предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением, а также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка с исследуемым объектом.

 

Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 10 крат до 1 000 000 крат, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов. А вот и сам микроскоп:

 

 

 

 

 

Немного истории:

 

 

 

История электронной микроскопии началась с работ немецкого физика Ганса Буша о влиянии электромагнитного поля на траекторию заряженных частиц. В 1926 году он доказал, что такие поля могут быть использованы в качестве линз и установил основополагающие принципы геометрической электронной оптики. В ответ возникла идея электронного микроскопа и две команды - Макс Кнолл и Эрнст Руска из Берлинского технического университета, Эрнст Бруш из лаборатории EAG реализовали эту идею на практике. И в 1931 году Кнолл и Руска создали первый просвечивающий электронный микроскоп.

 

 

 

 

 

Далее Макс Кнолл разработал анализатор электронной трубки, который моделировал все необходимые характеристики сканирующего электронного микроскопа: образец располагался с одной стороны отпаянной стеклянной трубки, а электронная пушка с другой. Электроны, ускоренные напряжением от 500 до 4000 вольт, фокусировались на поверхности образца, а система катушек обеспечивала их отклонение. Пучок сканировал поверхность образца со скоростью 50 изображений в секунду, а измерение тока, прошедшего через образец, позволяло восстановить изображение его поверхности. Первый прибор, использующий этот принцип, был создан в 1935 году.

 

В 1938 году немецкий специалист Манфред фон Арденне построил первый сканирующий электронный микроскоп. Но этот аппарат ещё не был похож на современный РЭМ, так как на нём можно было смотреть только очень тонкие образцы на просвет.

 

В 1942 году русский эмигрант, физик Владимир Зворыкин, работавший в лаборатории Radio Corporation of America в Принстоне, опубликовал детали первого сканирующего электронного микроскопа, позволяющего проанализировать не только тонкий образец на просвет, но и поверхность массивного образца. Электронная пушка с вольфрамовым катодом эмиттировала электроны, которые затем ускорялись напряжением 10 киловольт. Электронная оптика аппарата была составлена из трех электростатических катушек, а отклоняющие катушки размещались между первой и второй линзой. Чтобы обеспечить удобство размещения образца и манипулирования им в конструкции РЭМ, электронная пушка располагалась внизу микроскопа. Этот первый РЭМ достигал разрешения порядка 50 нанометров.

 

В конце 1940 годов Чарльз Отли, председатель конференции отдела проектирования Кэмбриджского университета, заинтересовался электронной оптикой и решил объявить программу разработки сканирующего электронного микроскопа в дополнение к ведущимся в отделе физики работам над просвечивающим электронным микроскопом под руководством Элис Косслетт. Дэннис Мак Миллан с Чарльзом Отли построили их первый РЭМ (SEM1 или Scanning Electron Microscope 1) и в 1952 году этот инструмент достиг разрешения 50 нанометров и обеспечил трехмерный эффект воспроизведения рельефа образца — характерную особенность всех современных РЭМ.

 

Работы,которые велись в Кембриджском университете группой Чарльза Отли в 60-е годы, весьма способствовали развитию РЭМ, и в 1965 году фирмой «Cambridge Instrument Co.» был выпущен первый коммерческий сканирующий электронный микроскоп — Stereoscan.

Использование растрового электронного микроскопа для изучения изломов, дает не только увеличение, но и стеореоскопический эффект, что значительно упрощает интерпретацию фрактограмм.

 

 

 

А вот фото демонстрирующее возможности РЭМ:

[nikitayev]

Прежде чем продолжать разговор о фрактографии, хотелось бы сказать следующее - все исследования в области механики переломов, все открытия, новые термины, понятия, группы признаков - все это лишь повторение уже устоявшихся принципов механики разрушения и фрактографии в частности. Откройте любую книгу по фрактографии и Вы поймете, что не нужно ничего придумывать. Конечно же это не умаляет достоинство этих исследований, их необходимо продолжать, но только в связке с фундаментальными дисциплинами. Тогда найдутся ответы на многие вопросы и все станет на свои места.

[nikitayev]

Прежде чем продолжать детальный разбор скола и вязкого разрушения определимся с основными понятиями и терминами используемыми при описании макро- и микрорельефа изломов. На сегодня ограничимся терминами и основными классификациями, завтра перейдем к микромеханизмам.

 

 

Излом - поверхность раздела, возникающая при разрушении объекта.

 

Макростроение (макрорельеф) излома - набор элементов поверхности разрушения, используемых для идентификации излома и различимых при визуальном рассмотрении или с небольшим увеличением (до 50).

1 - очаг разрушения; 2 - ступеньки и рубцы; 3 - усталостные линии; 4 - зона ускоренного развития трещины; 5 - зона долома

 

Зона излома - участок поверхности разрушения, характеризующийся строением, отличным от строения других частей излома.

 

Очаг разрушения - место зарождения разрушения, оцениваемое на изломе.

 

Рубцы - линии на изломе, представляющие собой следы слияния отдельных, близко расположенных соседних трещин, распространяющихся в одном направлении (как правило, от очага разрушения).

 

. Зона долома - участок излома, соответствующий конечной стадии разрушения

 

Магистральная трещина - трещина приводящая к окончательному разрушению.

 

Ступенька - след слияния двух трещин, распространяющихся в различных направлениях, при образовании магистральной.

 

Расслоение - несплошности, образующиеся вдоль границ структурных элементов, ориентированные по направлению деформации.

 

Усталостные линии - линии на усталостном изломе, близкие по форме к концентрическим, образующиеся в процессе роста усталостной трещины и представляющие собой расходящиеся от очага разрушения отметки фронта трещины на определенной стадии ее развития.

 

Микростроение (микрорельеф) излома - набор элементов поверхности разрушения, используемых для идентификации излома, разрешаемых методами световой, электронной (и др.) микроскопии (при увеличении > 50).

 

Фасетка - элемент поверхности разрушения с четкими границами, лежащий в одной или близких плоскостях.

 

Фасетка скола - фасетка, образующаяся в результате разрушения по определенным кристаллографическим плоскостям (плоскостям скола), в пределах которой разрушение развивается в одном направлении.

 

 

 

К характерным элементам строения относятся ручьистый узор, язычки. Наличие фасеток скола свидетельствует о внутризеренном хрупком разрушении.

 

 

Фасетка квазискола - относительно ровный (плоский) участок разрушения, не всегда связанный ориентационно с плоскостями скола и характеризующийся тем, что наряду с признаками хрупкого разрушения имеет признаки пластической деформации (гребни). Фасетка квазискола имеет менее четкие границы, чем фасетка скола. Разрушение развивается преимущественно от центральной части фасетки к периферии.

 

 

Фасетка межзеренная (межсубзеренная) - фасетка в виде многоугольника, образующаяся при разрушении по одной грани зерна (субзерна).

 

 

Ямки - микроуглубления на поверхности разрушения, представляющие собой вскрытые поверхности микропустот, образующихся в процессе пластического течения

 

Форма (конфигурация) ямок (равноосная, вытянутая, параболическая, цилиндрическая, неправильной формы) определяется напряженным состоянием и формой инициатора образования ямки. Глубина ямок (высота перемычек между ними) есть мера способности материала к пластической деформации.

___________________________________________________________________________________________________________________

Источник: Методические указания "Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов, 1989

[nikitayev]

Гребень - вытянутый участок, возвышающийся над поверхностью разрушения (на обеих половинах излома), образовавшийся в результате пластической деформации и разрушения перемычек между другими элементами излома

 

Ступенька - элемент микрорельефа излома прямолинейной или изогнутой формы, образующийся при соединении двух микроповерхностей разрушения, расположенных на разных уровнях; может возникать также в результате скола вдоль границ двойников

 

Ручьистый узор - элемент строения поверхности фасеток скола, представляющий собой систему сходящихся ступенек, образующуюся в плоскости скола в результате разрушения перемычек между хрупкими микротрещинами, распространяющимися по параллельным, близко расположенным кристаллографическим плоскостям.

Направление слияния ступенек скола в ручьистом узоре соответствует направлению распространения трещины.

Частный случай ручьистого узора - веерообразный узор, который возникает, если ступеньки скола сходятся в одной точке в пределах фасетки.

 

Язычок - элемент строения поверхности фасетки скола и квазискола треугольной или трапецевидной формы, образующийся в результате локального разрушения вдоль поверхности раздела матрица - двойник.

Язычку, находящемуся на одной половине излома, соответствует углубление на ответной половине излома.

___________________________________________________________________________________________________________________

 

источник:

Методические указания "Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов, 1989

[nikitayev]

Механизм разрушения - механизм распространения трещины, оцениваемый на микроуровне.

 

Скол - механизм хрупкого разрушения, характеризующийся распространением трещины, путем разделения (раскалывания) по определенным кристаллографическим плоскостям (внутризеренный скол) или границам зерен (межзеренный скол), а также по границам субструктурных элементов, межфазным границам. При разрушении путем скола образуется микрорельеф, состоящий из фасеток внутризеренного или межзеренного скола с ручьистым узором и язычками (или без них) и ступенек скола.

Квазискол - механизм внутризеренного квазихрупкого разрушения, характеризующийся распространением трещины преимущественно путем разделения по плоскостям, не совпадающим с кристаллографическими плоскостями зерен.

К особенностям рельефа при разрушении путем квазискола относятся фасетки квазискола гребни, ступеньки, язычки.

 

Слияние микропустот - механизм внутризеренного или межзеренного вязкого разрушения путем разделения металла вследствие слияния микропустот, зарождение и рост которых происходит в процессе пластического течения металла.

Поверхность разрушения имеет ямочный микрорельеф с разной степенью развития ямок.

 

. Расслоение - механизм разрушения (разделения) материала вследствие образования несплошностей вдоль границ структурных элементов

 

Завтра продолжим с классификации изломов

[Hohol]

много информации и определений, но без этого никуда и мы прорвемся! :shoot:/> :?/>

однако, без словарного запаса никуда, далеко не уедешь, это азы!

[SLeonov]

Хочу добавить.

Электронограммы изломов приводятся в работах В.Клевно и М.Кислова.

Соответственно: плоские кости (ребра) и длинные трубчатые.

[nikitayev]

Хочу добавить.

Электронограммы изломов приводятся в работах В.Клевно и М.Кислова.

Соответственно: плоские кости (ребра) и длинные трубчатые.

А монография Клевно по ребрам и Кислова по диафизам в полном виде есть? Очень необходима для наглядных иллюстраций!

[nikitayev]

Итак мы снова возвращаемся к обсуждения основ фрактографии. Мы остановились на классификации изломов.

Классификация по макрогеометрии излома

Однородный излом - излом, характеризующийся морфологически единой поверхностью разрушения (без различимых геометрических зон).

Например: кристаллический и волокнистый изломы.

 

Неоднородный излом - излом, характеризующийся наличием зон, отличающихся по макрорельефу.

Различные зоны соответствуют различным стадиям разрушения. Граница между зонами на макроуровне может быть выделена по изменению цвета и шероховатости излома.

 

Излом звездочкой поверхность разрушения с наклонными площадками в виде радиальных лучей (образуется, в ряде случаев, при разрушении материалов с пониженными пластическими свойствами в поперечном направлении).

 

 

Чашечный излом - поверхность разрушения, характеризуется наличием центрального участка с шероховатой матовой поверхностью, перпендикулярного направлению растяжения, и наклонных под углом 30° - 60° скосов со сглаженной и блестящей поверхностью.

Формирование такого макрорельефа обусловлено постепенным изменением вида напряженного состояния при продвижении от центра образца к его периферии (переходом от плоской деформации в центре образца к плоскому напряженному состоянию вблизи образующей цилиндра).

 

Шевронный излом - поверхность разрушения, характеризующаяся наличием системы ступенек, имеющих гиперболическую конфигурацию и в совокупности образующих рисунок «елочки» или шеврона.

Является признаком малой пластической деформации при разрушении. Образуется при растяжении с изгибом образцов прямоугольного сечения,а также в зоне нестабильного роста усталостной трещины.

 

 

[nikitayev]

Классификация по морфологии поверхности разрушения

 

Кристаллический излом - поверхность разрушения, состоящая из блестящих плоских участков (граней).

Кристаллический излом является признаком хрупкого разрушения; при рассмотрении на микроуровне выявляются фасетки скола и межзеренные фасетки.

 

 

Мелкокристаллический излом - по сути кристаллический излом с мелкрокристаллическим строением. Бывает бархатистый и фарфоровый.

 

 

Волокнистый излом - матовая шероховатая поверхность разрушения, как правило, с признаками пластической деформации (утяжка, расходящиеся рубцы).

Волокнистый излом является признаком вязкого разрушения. При рассмотрении на микроуровне на изломе выявляются ямки, фасетки квазискола. Волокнистый излом фактически происходит по через тел зерен. Выделяют волокнисто-полосчатый излом, волокнисто-чешуйчатый, сухой волокнистый излом, неоднородный волокнистый излом

 

волокнисто-полосчатый излом

__________________________________________________________________________________________________________________

источник:

 

В.Я.Огневой "Основы фрактографии" учебное пособие, 2004

[nikitayev]

Поговорим тепере немного о ямочном отрыве

ЯМОЧНЫЙ РЕЛЬЕФ

 

 

 

 

 

Вязкие изломы проходят или полностью по поверхности среза или частично по поверхности макросреза, а частично по поверхности макроотрыва. Поверхность макросреза располагается по направлению действия главных касательных напряжений под углом 45 град. При макросрезе возникают косые или конические изломы (последние наблюдаются у очень пластичных материалов)

 

 

 

При рассмотрении в оптический микроскоп поверхности вязкого разрушения видно что она представлена углублениями более или мене округлой формы, отделенных перемычками. Такое строение объясняется зарождением микропустот на границе зерен, границах фаза-матрица, участках скопления дислокаций. По мере увеличения напряжений микропустоты растут, сливаются, что в итоге приводит к полному разрушению в образованием на изломе ямок соединенных перемычками

 

 

 

 

Микромеханизм пластичного внутризеренного разрушения заключается в следующем: гомогенные материалы имеют тенденцию к преимущественному разрушению по механизму расщепления плоскостей скольжения или при серпентином скольжении, вытягивании; в остальных случаях вязкое разрушение осуществляется путем возникновения и слияния микропустот. Иногда этот механизм называется ямочным разрывом (отрывом).

 

 

 

Размер ямок зависит от размера и количества частиц , которые в данном материале инициируют разрушение. При большом количестве очагов рост пор ограничивается за счет их пересечения и протяженность ямок небольшая. На дне и стенках ямок можно обнаружить следы пластической деформации в виде искривлений рельефа различной формы. Наличие этих следов - серпентинного скольжения наряду с глубиной ямок является характеристикой микролокальной пластической деформации

 

Форма ямок определяется напряженным состоянием и направление разрушающих усилий. В условиях объемного растяжения возникают равноосные ямки, от действия касательных напряжений – вытянутые параболические. При кручении на участке с нормальными напряжениями образуются равноосные ямки, в остальных частях излома параболические

 

 

Вот пожалуй на сегодня и все, думаю хватит материала для размышление. Если будет сегодня время, сброшу примеры применительно к костям

____________________________________________________________________________________________

 

источник:

В.Я.Огневой "Основы фрактографии" учебное пособие, 2004

[nikitayev]

Думал сегодня выложу аналогии по костям, не успеваю :)/> . Нужен день или два. Примеров будет много, обещаю.

[Hohol]

ждем, ждем паримеров и аналогий

[nikitayev]

Всем добрый вечер! Приношу извинения за столь длительный перерыв, много работы, вот выкроил наконец таки вечер. Мы разобрали с вами основные термины использующиеся для описания макро и микрокартины изломов. Посмотрим же как выглядят изломы костей, от чего зависит эта картина.

 

За основу взята работа Клевно В.А. "Морфология и механика разрушения ребер", в которой собрано огромное количество высококачественных фрактограмм. Всем рекомендую прочитать!

[Hohol]

ну на конец-то, а то я думал: "Что же случилось?"

[nikitayev]

Мы с Вами уже говорили, что бывает хрупкий, вязкий излом и смешанный излом.

 

Хрупкий преобладает в пожилом и старческом возрасте и формируется чаще всего при динамическом нагружении (ударе) и протекает с минимальной пластической деформацией.

Вязкий излом преобладает в детском и подростковом возрасте и формируется при статическом нагружении (компрессии) с значительной пластической деформацией.

Смешанный же излом преобладает в молодом и зрелом возрасте, несет признаки обоих изломов и бывает при сочетании удара с компрессией.

 

Так же мы уже говорили, что в изломе выделяют три зона: 1) зона первичного разрушения 2) зона распространения разрушения и 3) зона долома. Каждая из этих зон имеет свои макро и микрохарактеристики, которые будут зависеть от типа нагружения.

 

Разрушение носит стадийный характер. Сначала появляются микротрещины, затем они растут до субкритических значений, а потом происходит их лавинообразный рост. Картина этих микротрещин может быть выявлена на шлифах и будет зависеть от типа нагружения кости, что можно видеть на следующих фрактограммах

*

Микрофотография продольного среза наружной кортикальной пластинки ребра с множественными продольными микротрещинами в зоне первичного разрушения

*

Микрофотография продольного среза внутренней кортикальной пластикни ребра в зоне долома с пересекающимися микротрещинами.1 -контуры остеонов, 2 фолькмановские каналы, гаверсов канал, 4- лакуны отсеоцитов

 

 

 

 

Неровность поверхности излома обусловлена как процессом зарождения и слияния микротрещин, так и наличие различных дефектов, которые будут являться концентраторами напряжения, к примеру гаверсовы каналы. Чем больше скорость распространения трещины тем более шероховатой будет поверхность излома, при этом зона начального разрушения в которой скорость трещины небольшая будет более гладкой

**

 

 

 

 

 

 

 

в зоне распространения разрушения шероховатость выше, за счет сдвига появляются ступеньки и рубцы,

**

 

 

 

 

 

 

а в зоне долома появляются участки скола, выкрашивания, смятия. Это обусловлено так же и тем, что в зоне долома еще до того как сюда прийдет магистральная трещина образуются свои микротрещины, которые сливаясь растут ей навстречу

*

микрофотография продольного среза ребра, встречное разрушение в зоне долома

 

 

 

 

 

В зоне долома мы наблюдаем гребни и уступы, длиники которых перпендикулярны фронту магистральной трещины

 

____________________________________________________________________________________________

 

источники:

 

*Клевно В.А. "Морфология и механика разрушения ребер", 1994

 

**Леонова Е.Н. "Морфология разрушения диафизов длинных трубчатых костей под воздействием острого индентора при различных условиях опирания" 2009.

[nikitayev]

Завтра посмотрим как будет выглядеть картина изломов при статическом и динамическом нагружении.

[Hohol]

Завтра посмотрим как будет выглядеть картина изломов при статическом и динамическом нагружении.

 

А потом квинтэссенцию, пожалуйста, можно будет сделать?

[nikitayev]

Все сделаем!

[Hohol]

зер гут :)/>

[nikitayev]

Сегодня мы попытаемся успеть рассмотреть чем отличается излом при ударном и компресионном воздействии и как же разрушается остеон при данных видах нагрузки. Квинтэссенция по разделу будет завтра или послезавтра, после чего мы перейдем к рассмотрению дислокаций и формы зоны пластической деформации. Многие наверное уже забыли а с чего же все начиналось? Где же пули, инденторы, волновые процессы при высокоскоростном взаимодействии? Мне самому не терпится к ним приступить, обещаю, раздел будет очень интересным и насыщенным, но все по порядку. :)/>