Атлас производственных разрушений различных конструкций

УДК 624.01:620.184.6(084.4) 

Атлас производственных разрушений различных конструкций / А. Ф. Ильющенко [и др.]. – Минск: Беларуская навука, 2017. – 313 с. – ISBN 978­985­08­2142­3.

В монографии, которая представляет собой собрание наиболее типичных видов разрушений и является руководством по проведению анализа разрушений машин и конструкций различного назначения, приведены данные об истории развития фрактографии. Представлены 
приемы проведения фрактографического анализа и правила подготовки изломов к исследованиям. Описаны многочисленные примеры разрушений техники и различных конструкций  
в процессе эксплуатации с подробным рассмотрением причин, вызвавших данные разрушения. При исследовании изломов применены такие современные методы, как сканирующая  
и электронная микроскопия и микрорентгеноспектральный анализатор.

Монография предназначена для научных и инженерно­технических работников в области 

исследований причин разрушений техники и различных конструкций в процессе эксплуатации, аспирантов, студентов.
Ил. 257. Библиогр.: 64 назв.

А в т о р ы :

А. Ф. Ильющенко, Л. В. Маркова, В. А. Чекан, И. В. Фомихина, В. В. Коледа

Р е ц е н з е н т ы:

член­корреспондент НАН Беларуси Ф. И, Пантелеенко, 

доктор технических наук В. И Жорник

ISBN 978-985-08-2142-3
© Оформление. РУП «Издательский дом  
    «Беларуская навука»

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на успехи в развитии различных технологий, отказы техники, 
часто сопровождаемые значительными материальными потерями и даже человеческими жизнями, все еще происходят. Эта книга по ее замыслу является 
сборником наиболее часто встречающихся отказов в работе различных конструкций и деталей машин, приводящих к аварийным разрушениям. В ней не 
рассматриваются все возможные случаи разрушений конструкций, поскольку 
в процессе их эксплуатации постоянно возникают новые ситуации, однако 
дана общая методология анализа этих разрушений, проиллюстрированная 
многими конкретными примерами. Анализ отказов техники может быть полезен для специалистов, занимающихся определением причин аварий, но для 
того, чтобы в результате такого расследования придти к правильному выводу, 
квалифицированный специалист должен иметь ясное представление о том, 
как работают элементы исследуемой системы и каковы возможные отказы.  
В результате хорошо проведенного исследования должна быть составлена последовательность событий, приведших к разрушению, а также определена ответственность производителя или организаций, осуществляющих техническое обслуживание конструкции в процессе ее работы. Кроме того, успешное 
расследование может привести к усовершенствованию проекта, процесса производства или методик контроля, т. е. к улучшениям, которые позволят предотвратить последующие разрушения такого типа.
Разрушение различных конструкций вынуждало архитекторов и строителей создавать новые или усовершенствовать старые проекты, использовать  
современные материалы и более безопасные строительные технологии. Такие 
механические устройства, как колеса и оси, были усовершенствованы благодаря интуиции, основанной на практическом опыте, причем подобные усовершенствования часто приводили к достаточно хорошим результатам.
Конструкции изделий массового потребления часто разрабатываются  
в слишком короткие сроки, не позволяющие обеспечить их безопасность. При 
конструировании, как и при расследовании аварийных разрушений, важную 
роль играет анализ возникающих напряжений. С наступлением технической 
революции стремление к безопасности конструкций привело к значительному 
прогрессу в области анализа напряжений. Понятия о напряжении и деформации впервые были рассмотрены в работе Р. Гука еще в 1678 г., а окончательную формулировку получили в начале XIX в. в работах В. Коши и Д. СенВенана. Появление быстродействующих компьютеров вызвало дальнейший 
прогресс в использовании численных методов анализа напряжений с помощью 

метода конечных элементов, а более полное знание механического поведения 
материалов привело к развитию уравнений состояния, основанных на теории 
дислокаций, теории пластичности и механизмах разрушения. Кроме того, 
были развиты основные принципы проектирования, включающие в себя понятие безопасного ресурса и живучести. 
Появились новые области исследований, такие как механика разрушений, 
усталость, наука о коррозии и неразрушающие испытания. Большие успехи 
были достигнуты в повышении сопротивления материалов разрушению. Развитие исследований в области металлургии привело к разработке новых сплавов, улучшению контроля их химического состава, а также совершенствованию 
метало- и термообработки. Специалисту по разрушениям часто приходится 
определять их природу, например, устанавливать, является ли разрушение 
следствием усталости или перегрузки. В одних случаях для получения ответа 
на этот вопрос может оказаться достаточным визуальное обследование конструкционного элемента. Однако в других случаях может потребоваться анализ поверхности разрушения (фрактографические исследования) с использованием лабораторных приборов, таких как оптический, просвечивающий или 
растровый электронные микроскопы.
Фрактография в настоящее время широко применяется в фундаментальных исследованиях разрушения как инструмент для прогнозирования поведения материалов при эксплуатации и как средство при анализе эксплуатационных разрушений. 
Большинство современных исследований являются достаточно дорогими 
и сложными, требующими участия высококвалифицированных специалистов 
и использования сложного оборудования.

Важным результатом анализа разрушений стала разработка соответствую
щими ведомствами ряда нормативных документов, включающих строительные нормы, правила и технические условия на основные материалы; технологические процессы; проектирование; строительство (государственные и областные нормы); эксплуатацию.
Такие нормы и стандарты разрабатывают для того, чтобы предотвратить 
повторение произошедших разрушений и не допустить потенциально возможных новых отказов.
Предлагаемая книга рассчитана на то, чтобы предоставить читателям примеры фрактограмм, полезных при попытке понять причины, особенности 
строения поверхности и механизмы разрушения различных конструкций.
Данная книга является первой частью, в которой описаны примеры разрушений только стальных конструкций. В дальнейшем предполагается составить аналогичный атлас по причинам разрушения конструкций, изготовленных из цветных металлов и сплавов.
Авторы выражают благодарность всем сотрудникам Испытательного центра Государственного научного учреждения «Институт порошковой металлургии» НАН Беларуси, принимавшим участие в проведении исследований  
и испытаний материалов.

1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФРАКТОГРАФИИ 

1.1. Развитие фрактографии

Термин «фрактография» возник в начале сороковых годов прошлого столетия для определения раздела науки, изучающей поверхности разрушения, 
хотя многие ученые занимаются изучением изломов довольно давно. Значение 
этого направления в науке для материаловедения трудно переоценить. Фрактография является эффективным средством определения причин эксплуатационных повреждений и внутренних особенностей строения металлических 
слитков. 
Морфология поверхностей разрушения с помощью внешнего осмотра  
и стереомикроскопа используется в тех случаях, когда можно рассматривать 
изломы при небольшом увеличении. Область малых увеличений, или макрофрактография, предполагает работу при увеличениях не более 50 крат. При исследованиях микроструктуры, или микрофрактографии, используют увеличения от 50 до 100000 крат при условии обеспечения хорошего разрешения.

Использование характера разрушения для оценки качества металла 
в средние века считалось тщательно охраняемым секретом. Одно из наиболее 
ранних упоминаний об исследовании изломов появилось в Xв. В этих рабоXв. В этих рабо в. В этих работах отмечалось, что оценку по виду излома можно использовать как средство 
определения качества черных и цветных металлов. В работах Xв. появиXв. появи в. появились данные о применении для оценки качества металлов испытаний на разрушение. Например, качество меди определяли путем изучения поверхности 
разрушения слитка, который надрезали и разрушали при помощи удара 
в поперечном направлении. Аналогично испытывали латунь. Тогда же было 
обнаружено, что если поверхность разрушения слитка была серого цвета, то  
в дальнейшем имело место растрескивание металла при последующей обработке (например, ковке или прокатке). Серая поверхность излома возникала 
вследствие загрязнения слитка свинцом. Тогда же было установлено, что 
хрупкое разрушение серебра объясняется загрязнением свинцом и оловом. 
Примерно в то же время появились данные по контролю состава сплавов для 
крупных колоколов, по размеру зерна в изломах контрольных образцов для 
обеспечения необходимого сопротивления ударному нагружению. Метод выбора высококачественных чугуна и стали также основан на виде излома этих 
материалов.

После изобретения в начале XII в. оптического микроскопа он достаточXII в. оптического микроскопа он достаточ в. оптического микроскопа он достаточно быстро был использован для исследований разрушения металлов, тогда же 
появились и первые рисунки, показывающие как макро-, так и микроособенности поверхностей разрушения чугуна и стали. В те годы исследователи 
зарисовывали то, что наблюдали под микроскопом, а затем переводили эти 
рисунки методом гравирования на металл, дерево или камень. Хотя первые рисунки с изображением поверхности разрушения отличались от современных, но исследования изломов в то время проводились практически 
так же, как и в наши дни. Одним из результатов тех работ было создание 
классификации в виде семи групп, на которые подразделялись изломы чугуна и стали: 
1-я группа – крупные, хаотически расположенные фасетки с зеркальным 
блеском, характеризующие металл низкого качества;
2-я группа – более регулярно расположенные фасетки несколько меньшего 
размера, свидетельствующие о более высоком качестве металла;
3-я группа – чередующиеся участки волокнистого излома и фасеток;
4-я группа – волокнистый вид поверхности металла с небольшим количеством блестящих фасеток;
5-я группа – излом, в котором по периферии видна рамка, окружающая 
центральную, в основном волокнистую часть;
6-я группа – излом волокнистого типа, на фоне которого наблюдается небольшое число мелких фасеток;
7-я группа – древовидный излом.
Уже в то время изучались изломы при больших увеличениях и выявленные «мелкие пластинки» могли быть перлитом или некоторой формой цементита. Описаны они были за полтора века до возникновения металлографии. 
Несколько позже в Германии были описаны характерные виды изломов металлов и испытаний на разрушение для определения стали, кованого железа  
и чугуна, а также ученые выясняли причины охрупчивания металлов.
С развитием металлографии внимание к дальнейшему совершенствованию 
фрактографии стало ослабевать, но по-прежнему оставался интерес к созданию классификации изломов. В XIX в. опубликован каталог, где были рассмоXIX в. опубликован каталог, где были рассмо в. опубликован каталог, где были рассмотрены такие явления, как красноломкость, хладноломкость, перегрев и различные типы трещин. Описаны шесть основных типов строения излома: 
1. Кристаллический с характерными фасетками, присущий цинку, сурьме, 
висмуту и белому чугуну.
2. Зернистый с фасетками меньшего размера, наблюдаемый в сером чугуне.
3. Волокнистый, который служит общим критерием хорошего качества 
металла.
4. Шелковистый (более дисперсная разновидность волокнистого), присущий, например, меди.
5. Столбчатый, типичный для высокотемпературного разрушения.
6. Стекловидный.

А. Мартенс (по имени которого получил название мартенсит) описал поверхности разрушения, образуемые при растяжении, кручении, изгибе и усталости. Он отделил грубые элементы радиального среза от мелких радиальных 
рубцов и обнаружил, что в мелкозернистом материале образуются более 
острые радиальные рубцы и что все они расходятся от одного очага разрушения (указывая тем самым на местоположение очага). Влияние термической 
обработки на вид излома стали впервые исследовано Д. К. Черновым [1].  
В. Кирш описал классический вид излома при растяжении типа «чашка-конус» и сформулировал представления о распространении трещин в образцах, 
испытываемых на растяжение. Эти представления остаются справедливыми 
до настоящего времени. Согласно В. Киршу, трещина зарождается по оси растяжения в области шейки; этот зародыш растет концентрически в поперечном 
направлении, образуя «дно чашки», причем стороны конуса формируются под 
действием максимальных касательных напряжений. 
Что касается микрофрактографии, то вследствие всеобщего увлечения металлографией многие известные металлурги характеризовали ее как средство, 
которое не может дать «ничего полезного». В результате такого отношения 
микрофрактография была забыта почти до середины XX в., причем в высших 
учебных заведениях не упоминали и не включали в программу обучения старые методики и полученные результаты.
Однако производители стали продолжали применять макрофрактографию 
при изучении разрушения надрезанных образцов, если не как основное средство 
контроля качества металла, то, по крайней мере, как надежный метод в общем 
ряду испытаний. Классификация макроскопических особенностей изломов, 
приведенная ниже, оставалась, по существу, неизменной долгие годы [2].
1. Зернистый, или межзеренный, излом. Его также называют крупнозернистым, шероховатым, блестящим кристаллическим, зернистым, кристаллическим изломом. Он характеризует перегрев для ковшовой стали, которую долго выдерживали в ковше. 
2. Кристаллический, транскристаллический, или внутризеренный, излом. 
Иногда такой излом называют мелкозернистым, гладким, ровным, матовым, 
зернисто-серым (фарфоровидным).
3. Шелковистый излом. Нитевидный рисунок на поверхности разрушенных частей кристалла.
4. Излом неправильной формы с острыми зазубринами. В отдельных случаях такой излом называют игольчатым.
5. Волокнистый излом (другие варианты названий - древовидный, или 
слоистый, излом).
6. Столбчатый излом. Особо грубый тип излома, который иногда наблюдается на периферийных участках отливок.
Четко выраженная связь особенностей излома со структурой стали привела к созданию в начале 30-х годов ХХ в. в Швеции специальных испытаний  
с целью оценки излома [3-5]. 

Новое открытие в микрофрактографии произошло в 1939 г. в результате 
исследований С. А. Цапфе, целью которых было изучение роли растворенного 
водорода и возникновение флокенов в закаленной стали. Это исследование 
вызвано тем, что на обычно матовых, серых изломах стали под влиянием водорода появляются блестящие, отражающие свет участки. 
Однако предположение, что яркие отражения от флокенов в охрупченной 
водородом стали объясняются наличием плоских зеркальных фасеток, заставило исследователей попытаться их изучить при больших увеличениях. После нескольких попыток им это удалось. С этого момента начался новый подход к микрофрактографии [6].
Методики, используемые в прошлом по световой фрактографии, во многих отношениях аналогичны методикам, применяемым в настоящее время [7].
Первым условием для лабораторных испытаний является получение поверхности с относительно плоскими фасетками. Этого достаточно просто достигнуть, если образец разрушается хрупко, что вызывает скол вдоль определенных кристаллографических направлений. В случае образцов с объемно 
центрированной кубической или плотноупакованной гексагональной решетками, если это не противоречит поставленным задачам, для этой цели используют один или несколько из четырех охрупчивающих факторов: ударное нагружение при низкой температуре; ударное нагружение с высокой скоростью; 
разрушение в условиях многоосного напряженного состояния; водородное 
охрупчивание [8].
Исследование образца под микроскопам проводят по одной из двух методик: а) помещают образец на металлографический столик, который позволяет 
осуществлять его горизонтальное перемещение, чтобы получить «отблеск» от 
благоприятно ориентированной фасетки, случайно попавшей в поле зрения 
(что часто является единственным средством при изучении крупных образцов), б) регулируют наклон образца, чтобы получить необходимое отражение 
от выбранной фасетки с благоприятными характеристиками ориентации. 
Столик, использованный в этом случае, представляет собой конструкцию  
в виде двойного кольца, снабженную тремя винтами, которые позволяют в небольших пределах регулировать положение образца.
Если некоторые участки или выступы излома препятствуют приближению линзы к определенной точке поверхности разрушения, которая представляет интерес для исследования, то в этом случае используют небольшой электрический ручной шлифовальный станок, снабженный шлифовальными кругами и полировочными фетрами, который позволяет срезать нежелательные 
выступы.
Важная область применения фрактографии - анализ эксплуатационных 
повреждений. Микрофрактография может быть также полезным источником 
информации о внутреннем строении металла. Например, с помощью микрофрактографии можно определить температуру перехода от вязкого разрушения 
к хрупкому, а также выявить хрупкость, возникшую в результате увеличения 

скорости приложения нагрузки [9–12]. Влияние структуры на вязкость стали 
выявляется при анализе различных фрактографических деталей [13]. Микрофрактография позволяет обнаружить изменения в составе бинарных сплавов, 
сегрегации в молибдене и вольфраме, а также особое состояние ферритных 
нержавеющих сталей, известное как хрупкость при 475 °С. К возможностям 
микрофрактографии следует также отнести выявление линий усталости, наблюдение водородного охрупчивания, изучение дефектов роста кристаллов  
и др. [14–21].

1.2. Подготовка и хранение изломов

Правильное описание изломов зависит от того, насколько качественно 
удалены факторы, искажающие характеристики поверхностей разрушения. 
Обычно изломы исследуются с использованием различных подходов и методик. Для правильного описания изломов необходимо сохранить подробные 
записи и фотографии всех операций, изменяющих их внешний вид до начала 
исследований и в их процессе.
При разрушении конструкций или деталей машин излом, как правило, 
подвергается подробному лабораторному анализу. Все исследования изломов 
должны исходить из того факта, что их поверхность содержит много ценной 
информации и что любое повреждение может ее уничтожить и затруднить 
описание излома [22].
Достаточно часто встречаются два вида повреждений поверхности излома: механические и химические. Механические повреждения могут происходить по разным причинам, включая соударение с другими деталями. Это возможно во время разрушения, при извлечении сломанных частей детали или 
при перевозке их с одного места на другое. При перевозке излом можно защитить тканью или ватой, однако при этом необходимо следить, чтобы с его поверхности не были удалены неплотно держащиеся фрагменты. В них может 
присутствовать информация, позволяющая установить причины разрушения. 
Не рекомендуется касаться излома пальцами или протирать его. Нежелательно соединять части разрушенной детали, так как это всегда вызывает повреждение поверхности излома.
Химическое (коррозионное) повреждение поверхности излома может значительно исказить ее характер. Во избежание этого рекомендуется высушить 
излом, используя струю сухого сжатого воздуха, и затем поместить его в эксикатор или упаковать с осушителем. Хорошим способом для сохранения излома и предотвращения коррозии его поверхности является применение защитного покрытия. Для этих целей широко используют чисто пластиковые покрытия, сквозь которые хорошо виден излом. Их можно затем удалить 
трихлорэтиленом или другим растворителем. В качестве покрытий часто применяют акриловые лаки, полностью удаляемые с поверхности изломов с помощью кетонов.

К покрытиям, наносимым на поверхность изломов, предъявляют следующие требования: отсутствие химического взаимодействия с металлом, а также легкое и полное их удаление. Кроме того, можно защитать изломы нанесением на их поверхность пластиковых реплик. Наиболее часто используют 
ацетатцеллюлозу. Она может быть размягчена и удалена с помощью метил- 
ацетата, ацетона или толуола. Ограничением для применения пластиковых 
реплик является то, что они редко могут быть полностью удалены. Это хорошо 
видно, когда изломы исследуют с помощью растрового электронного микроскопа. Не следует применять для защиты поверхности изломов липкую ленту, 
поскольку она плохо удаляется и, вероятно, вследствие адсорбции воды вызывает коррозию поверхности.
Обычно, когда проводятся электронно-микроскопические исследования, 
излом требует дополнительной очистки. Ее проводят для удаления защитных 
покрытий, продуктов коррозии и посторонних осадков (например, пыли), которые могут закрывать часть излома или затруднять его интерпретацию (описание). 
Используют следующие методы очистки изломов:
1. Обдувка сухим воздухом, при которой удаляются все посторонние, неплотно прилегающие к излому материалы. Очистка мягкой кистью способствует их удалению, но при этом следует проявлять особую осторожность, 
чтобы не повредить поверхности излома.
2. Обработка неорганическими растворителями может сопровождаться 
использованием ультразвука, нагревом растворителя или вакуумной очисткой. Как правило, очищать излом щеткой не следует. 
3. Обработка слабыми кислотными или щелочными растворами (в зависимости от металла), которые воздействуют на осадки и практически не действуют на основной металл. Такую обработку используют только в редких 
случаях, так как она может уничтожить тонкие детали на изломе, делая бесполезным последующее электронно-микроскопическое исследование. Для 
сплавов на основе железа используют уксусную и фосфорную кислоты, а также гидроокись натрия. Применение ультразвука при очистке очень полезно. 
Весьма толстые слои ржавчины и окалины часто можно удалить растворами 
аммониевых солей, лимонной и щавелевой кислотами. Иногда рекомендуется 
для сплавов на основе железа погружение на 1–10 мин в 6 %-ный раствор соляной кислоты, содержащей 2 г/л гексаметилентетрамина. Используют также 
сульфаминовую кислоту. Для очистки изломов титановых сплавов лучше 
применять азотную кислоту. Поверхности изломов алюминиевых сплавов 
следует очищать органическими растворителями.
4. Ультразвуковая очистка с использованием водных моющих средств не 
приводит к повреждению излома. Ультразвук в сочетании с органическими 
растворителями, слабыми кислотными или щелочными растворами можно 
применять для удаления грязи или осадков, когда они не удаляются обычным 
методом.