Ćwiczenie 9 1. CEL ĆWICZENIA BADANIA POWIERZCHNI PĘKANIA MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH * Celem ćwiczenia jest poznanie strukturalnych oraz eksploatacyjnych przyczyn dekohezji materiałów inżynierskich oraz metodyki badań fraktograficznych przy zastosowaniu skaningowej mikroskopii elektronowej. 2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE 2.1. Wstęp Proces częściowego lub całkowitego rozdzielenia materiału pod wpływem przyłożonego obciążenia określany jest mianem dekohezji (pękania, utraty spójności). Przebieg pękania jest zależny od całokształtu zjawisk strukturalnych zachodzących w trakcie odkształcania materiału. Ponadto na dekohezję elementów konstrukcyjnych w istotny sposób wpływają rodzaj zastosowanego materiału oraz warunki eksploatacyjne. Do jednych z najważniejszych czynników zewnętrznych wpływających na odporność materiałów na pękanie jest sposób ich obciążania oraz temperatura eksploatacji. Z tych powodów ważnym konstrukcyjnie założeniem jest spełnienie określonej odporności na pękanie w warunkach zmiennych i złożonych obciążeń nie tylko w warunkach normalnych, ale również w niskim lub wysokim zakresie temperatury. Kolejnym ważnym zagadnieniem jest uwzględnienie aktywności chemicznej środowiska, w którym materiał pracuje, gdyż korozja sprzyja zarodkowaniu i rozwojowi pęknięć w elementach konstrukcyjnych. Z praktyki przemysłowej wiadomo, że podczas procesów technologicznych, jak np. obróbka plastyczna, cieplna, odlewanie czy spawanie, mogą pojawić się mikro- lub makropęknięia w wytwarzanych wyrobach, co prowadzi do ich wycofania z użycia ze względu na wspomniane wady. Jednak niektóre z technik wytwarzania, jak np. obróbka skrawaniem lub wykrawanie, wykorzystują zjawisko dekohezji do ostatecznego kształtowania elementów konstrukcyjnych Podczas eksploatacji konstrukcji wielkogabarytowych, jak rurociągi, mosty, samoloty, statki, ich zniszczenie poprzez dekohezję jest szczególnie niebezpieczne i powoduje znaczne straty finansowe. Przykładem mogą być wytwarzane podczas drugiej wojny światowej statki serii Liberty. Z powodu kruchego pękania kadłubów niektóre z nich zostały wycofane z eksploatacji lub zatonęły. Zjawisko to występowało szczególnie zimą na wodach północnego Atlantyku i było spowodowane niską odpornością na pękanie stali eksploatowanej w obniżonej temperaturze. Najprostszy przypadkiem dekohezji jest rozdzielenie próbki podczas statycznej próby rozciągania. Należy jednak nadmienić, że duża różnorodność czynników zewnętrznych i zjawisk strukturalnych zachodzących w materiale powoduje, że przebieg każdego procesu dekohezji należy rozpatrywać oddzielnie. 2.2. Fraktografia Fraktografia jest eksperymentalną dziedziną inżynierii materiałowej zajmującą się badaniami powierzchni dekohezji materiałów inżynierskich. Dostarcza ona ważnych informacji na temat * Opracowali: Stanisław M. Pytel, Krzysztof Miernik.
przebiegu, przyczyn i mechanizmów utraty spójności w materiałach na podstawie analizy topografii powierzchni pękania. Badania fraktograficzne prowadzono już pod koniec XIX wieku. Polegały one na makroskopowych obserwacjach powierzchni pękania. Prostota i dostępność badań makrofraktograficznych wykazuje użyteczność w warunkach przemysłowych. Jednak do badań naukowych oraz w celu scharakteryzowania pełnego obrazu powierzchni pękania jest to metoda niewystarczająca. Dopiero zastosowanie w badaniach fraktograficznych mikroskopii optycznej, a następnie mikroskopii elektronowej zapewniło uzyskanie dokładniejszych wyników. Główne wady mikroskopu optycznego, jak mała głębia ostrości i niska rozdzielczość, stwarzały trudności w otrzymaniu ostrego obrazu rozwiniętej powierzchni przełomu przy dużym powiększeniu. Zastosowanie mikroskopii elektronowej stanowiło istotny przełom w badaniach fraktograficznych. Początkowo badania fraktograficzne prowadzono na transmisyjnych mikroskopach elektronowych (TEM) z wykorzystaniem replik powierzchni pękania. Niestety pracochłonna preparatyka i związane z tym problemy ograniczała zastosowanie tej metody do badań topografii przełomów. Znaczny postęp w badaniach fraktograficznych osiągnięto w wyniku zastosowania do badań skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Zasadnicza przewaga SEM nad TEM polega na bezpośredniej obserwacji powierzchni przełomów w szerokim zakresie powiększeń (nawet do kilkudziesięciu tysięcy) bez używania czasochłonnych replik. Dobra powtarzalność wyników, duża efektywność oraz prostota badań SEM stwarzają warunki do przeprowadzenia jakościowej oraz ilościowej analizy fraktograficznej. 2.3. Podstawowe rodzaje pękania Proces pękania materiałów klasyfikuje się według różnorodnych kryteriów. Podstawowym kryterium inżynierskim (w skali makroskopowej) jest intensywność odkształcenia plastycznego materiału i energochłonność procesu do momentu utraty spójności. Z tego względu rozróżnia się dwa graniczne rodzaje zjawiska dekohezji: 1) Pękanie ciągliwe (plastyczne), które wymaga zwiększania naprężeń w trakcie plastycznego odkształcania materiału. W tym rodzaju pękania powolnemu rozprzestrzenianiu się pęknięcia towarzyszy intensywne odkształcenie plastyczne i akumulacja energii odkształcenia w materiale. Pękanie plastyczne zazwyczaj kończy się rozdzieleniem materiału wzdłuż płaszczyzn, w których działają maksymalne naprężenia styczne. Pękanie ciągliwe, występuje w materiale pod wpływem naprężeń większych od granicy plastyczności Proces ten jest związany z dużym odkształceniem plastycznym, więc wymaga znacznego wydatku energii na propagację pęknięcia. Przebieg pękania ciągliwego może być zahamowany w każdym momencie w wyniku zmniejszenia naprężenia poniżej granicy plastyczności materiału. Stąd pękanie ciągliwe nie tworzy takiego niebezpieczeństwa, jak kruche i nie zdarza się zbyt często w eksploatacji maszyn i różnego rodzaju urządzeń. Przyczyną jego powstawania są najczęściej znaczne przeciążenia elementów konstrukcji do wartości naprężeń bliskich wytrzymałości doraźnej materiału. Oprócz tego może zachodzić wskutek gwałtownego naruszenia normalnych warunków eksploatacji konstrukcji, dużych błędów w projektowaniu i obliczeniach wytrzymałości. W skali makroskopowej przełom ciągliwy charakteryzuje się: matową powierzchnią o dużej chropowatości gdy rozdzielenie materiału rozprzestrzenia się prostopadle do kierunku działania maksymalnych naprężeń rozciągających; powierzchnią jedwabistą o małej chropowatości gdy pękanie jest zgodne z kierunkiem oddziaływania naprężeń stycznych.
2) Pękanie kruche (łupliwe) charakteryzuje się małą energochłonnością procesu. Przebiega szybko po osiągnięciu określonej wartości naprężenia (często nie przekraczającego granicy plastyczności w skali makroskopowej) i nie wymaga jego zwiększania do propagacji pęknięcia. Kruche pękanie zachodzi poprzez tworzenie się łupliwego przełomu, którego powierzchnia jest zorientowana prostopadle do kierunku przyłożonego obciążenia, bez zauważalnych śladów odkształcenia plastycznego w makrokroskali. W skali makroskopowej (inżynierskiej) statyczna próba rozciągania próbek walcowych jest najprostszym schematem obciążenia materiału obrazującym te dwa odmienne modele pękania (rys. 9.1). Kolejnym ważnym kryterium klasyfikacji zjawiska dekohezji jest mikrostruktura materiałów. Według tego kryterium rozróżnia się trzy rodzaje powierzchni (toru) pękania uwzględniające fazową (lub ziarnistą) budowę materiałów, co przedstawiono schematycznie na rys. 9.2 dla stopu dwufazowego o mikrostrukturze f 1 ziarna osnowy; f 2 wydzielenia (cząstki) fazy rozproszonej: przełom transkrystaliczny, powierzchnia (tor) rozdzielenia przebiega poprzez ziarna i fazę rozproszoną; przełom międzykrystaliczny, powierzchnia pęknięcia (tor) rozprzestrzenia się po granicach ziaren lub faz; przełom mieszany będący połączeniem obu w/w mechanizmów. Rys. 9.2. Podstawowe schematy pękania materiałów dwufazowych: a) przełom transkrystaliczny, b) przełom międzykrystaliczny, c) przełom mieszany. Podstawowym sposobem pękania stopów technicznych w stanie plastycznym i kruchym jest pękanie transkrystaliczne przedstawione na rys. 9.2a. Do pękania międzykrystalicznego (rys. 9.2b) dochodzi w przypadku stopów charakteryzujących się zmniejszeniem spójności wzdłuż granic ziaren lub faz, co związane jest ze zmianami składu chemicznego w tych obszarach podczas eksploatacji, jak np. dyfuzja wodoru do granic ziaren w stali konstrukcyjnej. Do tego typu dekohezji może zachodzić również w podwyższonej temperaturze podczas pełzania lub w wyniku działania agresywnych składników środowiska. 2.4. a) b) Rys. 9.1. Dwa podstawowe mechanizmy pękania materiałów w skali makroskopowej podczas statycznej próby rozciągania: a) schemat pękania ciągliwego i kruchego, b) pękanie ciągliwe walcowej próbki z miedzi i pękanie kruche próbki z mosiądzu odlewniczego.
Fraktografia pękania ciągliwego Jak już wspomniano najprostszym przykładem badania przebiegu ciągliwego pękania jest statyczna próba rozciągania przeprowadzona na walcowych próbkach wykonanych z plastycznych materiałów metalowych, jak np. miedzi, aluminium czy stali niskowęglowej. Badania fraktograficzne prowadzone przy zastosowaniu skaningowego mikroskopu elektronowego wyróżniają kilka typowych etapów pękania ciągliwego w stopach technicznych, które schematycznie przedstawiono na rys. 9.3. Rys. 9.3. Charakterystyczne etapy ciągliwego pękania w stopie dwufazowym podczas statycznej próby rozciągania: E 0 stan początkowy, E 1 zarodkowanie mikropęknięć, E 2 lokalny wzrost mikropęknięć, E 3 łączenie mikropęknięć i rozdzielenie osnowy. Po przekroczeniu granicy plastyczności zarodkowanie mikropęknięć zachodzi w otoczeniu (I model rys. 9.4a) lub wewnątrz (II model rys. 9.4b) różnego rodzaju i kształtu cząstek fazy rozproszonej (np. wtrąceń niemetalicznych, węglików, azotków), gdy zostały utworzone odpowiednie warunki zależne od stanu naprężenia, lokalizacji oraz prędkości odkształcenia plastycznego. Wpływ cząstek fazy rozproszonej na zarodkowanie mikropęknięć wzrasta ze zwiększaniem prędkości obciążenia oraz spiętrzenia naprężeń na granicy cząstka (WN) osnowa (M). Spiętrzenie naprężeń zwiększa się ze wzrostem różnicy pomiędzy modułem sprężystości cząstek i osnowy. Utworzenie mikropęknięć jest łatwiejsze, tzn. zachodzi przy mniejszym odkształceniu plastycznym osnowy, gdy rozmiary cząstek są większe oraz ich spójność na granicy fazowej WN-M jest niewielka. Stwierdzono eksperymentalnie, że zarodkowanie może zachodzić tylko po osiągnięciu przez cząstkę rozmiaru krytycznego, który zmniejsza się z obniżeniem temperatury. Ponadto mechanizm zarodkowania w istotny sposób zależy od kształtu cząstek i jego przebieg jest inny dla cząstek nierównoosiowych (np. płytkowych, walcowych) w porównaniu z cząstkami sferoidalnymi. Liczne badania fraktograficzne dowodzą, że nie tylko cząstki drugiej fazy są źródłami zarodkowania mikropęknięć. W czystych metalach oraz stopach jednofazowych zwykle miejscami zarodkowania są granice ziaren i faz oraz pasma intensywnego odkształcania plastycznego. Mikropęknięcia tworzą się również wskutek połączenia się dyslokacji w spiętrzeniach przed przeszkodami.
a) b) Rys. 9.4. Modele zarodkowania mikropęknięć w stopie dwufazowym M-WN: a) zarodkowanie mikropustki w otoczeniu cząstki WN I model, b) zarodkowanie mikroszczeliny wewnątrz cząstki WN II model. W stopach technicznych zawierających cząstki fazy rozproszonej w postaci wtrąceń niemetalicznych (siarczki, tlenki, azotki) w trakcie plastycznego odkształcania osnowy dominuje zarodkowanie mikropustek (I model). Ten mechanizm zarodkowania wynika z bardzo niskiej spójności (lub jej braku) wtrąceń niemetalicznych z osnową. Ze wzrostem plastycznego odkształcenia osnowy liczba mikropustek oraz ich wymiary stopniowo powiększają się w kierunku rozciągania próbki aż do momentu osiągnięcia obciążenia maksymalnego F m. Wówczas w próbce tworzy się przewężenie (tzw. szyjka). Trójosiowy stan naprężeń rozciągających w szyjce wywołuje intensywną propagację licznych pustek i zmianę ich kształtu. Poprzez mechanizm ścinania cienkich warstw metalowej (mostków) osnowy następuje stopniowego łączenie pustek, co prowadzi do utworzenia makropęknięcia w osi szyjki. Tak utworzone makropęknięcie wskutek przyłączania nowych pustek rozprzestrzenia się prostopadle od osi do powierzchni szyjki, tworząc charakterystyczne dno spodka". Zbliżając się do powierzchni tor makropęknięcia zmienia orientację. W warstwie wierzchniej szyjki występuje ścinanie osnowy stopu w płaszczyznach maksymalnych naprężeń stycznych (pod kątem 45 o do kierunku rozciągania) tworząc ostatecznie powierzchnię przełomu o charakterystycznym kształcie spodek stożek ścięty" (rys. 9.5 a-b). Ten mechanizm pękania pojawia się w wyniku zmiany przestrzennego stanu naprężenia w osi szyjki na płaski w jej warstwie wierzchniej.
a) b) Rys. 9.5. Przełom walcowej próbki w szyjce o kształcie spodek-stożek ścięty : a) schemat profilu toru pękania, b) ogólny widok przełomu próbki z niskowęglowej stali konstrukcyjnej. Jak to potwierdzają badania fraktograficzne cechą charakterystyczną przełomu ciągliwego jest występowanie w rejonie osi próbki rozwiniętej powierzchni pękania. Topografia tej powierzchni składa się z licznego zbioru dołków (kraterów) o zróżnicowanych wielkościach i kształtach, utworzonych w otoczeniu cząstek fazy rozproszonej. Często wewnątrz dołków można zaobserwować np. wtrącenia niemetaliczne lub inne cząstki fazy rozproszonej. Liczebność, wielkość i kształt tych kraterów jest zależna od składu chemicznego i parametrów stereologicznych faz tworzących mikrostrukturę stopu. Przykłady zróżnicowanej topografii przełomów ciągliwych utworzonych w centralnej części próbki walcowej przedstawiono na rys. 9.6 a-d dla staliwa lub stali niskowęglowej. W warstwie wierzchniej szyjki dominuje natomiast mechanizm ścinania osnowy i dlatego rozrost mikropustek, a następnie ich łączenie, występuje wzdłuż płaszczyzn maksymalnych naprężeń stycznych. Wskutek tego na powierzchni pękania można zaobserwować kształt paraboliczny tych nieciągłości, co obrazuje rys. 9.7 a-b. a) Pow. 2000x b) Pow. 3000x c) Pow. 2000x d) Pow. 1000x
Rys. 9.6. Topografia przełomu ciągliwego z niskowęglowego staliwa lub stali o zróżnicowanej zawartości i morfologii wtrąceń niemetalicznych: a) sferoidalne siarczki MnS, b) wielościenne siarczki MnS, c) dendrytyczne siarczki MnS, d) wydłużone siarczki Mns po walcowaniu stali. a) b) Rys. 9.7. Topografia przełomu walcowej próbki ze stali niskowęglowej w warstwie wierzchniej szyjki (strefa ścinania metalowej osnowy). 2.5. Fraktografia pękania kruchego Szczegółowe badania fraktograficzne stopów technicznych ujawniły, że w przypadku kruchego pękania można wyróżnić dwa podstawowe mechanizmy utraty spójności: transkrystaliczny przełom łupliwy lub międzykrystaliczny przełom łupliwy. A. Transkrystaliczny przełom łupliwy W wyniku pękania kruchego materiałów metalowych najczęściej tworzy się transkrystaliczny przełom łupliwy, charakteryzujący się małą energochłonnością i brakiem wyraźnych śladów odkształcenia plastycznego (rys. 9.8a). Ten mechanizm pękania zwykle powstaje w niskiej temperaturze, w warunkach trójosiowego stanu naprężenia (płaski stan odkształcenia), przy dużej prędkości odkształcenia. Miejscami zarodkowania pęknięć łupliwych są granice ziaren i faz, a także twarde wydzielenia fazy rozproszonej (rys. 9.8b). Utworzone mikroszczeliny rozprzestrzeniają się przez ziarna jednocześnie w kilku równoległych i blisko położonych płaszczyznach krystalograficznych, tzw.płaszczyznach łupliwości, z następnym tworzeniem się między nimi uskoków (schodków) widocznych na powierzchni przełomu. W celu określenia płaszczyzn łupliwości w materiałach metalowych wysuwano różne hipotezy, przy czym wielu badaczy podtrzymuje pogląd, że płaszczyznami kruchego rozdzielenia ziaren są płaszczyzny o minimalnej energii powierzchniowej np rodzina płaszczyzn {100}. Powierzchnia przełomu kruchego jest błyszcząca, gdyż płaszczyzny łupliwego rozdzielenia materiału są bardzo gładkie i dlatego dobrze odbijają światło. Obszary takie można wyodrębnić na przełomie już wizualnie lub przy małym powiększeniu. Widoczne są jako oddzielne płaskie strefy pękania łupliwego fasety, które są różnie zorientowane względem płaszczyzny makroprzełomu. Podczas obserwacji mikroskopowych na powierzchni faset można zidentyfikować przebieg pękania wtórnego z tworzeniem uskoków i mostków pomiędzy sąsiednimi pęknięciami, rozwijającymi się w równoległych płaszczyznach łupliwości. Uskoki między pęknięciami w równoległych płaszczyznach łupliwości wewnątrz jednego ziarna lub innego składnika mikrostruktury tworzą charakterystyczną rzeźbę rzek" (rys. 9.8c). Małe, elementarne uskoki łączą się w większe, tzw. dorzecza, w kierunku rozprzestrzeniania się pęknięcia i są źródłem pęknięcia głównego. Uskoki rzeźby rzek" mogą się tworzyć wskutek pękania łupliwego wzdłuż płaszczyzn wtórnych, granic bliźniaczych lub intensywnego odkształcenia plastycznego w warstwach między pęknięciami łupliwymi. Powstanie rzeźby rzek" wskazuje na dodatkowe wydatkowanie energii podczas pękania. Jeżeli pęknięcie
łupliwe powstaje w jednym punkcie, jak np. na cząstce drugiej fazy, to rozprzestrzeniając się we wszystkich kierunkach w ziarnie, powoduje utworzenie rzeźby typu promienistego wachlarza" (rys. 9.8d). W materiałach polikrystalicznych łączenie pęknięć różnych ziaren zachodzi na granicy między nimi, a kierunek rozprzestrzeniania się pęknięcia łupliwego ulega zmianie od ziarna do ziarna. Zmiana kierunku rozwijającego się pęknięcia przy jego przejściu do sąsiedniego ziarna o innej orientacji wymaga procesu akomodacji w celu odszukania nowych płaszczyzn łupliwości. Proces akomodacji pochłania dodatkową energię, co utrudnia propagację pękania łupliwego. Dlatego rozdrobnienie ziaren w materiale zwiększa jego odporność na rozprzestrzenianie się pęknięć łupliwych. Na powierzchni faset łupliwych można obserwować ślady pęknięć wtórnych rozprzestrzeniających się pod pewnym kątem do głównej płaszczyzny pękania. a) Pow. 2000x b) Pow. 4000x c) Pow. 2000x d) Pow. 2000x Rys. 9.8. Fraktografia przełomu transkrystalicznego kruchego w stali konstrukcyjnej: a) gładkie płaszczyzny łupliwego rozdzielenia ziaren ferrytu, b) zarodkowanie kruchego pęknięcia w otoczeniu tlenkowego wtrącenia niemetalicznego (Al 2 O 3 ), c) charakterystyczna rzeźba rzek" wewnątrz ziarna ferrytu rozdzielonego w płaszczyźnie łupliwości, d) kruche pęknięcie propagujące promieniście w płaszczyźnie łupliwości wtrącenia azotkowego (TiN). B. Międzykrystaliczny przełom łupliwy Pękanie łupliwe międzykrystaliczne (rys. 9.9a) polega na rozprzestrzenianiu się pęknięć wzdłuż granic ziaren z utworzeniem na powierzchni przełomu charakterystycznych gładkich powierzchni faset, w postaci wielościanów odpowiadających kształtom ziaren. Fasety takiego łupania łatwo jest identyfikować ze względu na obecność styków trzech lub więcej granic ziaren, co pokazano na rys. 9.9b.
a) Pow. 50x b) Pow. 3000x Rys. 9.9. Fraktografia międzykrystalicznego przełomu łupliwego: a) ogólny widok makroprzełomu w próbce z konstrukcyjnej stali stopowej, b) powierzchnia pękania w postaci wielościanów odpowiadających kształtom ziaren. Kruche pękanie międzykrystaliczne powstaje, gdy energia powierzchniowa granic ziaren jest mniejsza od energii powierzchniowej w płaszczyznach łupliwości. Zmniejszenie spójności materiału na granicach ziaren poniżej spójności w płaszczyznach łupliwości może mieć następujące przyczyny: osłabienie sił spójności ziaren wskutek segregacji zanieczyszczeń w obszarach przygranicznych, kruchości wodorowej, naprężeniowego pękania korozyjnego, wydzielania na granicach ziaren siatki fazy kruchej, utworzenie mikropustek wzdłuż granic ziaren wskutek nie sprzyjającego oddziaływania (cyklicznego, długotrwałego) przyłożonych naprężeń w warunkach zmiennego pola temperatury, niedostateczna liczba niezależnych systemów poślizgu w materiale, co utrudnia akomodację odkształcenia plastycznego między sąsiednimi ziarnami, stymulując pękanie po granicach ziaren. 2.6. Pękanie quasi-łupliwe Przełom quasi-łupliwy jest przejściowym rodzajem przełomu, ponieważ ma charakterystyczne cechy obu przełomów: kruchego i ciągliwego. Quasi-łupliwe rozdzielenie materiału zachodzi poprzez zarodkowanie pękania kruchego w lokalnych obszarach a następnie ich propagacją w finalną powierzchnię dekohezji wskutek uruchomienia mechanizmów odkształcenia plastycznego. Fasety pękania quasi-łupliwego łączą się przez odkształcenie plastyczne, w wyniku którego powstają między nimi grzbiety łupliwości. Grzbiety mają zazwyczaj ostre i wyciągnięte krawędzie, co świadczy o dużym odkształceniu plastycznym podczas ich tworzenia. Wzrost udziału odkształcenia plastycznego w procesie pękania przejawia się przez zwiększenie falistości, ostrości, wyciągnięcie krawędzi grzbietów łupliwości, utworzenie zniekształconych płytkich dołków oraz powstanie obszarów wgłębień (dołków, jamek) charakterystycznych dla pękania ciągliwego, czyli plastycznego. Typowy przełomy o takiej charakterystyce topografii przedstawiono na rys.10 a-b. a) b)
Rys. 9.10. Fraktografia przełomu quasi-łupliwego w stali konstrukcyjnej. 2.7. Dekohezja materiałów inżynierskich W praktyce inżynierii materiałowej klasyfikuje się materiały na kilka podstawowych grup wymienionych poniżej. W skali makroskopowej przebieg zjawiska dekohezji w tych materiałach można sklasyfikować według kryterium wielkości i energii odkształcenia do momentu utraty spójności, co pozwala je zaliczyć do materiałów plastycznych lub kruchych. Jednak w skali mikrostrukturalnej dekohezja jest zjawiskiem bardzo złożonym i jej przebieg w zależności od rodzaju materiału i warunków zewnętrznych należy rozpatrywać oddzielnie. Metale i stopy odznaczają się relatywnie wysoką wartością modułu sprężystości. Dekohezję tych materiałów poprzedza zazwyczaj odkształcenie plastyczne, a pękanie przyjmuje charakter ciągliwy. Obróbka cieplna stopów oraz operacje kształtowania plastycznego powodują wzrost ich wytrzymałości i zmieniają charakter pękania z ciągliwego na kruchy. Analiza przełomów próbek metalowych dowodzi różnorodności mechanizmów oraz rodzajów pęknięć tych materiałów. W skali mikroskopowej w wyniku pękania plastycznego powstają tzw. dołki utworzone przez połączenie mikropustek. W wyniku pękania kruchego powstają specyficzne rodzaje przełomów, takie jak przełom łupliwy, charakterystyczny dla metali o sieci regularnie ściennie centrowanej i heksagonalnej zwartej, będący przełomem transkrystalicznym czy przełom międzykrystaliczny, powstający w wyniku obniżenia spójności materiału na granicach ziaren. Możemy spotkać tu również pęknięcia zmęczeniowe, w wyniku których tworzą się tzw. linie zmęczeniowe, biegnące prostopadle do kierunku rozwoju pęknięcia. Ceramikę i szkło, podobnie jak metale, charakteryzują wysokie wartości modułu sprężystości. Jednak podczas prób mechanicznych, np. statycznego rozciągania w odróżnieniu od materiałów metalowych pękają krucho. Dekohezja jest najczęściej wywoływana bardzo dużymi jednostkowymi obciążeniami mechanicznymi lub naprężeniami cieplnymi. Pękanie jest spowodowane małym, w porównaniu np. do metali, stopniem uplastycznienia przy wierzchołku pęknięcia. Bardzo często również ceramiki i szkła zawierają mikropęknięcia oraz małe pory już na etapie wytwarzania lub defekty te zostają wprowadzone podczas użytkowania, np. w postaci rys. Polimery i elastomery, w porównaniu z metalami i ceramiką, posiadają niskie wartości modułu sprężystości, jednakże ich własności wytrzymałościowe mogą być zbliżone. Ich własności mechaniczne są silnie zależne od temperatury, dlatego jednoznaczne określenie ich sposobu pękania jest niemożliwe. W tych materiałach nie obserwuje się występowania przełomów transkrystalicznych lub międzykrystalicznych, natomiast często obserwuje się tzw. linie zmęczeniowe. W przypadku kruchego pękania tworzyw sztucznych ujawniają się takie cechy przełomów, jak: linie grzbietowe, linie Wallnera czy linie stożkowe. Linie Wallnera tworzą bardzo często wyraźne schodki w wyniku przecinania się czoła pęknięcia z falami sprężystymi emitowanymi spoza źródła pęknięcia. Plastyczne pękanie tworzyw sztucznych można opisać jako rozciąganie materiału będące reakcją łańcuchów polimerowych na naprężenia. Kompozyty to materiały inżynierskie, w których przebieg dekohezji jest ściśle związany z jednostkowymi cechami komponentów wchodzących w skład kompozytu. Wielofazowa struktura kompozytu, otrzymana poprzez odpowiedni dobór składników zarówno kruchych jak i plastycznych, umożliwia uzyskanie ściśle określonego efektu końcowego podczas rozprzestrzeniania się pęknięcia. W celu precyzyjnego scharakteryzowania poszczególnych grup różnych kompozytów niezbędne są indywidualne badania fraktograficzne wraz z ścisłym określeniem składu kompozytu oraz środowiskowo-obciążeniowych warunków przeprowadzenia próby. 3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA Próbki pobrane z materiałów jedno i wielofazowych w postaci przełomów ze statycznej próby rozciągania oraz udarności, skaningowy mikroskop elektronowy.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA W ramach zajęć przeprowadzona zostaje analiza powierzchni przełomów próbek wraz z rejestracją zdjęć za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Następnie zdjęcia zostają poddane ocenie i na ich podstawie określa się dominujący rodzaj przełomu charakteryzujący próbki. 5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA Sprawozdanie powinno zawierać: opracowanie lub podanie odpowiedzi na zamieszczone zadania, wykonane zdjęcia powierzchni pękania próbek, charakterystykę poszczególnych przełomów wraz z ich krótkim omówieniem, omówienie zastosowanych technik badawczych, podsumowanie i wnioski z przeprowadzonych badań. 6. LITERATURA [1] Blicharski M., Odkształcanie i pękanie, Wydaw. AGH, Kraków 2002. [2] Przybyłowicz K., Strukturalne aspekty odkształcania metali, WNT, Warszawa 2002. [3] Wyrzykowski J. W., Pleszakow E., Sieniawski J., Odkształcanie i pękanie metali, WNT, Warszawa 1999.