Zusammenfassung der Metallbrucharten und Bruchflächenanalyse

Ⅰ Einführung

Metallische Werkstoffe sind in verschiedenen Anwendungen häufig mit Ausfallszenarien wie Brüchen, Korrosion, Verschleiß und Verformungen konfrontiert. Brüche gelten dabei als eine der gefährlichsten Ausfallarten und haben schon immer große Aufmerksamkeit erhalten. Wenn ein Metall unter Belastung (manchmal auch durch Hitze oder korrosive Medien) in zwei oder mehr Teile zerbricht, spricht man von einem vollständigen Bruch. Wenn das Metall Risse aufweist, spricht man von einem unvollständigen Bruch.

Ⅱ Arten von Metallbrüchen

1. Klassifizierung nach Grad der plastischen Verformung vor dem Bruch

Beim Sandstrahlen wird Druckluft als Energiequelle verwendet, um Schleifmittel (wie Kupfererz, Quarzsand, Korund, Eisensand, Hainan-Sand usw.) mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Werkstücks zu sprühen. Durch die Aufprall- und Schneidwirkung des Schleifmittels verändert sich die Oberfläche des Werkstücks und erreicht ein gewisses Maß an Sauberkeit und unterschiedliche Rauheit.

Duktiler Bruch

Auch als duktiler Bruch oder plastischer Bruch bekannt.

Eigenschaften der Bruchoberfläche:Makroskopisch zeigt die Bruchfläche eines duktilen Bruchs erhebliche plastische Verformungen, Veränderungen der Bruchgröße, das Vorhandensein von faserigen und Scherlippenbereichen und eine stumpfe Farbe. Mikroskopisch weist sie Grübchenmuster, faserige Strukturen sowie strahlenförmige und fischgrätenförmige Gratmuster auf.

Bestimmung:Im Allgemeinen wird definiert, dass es sich um einen duktilen Bruch handelt, wenn die Querschnittsreduzierung einer glatten Zugprobe größer als 5 % ist.

▲ Makroskopische Oberfläche des duktilen Bruchs

▲ Mikroskopische Oberfläche eines duktilen Bruchs

Sprödbruch

Brucheigenschaften:Die Merkmale eines spröden Bruchs auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene sind das Fehlen einer signifikanten plastischen Verformung und relativ glatte, glänzende Oberflächen. Diese Merkmale entstehen, weil das Material während des Bruchs keine ausreichende plastische Verformung erfährt, wodurch sich Risse schnell ausbreiten und saubere, glatte Bruchoberflächen bilden. Auf mikroskopischer Ebene enthüllen Spaltstufen, Flussmuster und Zungenmuster die Bruchmechanismen und Rissausbreitungspfade von spröden Brüchen weiter.

Gefahr:Im Allgemeinen treten die Symptome plötzlich auf und weisen keine vorherigen Anzeichen auf. Häufig führen sie zu schwerwiegenden Folgen.

Bestimmung:Eine Querschnittsreduzierung von weniger als 5 % bei glatten Zugproben kann auf eine minimale, gleichmäßige plastische Verformung hinweisen, die als Sprödbruch gilt.

▲ Sprödbruch Makroskopische Oberfläche

▲ Sprödbruch Makroskopische Oberfläche

2. Klassifizierung nach Rissausbreitungspfad

Transgranulare Fraktur

Eigenschaften:Der Riss breitet sich durch das Innere der Körner aus.

Natur:Es kann entweder duktil oder spröde sein.

▲ Schematische Darstellung des transgranularen Bruchs

▲ Transgranulare Bruchmikroskopie

Intergranularer Bruch

Eigenschaften:Der Riss breitet sich entlang der Korngrenzen aus.

Natur:Meist handelt es sich um Sprödbrüche.

▲ Schematischer Aufbau des intergranularen Bruchs

▲ Intergranulare Bruchmikroskopie

3. Klassifizierung nach Spannungsart und relativer Position der Bruchflächenorientierung zur Spannung

Zugbruch

Die Ausrichtung der Bruchfläche ist senkrecht zur maximalen Normalspannung.

Natur:Meist handelt es sich um einen Sprödbruch, es können aber auch erhebliche plastische Verformungen auftreten.

Scherbruch

Die Ausrichtung der Bruchoberfläche verläuft entlang der Richtung der maximalen Scherspannung und bildet mit der maximalen Normalspannung einen 45-Grad-Winkel.

Natur:Duktiler Bruch.

 

4. Klassifizierung nach Belastungsart und Spannungsursache

Ermüdungsbruch

Definition:Bruch, der in Werkstoffen unter Wechselbelastung auftritt.

Mechanismus:Ergebnis der kombinierten Wirkung von Wechselspannung und Zeit.

▲ Ermüdungsbruch durch kombinierte Zug- und Druckbelastung

Umweltfraktur

Definition:Durch Umwelteinflüsse verursachter Spannungsbruch von Materialien.

Einstufung:Dazu zählen vor allem Spannungsrisskorrosion und Wasserstoffversprödung.

▲ Korrosionsbruch

II. Methoden der Metallbruchflächenanalyse

Die dreistufige Methode zur Analyse metallischer Bruchflächen ist ein systematisches Verfahren mit dem Ziel, durch Beobachtung und Auswertung der Bruchflächen die Ursachen, Mechanismen und Eigenschaften von Materialbrüchen zu verstehen.

Schritt 1: Makroskopische Beobachtung

Zweck:Führen Sie eine erste Beobachtung mit bloßem Auge, einer Lupe oder einem optischen Mikroskop mit geringer Vergrößerung durch, um makroskopische Informationen über die Bruchoberfläche zu sammeln.

Inhalt

Übersicht Beobachtung:Beobachten Sie zunächst mit bloßem Auge und einer schwach vergrößernden Linse das allgemeine Erscheinungsbild und die Zusammenhänge der verschiedenen Bereiche der Bruchfläche.

Analyse der Bruchart:Bestimmen Sie vorab die Art des Bruchs, z. B. duktiler Bruch, Sprödbruch usw.

Beurteilung der Rissherkunft:Analysieren Sie die Lage des Rissursprungs und die Richtung der Rissausbreitung.

Bewertung der metallurgischen und wärmetechnischen Qualität:Nutzen Sie die makroskopische Beobachtung zur vorläufigen Beurteilung der metallurgischen Qualität und der Wärmebehandlungsqualität.

Aufnahme:Fotografieren und notieren Sie die Ergebnisse makroskopischer Beobachtungen zur späteren Analyse.

Schritt 2: Mikroskopische Beobachtung

Zweck:Um eine eingehendere Beobachtung mit Hochleistungsmikroskopen (wie metallografischen Mikroskopen und Rasterelektronenmikroskopen) durchzuführen und mikroskopische Informationen über die Bruchoberfläche zu erhalten.

Inhalt

Direkte Beobachtung der Bruchfläche:Beobachten Sie die mikroskopischen morphologischen Eigenschaften der Bruchoberfläche mithilfe metallografischer Mikroskope oder Rasterelektronenmikroskope.

Beobachtung des Bruchprofils:Erlernen Sie die Mikrostruktur, den Rissausbreitungsverlauf und den Bruchmechanismus besser.

Verifizierung makroskopischer Informationen:Verwenden Sie die mikroskopische Beobachtung, um die während der makroskopischen Beobachtung gesammelten Informationen weiter zu überprüfen.

Bestimmung der Bruchart:Bestimmen Sie anhand der Ergebnisse mikroskopischer Beobachtungen die Art, die Ausbreitungsgeschwindigkeit und den Ursprungsort des Bruchs genauer.

Identifizierung der Bruchursache:Identifizieren Sie durch eine umfassende Analyse die Ursache und den Mechanismus des Bruchs.

Schritt 3: Quantitative Analyse

Zweck:Durch quantitative Tests und Analysen sollen eingehendere Untersuchungen der Bruchoberfläche durchgeführt werden, um genauere Leistungsdaten zu erhalten.

Inhalt

Analyse der chemischen Zusammensetzung:Analysieren Sie die chemische Zusammensetzung des Bruchmaterials, einschließlich des Gehalts an Hauptelementen, Verunreinigungen und nichtmetallischen Einschlüssen.

Prüfung mechanischer Eigenschaften:Führen Sie Zug-, Schlag-, Härte- und andere mechanische Eigenschaftstests am Bruchmaterial durch, um dessen Festigkeit, Zähigkeit und Härte zu bewerten.

Analyse der Bruchmorphologie:Verwenden Sie Instrumente wie Rasterelektronenmikroskope (SEM) zur quantitativen Analyse der Bruchmorphologie, beispielsweise Risslänge, -breite, -tiefe usw.

Bewertung des Bruchmechanismus:Bewerten Sie den Bruchmechanismus, z. B. duktilen Bruch, Sprödbruch usw., basierend auf quantitativen Testergebnissen.

Umfassende Auswertung:Kombinieren Sie Ergebnisse aus makroskopischer Beobachtung, mikroskopischer Beobachtung und quantitativer Analyse, um die Leistung des Materials umfassend zu bewerten.

Durch die dreistufige Methode der Analyse von Metallbruchflächen kann ein umfassendes und tiefgehendes Verständnis der Ursachen, Mechanismen und Eigenschaften von Metallmaterialbrüchen erreicht werden, was wichtige Referenzen für die Konstruktion, Herstellung und Verwendung von Materialien liefert.