Развитие метода количественной трехмерной фрактографии с применением конфокальной лазерной сканирующей микроскопии

1. Подготовить образцы низкоуглеродистой стали, необходимые для проведения исследования.
2. Получить изломы образцов низкоуглеродистой стали с различным соотношением вязкой и хрупкой составляющих, провести их панорамную трехмерную съемку при помощи КЛСМ и выявить параметр, наиболее достоверно описывающий вязкость (или хрупкость) излома.
3. Для сравнения и оценки достоверности результатов определения вязкости излома провести классический качественный фрактографический анализ всех полученных изломов при помощи сканирующей электронной микроскопии.
4. Получить хрупкие, образованные по механизму скола, изломы образцов низкоуглеродистой стали с различной степенью предварительной деформации, провести их трехмерную съемку при помощи КЛСМ и установить влияние пластической деформации на кривизну и угол разориентировки фасеток скола.
5. Для проверки полученных результатов исследования влияния предварительной пластической деформации на кривизну и угол разориентировки фасеток провести исследование поперечных шлифов изломов с помощью метода анализа картин дифракции обратно-отраженных электронов.

В ходе выполнения проекта были проведены испытания надрезанных цилиндрических образцов отожженной стали 10 по схеме одноосного растяжения при скорости деформации 100 мм/мин, в широком диапазоне температур от 200 до -196 ?С. Изломы всех образцов, полученные в ходе испытаний были исследованы при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и конфокального лазерного сканирующего микроскопа (КЛСМ). С использованием СЭМ, на основе визуального качественного фрактографического анализа установлено, что в интервале температур от 100 до -100 ?С излом образцов меняется с полностью вязкого на полностью хрупкий. Впервые при помощи КЛСМ измерены различные топографические параметры изломов образцов, испытанных в широком интервале температур вязко-хрупкого перехода, исследуемой стали. Показано, что величина характеристической площади поверхности излома Rs, численно равная отношению площади рельефа поверхности к площади проекции этой поверхности на плоскость снимка, хорошо отражает изменение вязкости излома и, следовательно, может быть использована для ее количественной оценки. Установлено, также, что данная характеристика гораздо лучше описывает вязкость излома, чем стандартные параметры шероховатости Sa, Sq, Sz.

В ходе исследований были решены две основные задачи, на которые был направлен проект: 1) подтверждена возможность оценки вязкости изломов стальных образцов по величине характеристической площади поверхности излома, определенной по топографическим данным конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ); 2) установлено влияние пластической деформации на количественные характеристики хрупких изломов и фасеток скола низкоуглеродистой стали. Для решения первой задачи были проведены испытания надрезанных цилиндрических образцов отожженной стали 10 по схеме одноосного растяжения, в широком диапазоне температур от 200 до -196 ?С. Изломы всех образцов, полученные в ходе испытаний были исследованы при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и КЛСМ. Установлено, что в интервале температур от 100 до -100 ?С излом образцов меняется с полностью вязкого на полностью хрупкий. Показано, что величина характеристической площади поверхности излома Rs, численно равная отношению площади рельефа поверхности к площади проекции этой поверхности на плоскость снимка, хорошо отражает изменение вязкости излома, в том числе, она позволяет определить температуру вязко-хрупкого перехода. Для решения второй задачи был проведен качественный и количественный фрактографический анализ изломов образцов отожженной стали 20 с разной степенью предварительной остаточной деформации от 0 до 70%, полученных в ходе испытаний на ударный изгиб при температуре жидкого азота. При помощи КЛСМ было установлено, что предварительная пластическая деформация низкоуглеродистой стали приводит к увеличению кривизны и среднего угла разориентировки фасеток скола, а также шероховатости и характеристической площади поверхности излома. Таким образом, показано, что КЛСМ может использоваться для оценки предварительной пластической деформации стали по ее излому. В целом результаты проведенного исследования показали высокую эффективность метода КЛСМ для решения задач количественной фрактографии. По результатам проекта подготовлено 2 статьи, одна из которых опубликована в журнале, индексируемом в системе Web of Science. Сделано 4 доклада на международных конференциях.