Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

ON THE POSSIBILITY OF USING OF CONFOCAL LASER SCANNING MICROSCOPY FOR INVESTIGATION OF METALLIC MATERIALS FRACTURE SURFACES

Klevtsov G.V. 1 Merson E.D. 1
1 Togliatty State University, Togliatti
1540 KB
The purpose of the present work is to explorethe capacity of confocal laser scanning microscope (CLSM)for observations of fracture surfaces of metallic materials. Brittle, ductile and fatigue fracture surfaces of different types of metallic materials have beenstudiedwithconfocallaser scanning microscopeLext OLS4000 and scanning electron microscope (SEM) SIGMA. The features of brittle fracture ofimpact tested 20GL and 110G13 steels (cleavage and intergranular fracture type)as well as fatigue character of fracture surfaces of titanium Grade 4 specimens can be fully identified with CLSM. 2D CLSM and SEM images of these types (cleavage, intergranular and fatigue) of fracture surfaces are found to be nicely comparable. Moreover 3D CLSM images in certain cases can provide much more useful information in terms of topographical characteristics and roughness of fracture surface.Nevertheless CLSM images of ductile fracture surface of impact tested aluminum alloy AK4-1appear to be less informative than SEM ones and do not show all features of these fracture types.
confocal laser scanning microscopy
scanning electron microscopy
metallic materials
impact and fatigue tests
brittle
ductile and cleavage fracture surface
1. Botvina L.R. Kinetika razrusheniya konstruktsionnykh materialov [Fracture kinetics of construction materials]. Moscow, NaukaPubl., 1989.230 p.
2. Klevtsov G.V., Botvina L.R., Klevtsova N.A., Limar L.V. Fraktodiagnostika razrusheniya metallicheskikh materialov i konstruktsiy [Fracture diagnostic of metallic materials and constructions]. Moscow, MISiSPubl., 2007. 264 p.
3. Balter M.A., Lyubchenko A.P., Aksenova S.P., Chernyakova A.A., Goldshteyn L.Ya., Kurits Ye.A. Fraktografiya – sredstvo diagnostiki razrushennykh detaley [Fractography – means of parts fracture diagnostics]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1978. 184 p.
4. Engel L., Klingele H. Scanning Electron Microscopy: Fracture. A Handbook. Munich, Carl Hanser, 1982. 232 p.
5. Hovis D.B., Heuer A.H. Journal of Microscopy, 2010, v. 240, no. 3, pp. 173–180.

Для исследования микрорельефа поверхности разрушения металлических материалов, например, при диагностике разрушения конструкций и деталей машин, наибольшее распространение получили сканирующие электронные микроскопы (СЭМ), обладающие высокой глубиной резкости и не требующие трудоемких методик получения реплик, необходимых при исследовании изломов в просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ) [1–4]. Использование для решения вышеуказанной задачи оптических микроскопов невозможно из-за малой глубины резкости при высоких увеличениях [2, 4].

Появившийся сравнительно недавно новый класс приборов – конфокальных лазерных сканирующих микроскопов (КЛСМ) – обладает высокой глубиной резкости, не требует металлического контакта и создания вакуума при исследовании объекта, т.к. является разновидностью оптического микроскопа и позволяет наблюдать объект в 3D формате [5].

Целью настоящей работы является оценка возможности использования лазерного микроскопа для исследования изломов металлических материалов путем сопоставления микрорельефов поверхностей разрушения, полученных в лазерном и растровом микроскопах.

Материалы и методики исследования

В качестве исследуемых материалов использовали сталь 20ГЛ в нормализованном состоянии (средний размер зерна dср = 15 мкм), аустенитную сталь 110Г13 после закалки (dср = 60 мкм), алюминиевый сплав АК4-1 в субмикрокристаллическом состоянии (dср = 0,3 мкм) и титан Grade 4 в горячекатаном состоянии (dср = 25 мкм). Ударные испытания образцов из стали 20ГЛ проводили при температуре –60 °С; из стали 110Г13 – при температуре –196 °С; из сплава АК4-1 – при комнатной температуре. Образцы из титана марки Grade 4 испытывали на усталость по схеме трехточечного изгиба при комнатной температуре.

pic_49.tif    50

а                                             б

pic_51.tif   52

в                                      г

pic_53.tif    54

д                                е

Рис. 1. Транскристаллитный скол в стали 20ГЛ (а, б), межзеренное хрупкое разрушение стали 110Г13 (в, г) и ямочный микрорельеф излома сплава АК4-1: а, в, д– лазерный микроскоп; б, г, е – СЭМ

Полученные изломы исследовали на лазерном конфокальном сканирующем микроскопе LextOLS4000 и сканирующем электронном микроскопе SIGMA фирмы «ZEISS».

Результаты исследования и их обсуждение

Ударное разрушение сталей 20ГЛ и 110Г13 произошло хрупко. Сталь 20ГЛ разрушилась по механизму транскристаллитного скола с образование фасеток скола с ручьистым микрорельефом (рис. 1 а, б). Сталь 110Г13 разрушилась по механизму межзеренного хрупкого разрушения (рис. 1 в, г). Сопоставление микрорельефов полученных изломов в лазерном и электронном микроскопах показало хорошую их идентичность: в обоих случаях хорошо видны фасетки и трещины по границам зерен (рис. 1 а-г). Причем микрорельеф фасеток скола, наблюдаемый в лазерном микроскопе (рис. 1 а), больше напоминает микрорельеф фасеток, который можно наблюдать в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) (рис. 2 а), чем вСЭМ (рис. 1 б). Микрорельеф фасеток скола и межзеренного хрупкого разрушения наглядно демонстрирует изображение поверхности изломов в 3D формате (рис. 3 а, б).

Ударное разрушение алюминиевого сплава АК4-1 произошло вязко с образованием ямочного микрорельефа (рис. 1 д, е). Причем вСЭМ хорошо видны глубокие равноосные ямки с частицами в центре ямок (рис. 1 е), в то время как в лазерном микроскопе ямки менее информативны (рис. 1 д) и больше напоминают ямки, наблюдаемые в ПЭМ (рис. 2 б).

pic_50.tif       pic_55.tif

а   б

Рис. 2. Транскристаллитный скол стали 30ХГСА (а) и ямочный микрорельеф изломов аустенитной стали 12Х2Н4АШ (б) (ПЭМ) [4]: а – х5000; б – х6000

Микрорельеф усталостного излома титана Grade 4 в зоне усталостного развития трещины lf и в зоне долома [1, 2] представлен на рис. 4. Хорошо видно, что в лазерном микроскопе (рис. 4. а, в) достаточно адекватно отражается микрорельеф поверхности в данных зонах, наблюдаемый в СЭМ (рис. 4 б, г). Общий рельеф поверхности усталостного излома хорошо иллюстрирует изображение излома в 3D формате (рис. 3 в).

57   а 58 б

59

Рис. 3 - Транскристаллитный скол в стали 20ГЛ (а), межзеренное хрупкое разрушение стали
110Г13 (б) и очаг усталостного разрушения образца из титана Grade 4 (в) в 3D формате

   а  61  б

62  в  63 г

Рис. 4. Микрорельеф зоны усталостного развития трещины (зона lf) (а, б) и зоны долома (в, г)
усталостного излома титана Grade 4:
а, в - лазерный микроскоп LextOLS4000; б, г - СЭМ SIGMA фирмы «ZEISS»

Заключение

Микрорельеф хрупких изломов, полученных при ударном нагружении образцов из сталей 20ГЛ и 110Г13 (скол и межзеренное хрупкое разрушение), а также микрорельеф усталостного излома титана Grade 4 адекватно отражает лазерный микроскоп LextOLS4000. Однако ямочный микрорельеф вязкого излома алюминиевого сплава АК4-1, полученный в лазерном микроскопе, менее информативный, чем микрорельеф, полученный в СЭМ.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 11-08-00208) и гранта Министерства образования и науки РФ No. 11.G34.31.0031