材料失效分析第二至四章解理斷裂與沿晶斷裂

1、第二章第二章 韌韌 性性 斷斷 裂裂1、概述、概述2、韌性斷裂的斷口形貌特征、韌性斷裂的斷口形貌特征3、韌窩形成機(jī)理、韌窩形成機(jī)理4、影響韌窩形貌的因素、影響韌窩形貌的因素1 1、概述、概述1、特點：、特點：料斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形。也可料斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形。也可以說塑性變形是韌斷的前奏，而韌斷是大量塑以說塑性變形是韌斷的前奏，而韌斷是大量塑性變形的結(jié)果。性變形的結(jié)果。2、過程：、過程：顯微空洞形成、擴(kuò)展、連接、斷裂顯微空洞形成、擴(kuò)展、連接、斷裂3、類型：、類型： 微孔聚集型微孔聚集型 純剪切型純剪切型2 2、韌性斷裂的斷口形貌特征、韌性斷裂的斷口形貌特征一、宏觀形貌特征一、宏觀形貌特

2、征 纖維區(qū)、剪切唇纖維區(qū)、剪切唇二、微觀形貌特征二、微觀形貌特征 韌窩花樣（斷面上覆蓋著大量韌窩花樣（斷面上覆蓋著大量微坑微坑） 韌窩類型：韌窩類型：等軸韌窩等軸韌窩 拋物線韌窩拋物線韌窩 卵形韌窩卵形韌窩 等等 軸軸 韌韌 窩窩拋物線韌窩拋物線韌窩 卵卵 型型 韌韌 窩窩3 3、韌窩形成機(jī)理、韌窩形成機(jī)理4 4、影響韌窩形貌的因素、影響韌窩形貌的因素1、夾雜物或第二相粒子、夾雜物或第二相粒子 尺寸較小，且分布密集尺寸較小，且分布密集 促進(jìn)韌窩成核，形成小而多的韌窩花樣促進(jìn)韌窩成核，形成小而多的韌窩花樣 尺寸較大，且分布變化不大尺寸較大，且分布變化不大促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，形成較大的韌窩花樣促進(jìn)裂紋擴(kuò)

3、展，形成較大的韌窩花樣2、基體材料的韌性、基體材料的韌性 韌性差、塑性變形能力差，韌窩尺寸較小、較淺韌性差、塑性變形能力差，韌窩尺寸較小、較淺3、試驗溫度、試驗溫度 t、有利于韌窩的成核與擴(kuò)展，韌窩寬度和深度增加、有利于韌窩的成核與擴(kuò)展，韌窩寬度和深度增加4、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài) 拉應(yīng)力、切應(yīng)力、撕裂應(yīng)力拉應(yīng)力、切應(yīng)力、撕裂應(yīng)力應(yīng)應(yīng) 力力 狀狀 態(tài)態(tài)第三章第三章 解理斷裂解理斷裂1、概述、概述2、解理斷口形貌特征及形成機(jī)理、解理斷口形貌特征及形成機(jī)理3、影響解理斷裂的因素、影響解理斷裂的因素4、準(zhǔn)解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂1 1、概述、概述1、定義、定義 正應(yīng)力、解理面、穿晶脆斷正應(yīng)力、解理面、穿晶脆

4、斷2、發(fā)生條件、發(fā)生條件 一般均在一般均在bcc、hcp金屬中發(fā)生，而金屬中發(fā)生，而fcc只在特殊情只在特殊情 況下才發(fā)生，如腐蝕環(huán)境、材質(zhì)較差時。況下才發(fā)生，如腐蝕環(huán)境、材質(zhì)較差時。2 2、解理斷口形貌特征、解理斷口形貌特征一、宏觀形貌特征一、宏觀形貌特征 1、放射狀條紋、放射狀條紋 2、人字紋、人字紋 3、小刻面（、小刻面（facet）：）：發(fā)亮的小晶面發(fā)亮的小晶面 解理斷口上的結(jié)晶面解理斷口上的結(jié)晶面 宏觀上呈無規(guī)則取向宏觀上呈無規(guī)則取向 強(qiáng)光下可見到閃閃發(fā)光的特征強(qiáng)光下可見到閃閃發(fā)光的特征 解理斷口是由許多小刻面組成的，每個小刻解理斷口是由許多小刻面組成的，每個小刻 面代表一個晶粒面代

5、表一個晶粒 小小 刻刻 面面 放射條紋放射條紋人字紋人字紋二、微觀形貌特征及形成機(jī)理二、微觀形貌特征及形成機(jī)理 特征：特征： 扇形花樣扇形花樣 解理臺階（解理臺階（cleavage step） 河流花樣（河流花樣（river pattern） 舌狀花樣（舌狀花樣（tongue pattern） 青魚骨花樣（青魚骨花樣（spine pattern） 瓦納線（瓦納線（wallner line） 扇形花樣扇形花樣河流花樣河流花樣舌舌 狀狀 花花 樣樣 青魚骨花樣青魚骨花樣 瓦納線瓦納線（二）形成機(jī)理（模型）二）形成機(jī)理（模型）1、解理臺階 解理裂紋與螺位錯交截形成臺階解理裂紋與螺位錯交截形成臺階臺階

6、形成過程的簡化圖臺階形成過程的簡化圖通過二次解理或撕裂相互連接形成臺階（撕裂棱）通過二次解理或撕裂相互連接形成臺階（撕裂棱）臺階的性質(zhì)臺階的性質(zhì)臺階在擴(kuò)展過程中會發(fā)生臺階在擴(kuò)展過程中會發(fā)生合并或消失（臺階高度減小）合并或消失（臺階高度減?。┫嗤较虻呐_階合并后高度增加相同方向的臺階合并后高度增加相反方向的臺階合并后高度減小或消失相反方向的臺階合并后高度減小或消失臺階高度與柏氏矢量大小、位錯密度之間存在一定關(guān)系臺階高度與柏氏矢量大小、位錯密度之間存在一定關(guān)系 hb n 1/22、河流花樣、河流花樣定義：定義：解理臺階及局部塑性變形形成的撕裂脊線所組合的解理臺階及局部塑性變形形成的撕裂脊線所組合的

7、 條紋。其形狀類似地圖上的河流。條紋。其形狀類似地圖上的河流。形成機(jī)理：河流花樣實際上就是解理臺階的一種標(biāo)志形成機(jī)理：河流花樣實際上就是解理臺階的一種標(biāo)志。當(dāng)。當(dāng) 裂紋擴(kuò)展時，同號臺階匯合成較大的臺階，而裂紋擴(kuò)展時，同號臺階匯合成較大的臺階，而 較大的臺階又匯合成更大的臺階，其結(jié)果就形較大的臺階又匯合成更大的臺階，其結(jié)果就形 成河流花樣。成河流花樣。影響因素：影響因素：小角度晶界小角度晶界：傾斜晶界傾斜晶界影響不大，延伸至相鄰晶粒影響不大，延伸至相鄰晶粒 扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界在亞晶界出產(chǎn)生新的裂紋，河流激增在亞晶界出產(chǎn)生新的裂紋，河流激增大角度晶界大角度晶界：河流不能通過，在晶界出產(chǎn)生新的裂紋，向

8、外擴(kuò)展河流不能通過，在晶界出產(chǎn)生新的裂紋，向外擴(kuò)展 ， 形成扇形花樣形成扇形花樣大角度晶界，扇形花樣大角度晶界，扇形花樣3、舌狀花樣、舌狀花樣特點：特點：形狀象形狀象“舌頭舌頭”，一般在鋼鐵材料中，一般在鋼鐵材料中成組出成組出現(xiàn)現(xiàn)。形成機(jī)理：形成機(jī)理：解理裂紋沿著孿晶面解理裂紋沿著孿晶面112產(chǎn)生產(chǎn)生二次解理二次解理及局部塑性變及局部塑性變形形撕裂撕裂的結(jié)果。在的結(jié)果。在低溫、高速低溫、高速變形時容易發(fā)生孿生變形，變形時容易發(fā)生孿生變形，也就容易出現(xiàn)舌狀花樣。也就容易出現(xiàn)舌狀花樣。青魚骨花樣、瓦納線青魚骨花樣、瓦納線3 3、影響解理斷裂的因素、影響解理斷裂的因素1、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu) bcc、

9、hcp易發(fā)生解理斷裂易發(fā)生解理斷裂 fcc不易發(fā)生解理斷裂不易發(fā)生解理斷裂2、顯微組織、顯微組織 f斷口較光滑，微觀呈河流條紋或舌狀花樣斷口較光滑，微觀呈河流條紋或舌狀花樣 p斷口呈不連續(xù)片層狀斷口呈不連續(xù)片層狀 m斷口呈鋸齒狀，出現(xiàn)小刻面斷口呈鋸齒狀，出現(xiàn)小刻面3 3、溫度、溫度 t，易導(dǎo)致解理斷裂，易導(dǎo)致解理斷裂 ttc，晶體在塑性變形前產(chǎn)生解理裂紋，斷口呈現(xiàn)脆性，晶體在塑性變形前產(chǎn)生解理裂紋，斷口呈現(xiàn)脆性 ttc，晶體先發(fā)生塑變，后產(chǎn)生解理，即斷裂時伴隨一定的塑性變形，晶體先發(fā)生塑變，后產(chǎn)生解理，即斷裂時伴隨一定的塑性變形4 4、加載速度、加載速度 v，易發(fā)生解理斷裂，易發(fā)生解理斷裂4

10、4、準(zhǔn)解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂與解理相比，準(zhǔn)解理斷裂的特征：與解理相比，準(zhǔn)解理斷裂的特征：準(zhǔn)解理裂紋源常在準(zhǔn)解理平面的準(zhǔn)解理裂紋源常在準(zhǔn)解理平面的內(nèi)部內(nèi)部形成，而解理裂紋源在解理面形成，而解理裂紋源在解理面 邊界（晶界）邊界（晶界）形成形成準(zhǔn)解理裂紋擴(kuò)展路徑比解理裂紋要不連續(xù)得多，常在準(zhǔn)解理裂紋擴(kuò)展路徑比解理裂紋要不連續(xù)得多，常在局部地方形成局部地方形成 并并局部擴(kuò)展局部擴(kuò)展準(zhǔn)解理包含更多的撕裂準(zhǔn)解理包含更多的撕裂準(zhǔn)解理面的位向并不如鐵素體基體的解理面準(zhǔn)解理面的位向并不如鐵素體基體的解理面100嚴(yán)格對應(yīng)，嚴(yán)格對應(yīng)，不不 存在確定的位向關(guān)系存在確定的位向關(guān)系準(zhǔn)解理裂紋形成機(jī)理示意圖準(zhǔn)解理裂紋形成機(jī)理

11、示意圖準(zhǔn)解理斷口形貌準(zhǔn)解理斷口形貌準(zhǔn)解理斷口形貌準(zhǔn)解理斷口形貌第四章 沿晶斷裂1、定義：、定義：材料沿晶界（原奧氏體晶界、相界、焊合界面）材料沿晶界（原奧氏體晶界、相界、焊合界面） 發(fā)生的斷裂。發(fā)生的斷裂。2、類型：、類型：韌性沿晶斷裂（韌性沿晶斷裂（沿晶韌斷沿晶韌斷） 脆性沿晶斷裂（脆性沿晶斷裂（沿晶脆斷沿晶脆斷）3、產(chǎn)生原因脆性沉淀相沿晶界析出脆性沉淀相沿晶界析出：鋼中的碳化物：鋼中的碳化物 al-li合金中的合金中的（alli）相）相晶界弱化晶界弱化：雜質(zhì)：雜質(zhì)na、s、p等的晶界偏析等的晶界偏析 合金鋼中的高溫回火脆性合金鋼中的高溫回火脆性環(huán)境環(huán)境：scc、氫脆、蠕變、氫脆、蠕變熱應(yīng)力

12、熱應(yīng)力：焊接材料的：焊接材料的haz晶粒粗大晶粒粗大！4 4、斷口形貌特征、斷口形貌特征 宏觀斷口：宏觀斷口：結(jié)晶狀形貌結(jié)晶狀形貌 冰糖塊狀（晶粒粗大）冰糖塊狀（晶粒粗大） 灰色的石狀灰色的石狀結(jié)晶狀斷口結(jié)晶狀斷口石狀斷口石狀斷口微觀斷口：微觀斷口：多邊形圖象（晶粒外形輪廓）多邊形圖象（晶粒外形輪廓） 冰糖狀形貌冰糖狀形貌例例1：一批鍛件毛坯在抽樣檢驗時，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度與斷面收縮一批鍛件毛坯在抽樣檢驗時，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度與斷面收縮率均不滿足要求，檢驗人員根據(jù)斷口特征決定采用率均不滿足要求，檢驗人員根據(jù)斷口特征決定采用正火正火處理，再檢驗性能全部合格。試問：處理，再檢驗性能全部合格。試問：1、檢驗人員看到斷口有何特征？、檢驗人員看到斷口有何特征？2、產(chǎn)生的原因是什么？、產(chǎn)生的原因是什么？3、正火后為什么強(qiáng)度和塑性均有提高？、正火后為什么強(qiáng)度和塑性均有提高？例例2：在什么條件下易出現(xiàn)沿晶斷裂？怎樣防止沿晶斷裂？在什么條件下易出現(xiàn)沿晶斷裂？怎樣防止沿晶斷裂？例例1：1、結(jié)晶狀脆性斷口（過熱脆性結(jié)晶狀斷口）、結(jié)晶狀脆性斷口（過熱脆性結(jié)晶狀斷口）2、產(chǎn)生原因：、產(chǎn)生原因： 鍛造溫度過高，使原奧氏體晶粒過分粗大。鍛造溫度過高，使原奧氏體晶粒過分粗大。 壓下量不足，終鍛溫度過高，晶粒破碎不夠，而再壓下量不足，終鍛溫度