材料斷口(前言、第一章)

1、1材料斷口分析材料斷口分析Fracture and Fractography潘潘 清清 林林中南大學(xué)材料學(xué)院中南大學(xué)材料學(xué)院2斷斷 裂裂 現(xiàn)現(xiàn) 象象34567送檢的爆裂金屬件殘骸（燃燒室內(nèi)腔）送檢的爆裂金屬件殘?。ㄈ紵覂?nèi)腔） 燃燒室燃燒室復(fù)原形貌復(fù)原形貌 1011121314151617181920212223242526272829概概 述述一、基本概念一、基本概念斷裂：斷裂：材料在特定條件（材料在特定條件（、T、介質(zhì)）下分成兩個或、介質(zhì)）下分成兩個或 幾個部分的現(xiàn)象。幾個部分的現(xiàn)象。 或具有有限面積的幾何表面發(fā)生或具有有限面積的幾何表面發(fā)生 分離的過程。分離的過程。斷口：斷口：斷裂后的自

2、由表面或橫截面。斷裂后的自由表面或橫截面。斷裂與斷口的關(guān)系：斷裂與斷口的關(guān)系：1. 斷裂是裂紋萌生和擴(kuò)展的過程；斷口是裂紋所掃過的斷裂是裂紋萌生和擴(kuò)展的過程；斷口是裂紋所掃過的 面積。面積。2. 斷裂是斷裂是動態(tài)動態(tài)的變化過程；斷口是斷裂的的變化過程；斷口是斷裂的靜態(tài)靜態(tài)反映。反映。30斷口分析：斷口分析：對斷口形貌（宏觀、微觀）進(jìn)行分析研究的對斷口形貌（宏觀、微觀）進(jìn)行分析研究的 方法。或稱為方法?；蚍Q為斷口學(xué)（斷口學(xué)（Fractography）。它是。它是 研究材料斷口形貌、斷裂原因與斷裂機(jī)理之研究材料斷口形貌、斷裂原因與斷裂機(jī)理之 間關(guān)系的一門科學(xué)。間關(guān)系的一門科學(xué)。斷口忠實地記錄了斷裂

3、的動態(tài)變化過程斷口忠實地記錄了斷裂的動態(tài)變化過程，如果對其形貌，如果對其形貌特征進(jìn)行全面的分析研究，就可以了解斷裂的全過程，特征進(jìn)行全面的分析研究，就可以了解斷裂的全過程，這樣就將一個復(fù)雜的這樣就將一個復(fù)雜的動態(tài)問題動態(tài)問題斷裂，簡化為用斷裂，簡化為用靜態(tài)靜態(tài)方法方法斷口分析來研究。斷口分析來研究。31二、學(xué)習(xí)本門課程的目的與意義二、學(xué)習(xí)本門課程的目的與意義目的目的：尋找斷裂原因；：尋找斷裂原因； 分析研究斷裂機(jī)理；分析研究斷裂機(jī)理； 提出有效的改進(jìn)措施。提出有效的改進(jìn)措施。意義：意義：防止事故發(fā)生，減少損失；防止事故發(fā)生，減少損失； 提出改進(jìn)方法和預(yù)防措施，提高產(chǎn)品使用壽命。提出改進(jìn)方法和預(yù)

4、防措施，提高產(chǎn)品使用壽命。32三、主要內(nèi)容三、主要內(nèi)容1.金屬斷裂（類型、過程、機(jī)理、形貌特征、實例）金屬斷裂（類型、過程、機(jī)理、形貌特征、實例）2.斷口分析方法和技術(shù)斷口分析方法和技術(shù)3.斷裂失效分析斷裂失效分析具體分八章：具體分八章：1.金屬的斷裂（類型、斷口三要素、過程、斷裂強(qiáng)度）金屬的斷裂（類型、斷口三要素、過程、斷裂強(qiáng)度）2.韌性斷裂（滑移分離）韌性斷裂（滑移分離）3.解理斷裂（準(zhǔn)解理斷裂）解理斷裂（準(zhǔn)解理斷裂）4.沿晶斷裂沿晶斷裂5.環(huán)境斷裂（環(huán)境斷裂（SCC、氫脆、蠕變等）、氫脆、蠕變等）6.疲勞斷裂疲勞斷裂7.工程實際斷裂分析（材料加工、工程實際斷裂分析（材料加工、P/M）8.

5、斷口分析技術(shù)斷口分析技術(shù)33四、教學(xué)方法、教材與參考書四、教學(xué)方法、教材與參考書教學(xué)方法教學(xué)方法：講授與自學(xué)相結(jié)合：講授與自學(xué)相結(jié)合教材教材：崔約賢編著：崔約賢編著：金屬斷口分析金屬斷口分析，哈工大出版社，哈工大出版社，1998參考書參考書：上交大，：上交大， 金屬斷口分析金屬斷口分析，國防工業(yè)出版社，國防工業(yè)出版社，1979 哈寬富著，哈寬富著， 斷裂物理基礎(chǔ)斷裂物理基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，2000 鐘群鵬編著，鐘群鵬編著，斷口學(xué)斷口學(xué)，高等教育出版社，高等教育出版社，2006 金屬損傷圖譜（金屬損傷圖譜（An Atlas of Metals Damage)34 第一章第一章 金屬的斷

6、裂金屬的斷裂 1 斷裂分類斷裂分類 2 斷口三要素斷口三要素 3 斷裂過程斷裂過程 4 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度351 1 斷裂分類斷裂分類1.斷裂性質(zhì)斷裂性質(zhì) 塑性斷裂塑性斷裂：斷裂前發(fā)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色纖維狀斷裂前發(fā)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色纖維狀 脆性斷裂脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口為光亮的結(jié)晶狀，斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口為光亮的結(jié)晶狀， 較平整較平整 一般地：斷面收縮率一般地：斷面收縮率2-5%稱之為脆斷，這種材料稱為脆性材稱之為脆斷，這種材料稱為脆性材 料，反之成為韌性材料。料，反之成為韌性材料。 脆斷是一種脆斷是一種突發(fā)性突發(fā)性斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生明顯

7、的塑性變形，斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生明顯的塑性變形， 沒有明顯的征兆，因而危害性很大。沒有明顯的征兆，因而危害性很大。36脆斷的特點：脆斷的特點：1.斷裂時承受的工作應(yīng)力很低，一般低于斷裂時承受的工作應(yīng)力很低，一般低于0.22.裂紋源總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始裂紋源總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始3.T，脆斷傾向，脆斷傾向4.斷口平齊、光亮，且與正應(yīng)力垂直，斷口上常斷口平齊、光亮，且與正應(yīng)力垂直，斷口上常 呈呈人字紋人字紋或或放射性放射性花樣花樣372 2、斷裂路徑、斷裂路徑沿晶斷裂沿晶斷裂：裂紋萌生和發(fā)展是在晶界處發(fā)生的過程裂紋萌生和發(fā)展是在晶界處發(fā)生的過程穿晶斷裂穿晶斷裂：裂紋萌生和發(fā)展是在晶粒

8、內(nèi)部處發(fā)生的過程裂紋萌生和發(fā)展是在晶粒內(nèi)部處發(fā)生的過程穿晶斷裂穿晶斷裂可以是韌性的（微孔聚集型斷裂），也可以是脆性的（解理可以是韌性的（微孔聚集型斷裂），也可以是脆性的（解理 斷裂、穿晶應(yīng)力腐蝕斷裂）斷裂、穿晶應(yīng)力腐蝕斷裂）沿晶斷裂沿晶斷裂多為脆斷（氫脆斷裂），少數(shù)為韌性斷裂（高溫蠕變斷裂）多為脆斷（氫脆斷裂），少數(shù)為韌性斷裂（高溫蠕變斷裂）383 3、斷裂方式、斷裂方式正斷正斷：斷裂的宏觀表面垂直于斷裂的宏觀表面垂直于max方向，斷口較平方向，斷口較平 整。電子圖象可能出現(xiàn)韌窩花樣、河流花樣整。電子圖象可能出現(xiàn)韌窩花樣、河流花樣切斷切斷：斷裂宏觀表面平行于斷裂宏觀表面平行于max方向。方向。

9、 斷口宏觀形貌為拋物線狀的韌窩花樣斷口宏觀形貌為拋物線狀的韌窩花樣394.4.斷裂機(jī)理斷裂機(jī)理 韌窩斷裂（韌窩斷裂（dimple fracture) 解理斷裂（解理斷裂（cleavage fracture) 疲勞斷裂（疲勞斷裂（fatigue fracture) 環(huán)境斷裂（蠕變、環(huán)境斷裂（蠕變、SCC、氫脆）、氫脆）解理斷裂解理斷裂：這是一種在這是一種在正應(yīng)力正應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的作用下所產(chǎn)生的穿晶斷裂穿晶斷裂，通常斷裂面是嚴(yán)格，通常斷裂面是嚴(yán)格 沿一定的晶面（沿一定的晶面（解理面解理面）而分離。）而分離。 bcc、hcp在低溫、沖擊載荷作用下常發(fā)生解理斷裂在低溫、沖擊載荷作用下常發(fā)生解理斷裂注

10、意：通常解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂注意：通常解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂40剪切斷裂：剪切斷裂：在切應(yīng)力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑在切應(yīng)力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑 移面分離的斷裂。它包括：移面分離的斷裂。它包括：滑斷（純剪切型斷裂）滑斷（純剪切型斷裂）純金屬、單晶體金屬。斷口呈鋒利楔形或刀尖形純金屬、單晶體金屬。斷口呈鋒利楔形或刀尖形微孔聚集型斷裂微孔聚集型斷裂大多數(shù)鋼鐵材料、有色金屬材料大多數(shù)鋼鐵材料、有色金屬材料415.5.其它其它應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)：靜載斷裂（拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)）靜載斷裂（拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)） 動載斷裂（沖擊、疲勞）動載斷裂（

11、沖擊、疲勞）裂紋擴(kuò)展速度裂紋擴(kuò)展速度：快速斷裂（拉伸、沖擊）快速斷裂（拉伸、沖擊） 緩慢斷裂（疲勞）緩慢斷裂（疲勞） 延遲斷裂（延遲斷裂（SCC、氫脆）、氫脆）斷裂能量斷裂能量：低能斷裂（結(jié)晶學(xué)斷裂）低能斷裂（結(jié)晶學(xué)斷裂） 中能斷裂中能斷裂 高能斷裂（非結(jié)晶學(xué)斷裂）高能斷裂（非結(jié)晶學(xué)斷裂）422 2 斷口三要素斷口三要素一、斷口三要素的內(nèi)容與特點一、斷口三要素的內(nèi)容與特點光滑園柱形試樣的拉伸變形過程：光滑園柱形試樣的拉伸變形過程：均勻變形均勻變形縮頸縮頸斷裂（杯錐狀斷口）斷裂（杯錐狀斷口）cup and cone43斷口三要素斷口三要素44三要素：纖維狀區(qū)（纖維狀區(qū)（fibrous zone）

12、;放射狀區(qū)（放射狀區(qū)（radial zone）;剪切唇區(qū)（剪切唇區(qū)（shear lip）纖維區(qū)纖維區(qū)：位于斷口中央，與外加應(yīng)力垂直，呈粗糙的纖維狀園環(huán)形花樣；位于斷口中央，與外加應(yīng)力垂直，呈粗糙的纖維狀園環(huán)形花樣； 暗灰色，?？捎^察到顯微空洞和鋸齒狀；暗灰色，?？捎^察到顯微空洞和鋸齒狀； 其底部晶粒被拉長象纖維一樣，為裂紋萌生區(qū)其底部晶粒被拉長象纖維一樣，為裂紋萌生區(qū)放射區(qū)放射區(qū)：具有放射花樣特征（脆斷特征）具有放射花樣特征（脆斷特征） 放射線的發(fā)散或收斂方向為裂紋擴(kuò)展方向放射線的發(fā)散或收斂方向為裂紋擴(kuò)展方向 纖維區(qū)與放射區(qū)交界線標(biāo)志著裂紋由穩(wěn)定纖維區(qū)與放射區(qū)交界線標(biāo)志著裂紋由穩(wěn)定 擴(kuò)展向快速

13、擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展的轉(zhuǎn)化）擴(kuò)展向快速擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展的轉(zhuǎn)化）剪切唇剪切唇：表面較光滑，與拉應(yīng)力方向呈表面較光滑，與拉應(yīng)力方向呈45 切斷區(qū)域，有金屬光澤，呈灰色鵝毛狀切斷區(qū)域，有金屬光澤，呈灰色鵝毛狀45二、斷口三要素的分布類型二、斷口三要素的分布類型F、R、SF、S160光滑園柱拉伸試樣斷口光滑園柱拉伸試樣斷口R、S低合金鋼在低合金鋼在160條件拉伸或沖擊斷口條件拉伸或沖擊斷口S純剪切型斷口或薄板拉伸斷口純剪切型斷口或薄板拉伸斷口46三、影響因素三、影響因素1.試驗溫度試驗溫度 T ， F S R2.試樣尺寸試樣尺寸 t，F(xiàn) S R3.試樣形狀試樣形狀試試 樣樣 形形 狀狀47四、斷口三要素的應(yīng)用

14、四、斷口三要素的應(yīng)用 根據(jù)斷口三要素可以判斷裂紋源的位置及宏觀裂紋擴(kuò)展方向根據(jù)斷口三要素可以判斷裂紋源的位置及宏觀裂紋擴(kuò)展方向裂紋源的確定：裂紋源的確定：利用纖維區(qū)，通常情況裂源位于纖維區(qū)的中心部位，因此找到纖維利用纖維區(qū)，通常情況裂源位于纖維區(qū)的中心部位，因此找到纖維 區(qū)的位置就找到了裂源的位置；區(qū)的位置就找到了裂源的位置；利用放射區(qū)形貌特征，一般情況下，放射條紋的收斂處為裂源位利用放射區(qū)形貌特征，一般情況下，放射條紋的收斂處為裂源位 置；置；根據(jù)剪切唇形貌特征來判斷，通常情況下裂紋處無剪切唇形貌特根據(jù)剪切唇形貌特征來判斷，通常情況下裂紋處無剪切唇形貌特 征，征， 而裂源在材料表面上萌生。而

15、裂源在材料表面上萌生。48裂紋擴(kuò)展方向的確定：裂紋擴(kuò)展方向的確定：纖維區(qū)指向剪切唇纖維區(qū)指向剪切唇放射條紋的發(fā)散方向放射條紋的發(fā)散方向板狀樣呈現(xiàn)板狀樣呈現(xiàn)人字紋（人字紋（chevron pattern） 其反方向為其反方向為 源擴(kuò)展方向源擴(kuò)展方向49 3 3 斷裂過程斷裂過程 裂紋形成裂紋形成 裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展：亞穩(wěn)擴(kuò)展（亞臨界擴(kuò)展階段）：亞穩(wěn)擴(kuò)展（亞臨界擴(kuò)展階段） 失穩(wěn)擴(kuò)展失穩(wěn)擴(kuò)展50 裂紋形成的位錯理論裂紋形成的位錯理論 （裂紋形成模型或機(jī)制）（裂紋形成模型或機(jī)制）1.位錯塞積理論位錯塞積理論stroh理論理論2.位錯反應(yīng)理論位錯反應(yīng)理論cottrel理論理論3.位錯墻側(cè)移理論位錯墻側(cè)移理

16、論4.位錯交滑移成核理論位錯交滑移成核理論5.同號刃位錯聚集成核理論同號刃位錯聚集成核理論51問題：問題：裂紋形成只與外加切應(yīng)力有關(guān)，而與應(yīng)力裂紋形成只與外加切應(yīng)力有關(guān)，而與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，與實際不符；狀態(tài)無關(guān)，與實際不符；未考慮第二相粒子的影響。未考慮第二相粒子的影響。位錯塞積理論位錯塞積理論strohstroh理論理論位錯在運(yùn)動過程中，遇到了障礙（如晶界、位錯在運(yùn)動過程中，遇到了障礙（如晶界、相界面等）而被塞積，在位錯塞積群前端就相界面等）而被塞積，在位錯塞積群前端就會引起應(yīng)力集中。塞積位錯越多，應(yīng)力集中會引起應(yīng)力集中。塞積位錯越多，應(yīng)力集中程度越大。當(dāng)此應(yīng)力大于界面結(jié)合力或脆性程度越大。當(dāng)

17、此應(yīng)力大于界面結(jié)合力或脆性第二相或夾雜物本身的結(jié)合力時，就會在界第二相或夾雜物本身的結(jié)合力時，就會在界面或脆性相中形成裂紋核面或脆性相中形成裂紋核 。52問題：問題：未考慮材料中的第二相粒子，因它們未考慮材料中的第二相粒子，因它們 的形狀和分布影響斷裂性質(zhì)的形狀和分布影響斷裂性質(zhì)位錯反應(yīng)理論位錯反應(yīng)理論cottrelcottrel理論理論如圖所示，在相交的滑移面上，如圖所示，在相交的滑移面上，由于位錯反應(yīng)發(fā)生了同號位錯的由于位錯反應(yīng)發(fā)生了同號位錯的聚合，便形成了微裂紋。在體心聚合，便形成了微裂紋。在體心立方中，兩位錯相遇反應(yīng)的結(jié)果，立方中，兩位錯相遇反應(yīng)的結(jié)果，可在解理面上形成不易滑移的可在解

18、理面上形成不易滑移的001001刃型位錯，刃型位錯的合并刃型位錯，刃型位錯的合并即是體心立方的解理面（即是體心立方的解理面（001001）面）面上形成解理裂紋。上形成解理裂紋。 53位錯墻側(cè)移理論位錯墻側(cè)移理論 由于刃型位錯的垂直排列構(gòu)成了位錯墻，同由于刃型位錯的垂直排列構(gòu)成了位錯墻，同時引起滑移面的彎折而使裂口形核，裂口面將是時引起滑移面的彎折而使裂口形核，裂口面將是和滑移面重合。密排六方金屬沿滑移面斷裂的原和滑移面重合。密排六方金屬沿滑移面斷裂的原因正是這一理論。因正是這一理論。 位錯消毀理論位錯消毀理論 在外力作用下位錯發(fā)生相對運(yùn)動，若兩個相距為在外力作用下位錯發(fā)生相對運(yùn)動，若兩個相距為h10ha0，因此，因此mcGriffith 公式的物理意義公式的物理意義：裂紋尖端引起的應(yīng)力集中相當(dāng)于將外力放大裂紋尖端引起的應(yīng)力集中相當(dāng)于將外力放大 倍，使局部地倍，使局部地區(qū)達(dá)到區(qū)達(dá)到m而導(dǎo)致斷裂。而導(dǎo)致斷裂。1/20aa673.Griffith理論優(yōu)缺點：理論優(yōu)缺點： Griffith公式只適用公式只適用脆性材料脆性材料，如玻璃，金剛石，如玻璃，金剛石，超高強(qiáng)鋼等，也就是只適用于那些裂紋尖端塑性變超高強(qiáng)鋼等，也就是只適