金屬斷口機理及分析

1、名詞解釋延性斷裂：金屬材料在過載負荷的作用下，局部發(fā)生明顯的宏觀塑性變形后斷裂。蠕變：金屬長時間在恒應力，恒溫作用下，慢慢產生塑性變形的現(xiàn)象。準解理斷裂：斷口形態(tài)與解理斷口相似，但具有較大塑性變形（變形量大于解理斷裂、小于延性斷裂）是一種脆性穿晶斷口沿晶斷裂：裂紋沿著晶界擴展的方式發(fā)生的斷裂。解理斷裂：在正應力作用下沿解理面發(fā)生的穿晶脆斷。應力腐蝕斷裂：拉應力和腐蝕介質聯(lián)合作用的低應力脆斷疲勞輝紋：顯微觀察疲勞斷口時，斷口上細小的，相互平行的具有規(guī)則間距的，與裂紋擴展方向垂直的顯微條紋。正斷：斷面取向與最大正應力相垂直（解理斷裂、平面應變條件下的斷裂）韌性：材料從變形到斷裂過程中吸收能量的大小

2、，是材料強度和塑性的綜合反映。沖擊韌性：沖擊過程中材料吸收的功除以斷的面積。位向腐蝕坑技術：利用材料腐蝕后的幾何形狀與晶面指數(shù)之間的關系研究晶體取向，分析斷裂機理或斷裂過程。河流花樣：解理臺階及局部塑性變形形成的撕裂脊線所組成的條紋。其形狀類似地圖上的河流。斷口萃取復型：利用AC紙將斷口上夾雜物或第二相質點萃取下來做電子衍射分析確定這些質點的晶體結構。氫脆：金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的低應力脆斷。卵形韌窩：大韌窩在長大過程中與小韌窩交截產生的。等軸韌窩：拉伸正應力作用下形成的圓形微坑。 均勻分布于斷口表面，顯微洞孔沿空間三維方向均勻長大。第一章斷裂的分類及特點 1.根據(jù)宏觀現(xiàn)象分：脆

3、性斷裂和延伸斷裂。脆性斷裂裂紋源：材料表面、內部的缺陷、微裂紋；斷口：平齊、與正應力相垂直 ，人字紋或放射花紋。延性斷裂裂紋源：孔穴的形成和合并;斷口：三區(qū)，無光澤的纖維狀，剪切面斷裂、與拉伸軸線成45º .2.根據(jù)斷裂擴展途分：穿晶斷裂與沿晶斷裂。穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內部、可能為脆性斷裂也可 能是延性斷裂；沿晶斷裂：裂紋沿著晶界擴展，多屬脆斷。應力腐蝕斷口，氫脆斷口。 3根據(jù)微觀斷裂的機制上分：韌窩、解理（及準解理）、沿晶和疲勞斷裂4根據(jù)斷面的宏觀取向與最大正應力的交角分：正斷、切斷正斷：斷面取向與最大正應力相垂直（解理斷裂、平面應變條件下的斷裂）切斷：斷面取向與最大切應力相一致

4、，與最大應力成45º交角（平面應力條件下的撕裂）根據(jù)裂紋尖端應力分布的不同，主要可分為三類裂紋變形：裂紋張開型、邊緣滑開型（正向滑開型）、側向滑開型（撒開型）裂紋尺寸與斷裂強度的關系Kic：材料的斷裂韌性，反映材料抗脆性斷裂的物理常量（不同于應力強度因子，與K準則相似） ：斷裂應力（剩余強度） a ：裂紋深度（長度）Y：形狀系數(shù)（與試樣幾何形狀、載荷條件、裂紋位置有關）脆性材料K準則：KI是由載荷及裂紋體的形狀和尺寸決定的量，是表征裂紋尖端應力場強度的計算量；KIC是材料固有的機械性能參量，是表示材料抵抗脆斷能力的試驗量第二章裂紋源位置的判別方法：T型法（脆斷判別主裂紋），分差法（脆

5、斷判別主裂紋），變形法（韌斷判別主裂紋），氧化法（環(huán)境斷裂判別主裂紋），貝紋線法（適用于疲勞斷裂判別主裂紋）。斷口的試樣制備：截取，清洗，保存。斷口分析技術設備：1.宏觀斷口分析技術（用肉眼，放大鏡，低倍率光學顯微鏡觀察分析）2.光學顯微斷口分析（掃描電子顯微鏡光學顯微鏡，透射電子顯微鏡），3.電鏡斷口分析。第三章延性斷裂：1特點：材料斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，也可以說塑性變形是韌斷的前奏，而韌斷是大量塑性變形的結果。2. 過程：顯微空洞形成，擴展，連接，斷裂。3類型：韌窩-微孔聚集型斷裂、滑移分離斷裂。 韌窩斷口的宏觀和微觀形貌特征：1宏觀形貌特征 （1）纖維區(qū)：a.表面顏色灰暗，無金屬光澤

6、b.粗糙不平c.無數(shù)纖維狀小峰組成，小峰的小斜面和拉伸軸線大約成45度角（2）放射區(qū)（3）剪切唇:和拉伸軸線大約成45度角注意：塑性較高材料的沖擊斷口一般具有兩個纖維區(qū)2微觀形貌特征：大小不等的圓形或橢圓形的凹坑（即韌窩）。韌窩內一般可看到夾雜物或者第二相粒子。注意：并非每個韌窩都包含一個夾雜物或粒子韌窩的形狀等軸韌窩（拉伸正應力，圓形微坑，均勻分布于斷口表面）剪切韌窩（剪切應力，拋物線形狀，通常出現(xiàn)的位置：拉伸、沖擊斷口的剪切唇部位）撕裂韌窩（撕裂應力，拋物線形狀）卵形韌窩（卵形）剪切韌窩與撕裂韌窩微觀形狀無區(qū)別，怎么區(qū)分？對材料斷口的兩個表面進行作對比研究：韌窩凸向一致為撕裂韌窩；反之為剪

7、切韌窩韌窩裂紋的萌生與擴展（以拉伸正應力為例）1.韌窩裂紋的萌生 應力超過材料的屈服強度發(fā)生塑性變形變形部位產生三向應力狀態(tài)在沉淀相、夾雜物與金屬界面處分離產生微孔，或夾雜物本身破碎形成裂紋，或滑移位錯塞積產生孔洞2.韌窩裂紋的擴展（1）內頸縮擴展：質點大小、分布均勻，韌窩在多處形核（裂紋萌生），隨變形增加，微孔壁變薄，以撕裂方式連接（2）剪切擴展：材料中具有較多夾雜物，同時具有細小析出相時，微孔之間可能以剪切方式相連接。注意：內頸縮擴展與剪切擴展在同一韌窩斷口上可能同時發(fā)生。影響韌窩的形貌因素：夾雜物或第二相粒子，基體材料的韌性，試驗溫度，應力狀態(tài)。第四章解理斷口宏觀和微觀形貌特征：1宏觀形

8、貌特征：放射狀條紋，人字紋，小刻面（發(fā)亮的小晶面）2微觀形貌特征：河流花樣、舌狀花樣、扇形花樣、魚骨狀花樣、瓦納線、解理臺階解理臺階的形成：（1）解理裂紋與螺位錯交截形成臺階（2）二次解理或撕裂相互連接形成臺階解理臺階的性質：1. 臺階擴展過程中會發(fā)生合并或消失（臺階高度減?。?. 相同方向的臺階合并后高度增加3. 相反方向的臺階合并后高度減少或消失4. 臺階高度與柏氏矢量大小、位錯密度之間有一定關系河流花樣：1形成機理：河流花樣實際上是解理臺階的一種標志。當裂紋擴展時，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，其結果就形成河流花樣。2起源：（1）晶界、亞晶界、孿晶界（2）夾雜

9、物或析出相（3）晶粒內部（解理面與螺形位錯交截的地方）。3影響因素：（1）小角度晶界：傾斜晶界（影響不大，延伸至相鄰晶界） 扭轉晶界（在亞晶界處產生新的裂紋，河流激增）（2）大角度晶界（河流不能通過，在晶界處產生新的裂紋，向外擴展，形成扇形。）解理斷裂的萌生和擴展 1.裂紋萌生機制：（1）位錯塞積極制 位錯運動運動受阻（晶界、孿晶界、第二相夾雜物）位錯堆積（理論斷裂強度）產生微裂紋（2）位錯反應機制： 位錯運動位錯相遇產生新位錯（不動位錯）阻礙隨后的位錯運動位錯堆積產生微裂紋（3）滑移解理機制 位錯運動排列成小角度晶界部分晶界被阻礙產生拉應力微裂紋 2.裂紋的擴展：根據(jù)格里菲斯表達式來解釋解理

10、斷裂的影響因素 1.試驗溫度T，裂紋尖端塑性變形區(qū)裂紋擴展阻力解理斷裂發(fā)生的容易程度上升 ；2.應變速率解理斷裂發(fā)生的容易程度 ；3.hcp、 bcc類型金屬、合金易發(fā)生解理斷裂，fcc類型金屬、合金不易發(fā)生解理斷裂（滑移系） ；4.晶粒尺寸發(fā)生解理斷裂的可能性；5.顯微組織不同，解理斷裂路徑不同。斷口形貌不同；6.第二相粒子越粗大越容易發(fā)生解理斷裂 。準解理斷裂宏觀特征：宏觀斷口較平整，少或無宏觀塑性變形，結晶狀小刻面，亮但不發(fā)光，較明顯的放射狀花樣解理斷裂與準解理斷裂的區(qū)別：區(qū)別解理斷裂準解理斷裂裂紋源解理面邊界(晶界）準解理平面內部擴展路徑比較連續(xù)不連續(xù)（常在局部形成并局部擴展）撕裂少多

11、位向100晶面嚴格對應不存在確定的位向關系第五章疲勞斷裂：1.定義：由于交變應力或循環(huán)載荷作用下的脆斷。2.分類：（1）按負載和環(huán)境條件分類：高周疲勞，低周疲勞，接觸疲勞，熱疲勞，腐蝕疲勞。（2）依載荷類型特點分類：彎曲疲勞，軸向疲勞，扭轉疲勞。疲勞斷裂的一般特征：（1）斷裂應力比靜載下的抗拉強度，屈服強度低，斷裂前無明顯塑性變形，是低應力脆斷破壞現(xiàn)象。（2）疲勞斷裂是損傷積累過程的結果，是與時間相關的破壞方式。它包括裂紋萌生、擴展和失穩(wěn)斷裂三個階段。（3）工程構件對疲勞抗力比對靜載荷要敏感得多。（4）微觀上一般是穿晶斷裂，也屬一種脆性穿晶。疲勞裂紋的萌生和擴展：1.萌生：表面（次表面，內部）

12、2.擴展：第一階段 裂紋起源于材料表面，向內部擴展，擴展速度慢。 第二階段 斷面與拉伸軸垂直，凹凸不平。擴展途徑為穿晶，擴展速度快。（顯微特征：疲勞輝紋）疲勞斷口形貌特征：1疲勞源：光滑、細潔扇形小區(qū)域。位于材料表面、次表面或者內部。2裂紋擴展區(qū)形狀：一條條同心的圓弧顏色：因為氧化或者腐蝕，成黑色或褐色變化規(guī)律：年輪間距小，表示裂紋擴展慢，材料韌性好3瞬斷區(qū)形貌：具有斷口三要素（放射區(qū)、剪切唇）的特征 對于塑性材料，斷口為纖維狀，暗灰色 對于脆性材料，斷口為結晶狀瞬斷區(qū)面積越大，越靠近中心部位，工件過載程度越大；反之越小。疲勞輝紋與疲勞條紋（貝紋線）的區(qū)別：貝紋線：宏觀特征因交變應力幅度變化或

13、載荷停歇造成的。輝紋：微觀特征，是一次交變應力循環(huán)裂紋尖端鈍化形成的。輝紋四要素：輝紋相互平行且垂直于裂紋局部擴展方向。輝紋間距隨應力強度因子振幅而變化。輝紋個數(shù)等于負載循環(huán)次數(shù)通常斷面上的一組輝紋是連續(xù)的，相鄰斷面上的輝紋不連續(xù)。疲勞輝紋：1.形成機理：裂紋擴展的連續(xù)模型和不連續(xù)模型。2.類型：韌性輝紋，脆性輝紋3.產生的必要條件：（1）張開型平面應變，即正斷時才出現(xiàn)（2）延性材料比較容易出現(xiàn)（3）真空中不出現(xiàn)輝紋影響疲勞斷口形貌的因素：1載荷類型與應力大小 2材質 3晶界 4夾雜物或第二相 5環(huán)境介質。腐蝕疲勞：1定義：材料在循環(huán)應力和腐蝕介質共同作用下產生的斷裂。2裂源：材料的腐蝕坑或表

14、面缺陷部位。3特征：（1）多起源于腐蝕坑處或表面缺陷部位，為多源疲勞 （2）斷口上具有較模糊的疲勞輝紋（3）斷口上具有沿晶斷裂形貌，也可能有穿晶斷口形貌（4）斷口中二次裂紋較多第7章 環(huán)境應力腐蝕斷裂：拉應力和腐蝕介質聯(lián)合作用的低應力脆斷引起表面膜局部斷裂的原因：環(huán)境因素，冶金因素，力學因素，機械破損。蠕變：金屬長時間在恒應力，恒溫作用下，慢慢產生塑性變形的現(xiàn)象。（蠕變斷裂為沿晶斷裂）第六章環(huán)境斷裂：金屬材料在腐蝕介質和溫度環(huán)境等條件影響下產生的沿晶或穿晶低應力脆斷現(xiàn)象應力腐蝕斷裂斷裂過程：裂紋的形成、裂紋的擴展氧化膜破壞-腐蝕坑形成-應力腐蝕裂紋萌生和亞臨界擴展-機械失穩(wěn)破壞引起表面氧化膜局

15、部破裂的因素：環(huán)境因素、冶金因素、力學因素、機械破損SCC斷口形貌特征：1. 宏觀：（1）呈現(xiàn)脆性特征（2）多源，裂紋形成區(qū)成暗色或灰黑色（3）最終斷裂區(qū)具有金屬光澤，常有放射性花樣或人字紋。2. 微觀：沿晶斷口，晶面有撕裂脊等SCC影響因素和預防措施：1. 影響因素：應力、環(huán)境介質、成分、熱處理工藝2. 預防措施：降低應力、表面處理、改變腐蝕介質、選材、電化學保護氫脆的分類及其宏微觀形貌特征：分為內部氫脆和環(huán)境氫脆內部氫脆形貌特征：1宏觀：白點（發(fā)裂白點、魚眼型白點） 2微觀：穿晶解理斷口或準解理斷口環(huán)境氫脆形貌特征：1宏觀：與脆性斷口相似 2微觀：沿晶斷口和準解理斷口SCC與氫脆的關系1聯(lián)

16、系：通常共同存在，形貌也相似2區(qū)別：（1）電化學反應：SCC為陽極溶解控制過程，氫脆為陰極反應控制過程 （2）裂源：SCC從表面開始，裂紋分叉；氫脆從次表面或內部開始，裂紋基本不分叉影響氫脆外部因素：溫度、氫濃度、置放時間蠕變可由蠕變曲線描述，一般分為三個階段：1初始蠕變階段（蠕變速率隨時間不斷降低）2穩(wěn)態(tài)蠕變階段（蠕變速率保持不變）3加速蠕變階段（蠕變速率隨時間加快直至斷裂）材料蠕變變形機理主要有位錯滑移、原子擴散、晶界滑動按照斷裂時塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三個類型：沿晶蠕變斷裂（高溫、低應力）、穿晶蠕變斷裂（高應力）、延縮性斷裂（高溫）沿晶斷裂：類型：韌性沿晶斷裂、脆性沿

17、晶斷裂產生的原因：1脆性沉淀相沿晶界析出 2晶界弱化 3環(huán)境 4熱應力 5晶體粗大斷口宏觀形貌特征：結晶狀、冰糖快狀、灰色石狀第七章斷裂形式：1按裂紋產生部位：表面開裂、內部開裂2按塑性加工方式：軋制開裂、擠壓開裂、鍛造開裂斷裂原因：1塑性變形不均勻2鑄錠質量差3加工工藝不合理失效分析的一般程序：外部觀察試驗檢查綜合分析1 金屬的斷裂綜述斷裂類型根據(jù)斷裂的分類方法不同而有很多種，它們是依據(jù)一些各不相同的特征來分類的。根據(jù)金屬材料斷裂前所產生的宏觀塑性變形的大小可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂。韌性斷裂的特征是斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑性變形，脆性斷裂在斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，是一種突然發(fā)生的斷裂

18、，沒有明顯征兆，因而危害性很大。通常，脆斷前也產生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5為脆性斷裂；大于5為韌性斷裂?？梢姡饘俨牧系捻g性與脆性是依據(jù)一定條件下的塑性變形量來規(guī)定的，隨著條件的改變，材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。多晶體金屬斷裂時，裂紋擴展的路徑可能是不同的。沿晶斷裂一般為脆性斷裂，而穿晶斷裂既可為脆性斷裂（低溫下的穿晶斷裂），也可以是韌性斷裂（如室溫下的穿晶斷裂）。沿晶斷裂是晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續(xù)性所造成的，也可能是雜質元素向晶界偏聚引起的。應力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋都是沿晶斷裂。有時沿晶斷裂和穿晶斷裂

19、可以混合發(fā)生。按斷裂機制又可分為解理斷裂與剪切斷裂兩類。解理斷裂是金屬材料在一定條件下（如體心立方金屬、密排六方金屬與合金處于低溫、沖擊載荷作用），當外加正應力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面的穿晶斷裂。解理面一般是低指數(shù)或表面能最低的晶面。對于面心立方金屬來說，在一般情況下不發(fā)生解理斷裂，但面心立方金屬在非常苛刻的環(huán)境條件下也可能產生解理破壞。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，兩者不是同義詞，它們不是一回事。剪切斷裂是金屬材料在切應力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，它又分為滑斷（又稱切離或純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純金屬尤其是單晶體金屬常發(fā)生滑

20、斷斷裂；鋼鐵等工程材料多發(fā)生微孔聚集型斷裂，如低碳鋼拉伸所致的斷裂即為這種斷裂，是一種典型的韌性斷裂。根據(jù)斷裂面取向又可將斷裂分為正斷型或切斷型兩類。若斷裂面取向垂直于最大正應力，即為正斷型斷裂；斷裂面取向與最大切應力方向相一致而與最大正應力方向約成45°角，為切斷型斷裂。前者如解理斷裂或塑性變形受較大約束下的斷裂，后者如塑性變形不受約束或約束較小情況下的斷裂。按受力狀態(tài)、環(huán)境介質不同，又可將斷裂分為靜載斷裂(如拉伸斷裂、扭轉斷裂、剪切斷裂等)、沖擊斷裂、疲勞斷裂；根據(jù)環(huán)境不同又分為低溫冷脆斷裂、高溫蠕變斷裂、應力腐蝕和氫脆斷裂；而磨損和接觸疲勞則為一種不完全斷裂。常用的斷裂分類方法

21、及其特征見下。斷裂分類及其特征 分類方法名 稱特 征根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類脆性斷裂斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口形貌是光亮的結晶狀韌性斷裂斷裂前產生明顯的塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀根據(jù)斷裂面的取向分類正斷斷裂的宏觀表面垂直于max方向切斷斷裂的宏觀表面平行于max方向根據(jù)裂紋擴展的途徑分類穿晶斷裂裂紋穿過晶粒內部沿晶斷裂裂紋沿晶界擴展根據(jù)斷裂機理分類解理斷裂無明顯塑性變形沿解理面分離，穿晶斷裂微孔聚集型斷裂沿晶界微孔聚合，沿晶斷裂在晶內微孔聚合，穿晶斷裂純剪切斷裂沿滑移面分離剪切斷裂（單晶體）通過縮頸導致最終斷裂（多晶體、高純金屬）2 微孔聚合斷裂機制2.1相關概念定義：微

22、孔聚合型斷裂過程是在外力作用下，在夾雜物、第二相粒子與基體的界面處，或在晶界、孿晶帶、相界、大量位錯塞積處形成微裂紋，因相鄰微裂紋的聚合產生可見微孔洞，以后孔洞長大、增殖，最后連接形成斷裂。微孔萌生的時間：若材料中第二相與基體結合強度低，在頸縮之前；反之，在頸縮之后。微孔萌生成為控制馬氏體時效鋼斷裂過程的主要環(huán)節(jié)微孔聚合型斷裂形成的韌窩有三種： 1）拉伸型等軸狀韌窩； 2）剪切型伸長韌窩； 3）拉伸撕裂型伸長韌窩。韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形能力，如第二相較少、分布均勻且基體塑性變形能力又強，那么韌窩大而深；若基體的加工硬化能力很強，韌窩大而淺。2.2 斷口形貌特征

23、A種(15 mA cm2)變體鋼斷裂面的形貌-兼有微孔聚合斷裂和解理斷裂B (30 mA cm2)種變體鋼斷裂面形貌-兼有韌窩和二次裂紋 以上圖片是對“800 CMnSi超強度鋼（TRIP 800 steels）”的A、B兩種變體鋼試樣進行拉伸試驗的斷口形貌，括號中標注的是實驗具體使用的電流密度值。 本實驗研究氫含量對TRIP 800 steels性質和斷口形貌的影響，上面圖2-1說明氫含量高使得斷口表現(xiàn)出了較多較淺的韌窩，韌窩淺因為氫脆效應降低了材料的塑性變形能力。另外，圖2-2是在加入了氫吸收促進劑之后的斷裂形貌，除了有韌窩出現(xiàn)，還有了二次斷裂，并且產生于夾雜物（即氫吸收促進劑）旁邊。2.

24、3 微孔聚合斷裂機制微孔聚集斷裂為剪切斷裂的一種形式，微孔聚集斷裂是材料韌性斷裂的普遍形式，其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微斷口特征花樣則是端口上分布大量“韌窩”，微孔聚集斷裂過程包括微孔形核、長大、聚合直至斷裂。微孔聚合斷裂過程由于應力狀態(tài)或加載方式的不同，微孔聚合型斷裂所形成的韌窩可有三種類型：(1)拉伸型的等軸狀韌窩。裂紋擴展方向垂直于最大主應力max，max是均勻分布于斷裂平面上，拉伸時呈頸縮的試樣中心部分就顯示這種韌窩狀。(2)剪切型的伸長韌窩。在拉伸試樣的邊緣，兩側均由剪應力切斷，顯示這種韌窩形狀，韌窩很大如卵形，其上下斷面所顯示的韌窩，其方向是相反的。(3)拉伸撕裂的伸長韌

25、窩。產生這種韌窩的加載方式有些和等軸狀韌窩類似，但是等軸狀韌窩可以認為是在試樣中心加拉伸載荷的，而拉伸型韌窩是在試樣邊緣加載的，因而max不是沿截面均勻分布的，在邊緣部分應力很大，裂紋是由表面逐漸向內部延伸的，好像我們把粘著的兩張紙，從一端把它們逐漸撕開一樣故稱拉伸撕裂型。表面有缺口的試樣或者裂紋試樣，其斷口常顯示這種類型。這種類型的韌窩，韌窩小而淺，裂紋擴展快，故在宏觀上常為脆斷，所以不要把微孔聚合型的微觀機制都歸之為韌斷，這也是宏觀和微觀不能完全統(tǒng)一之處。 SPA-H集裝箱板斷口形貌 700×上圖為拉伸斷口形貌，斷裂全部為韌性斷裂，斷口呈韌窩狀，夾雜物少。2.4 斷口形貌分析 圖

26、4與圖5分別給出了復合材料室溫和高溫拉伸后試樣的斷口形貌?？梢钥闯?，室溫條件下，TMC1 為韌性斷裂，其斷口有許多較淺的韌窩，而TMC2 為典型脆性斷裂，其斷口存在河流花樣以及脆性解離面。與等軸組織較淺的韌窩相比，TMC1 的層片狀組織的增強體附件韌窩相對較深且較細小，這主要是因為層片組織對源自增強體斷裂的裂紋具有很好的阻礙作用。同樣，從斷口來看，層片組織的TMC2 較等軸組織的延性要略好，這些結果與力學性能是一致的。高溫條件下，兩種熱處理下的TMCs 都表現(xiàn)出明顯的延性斷裂特征，并且溫度越高韌窩越深。而由于層片組織不利于協(xié)調變形，因而塑性韌窩不易聚集長大，故表現(xiàn)出的相對細小的韌窩。不同組織的

27、復合材料室溫拉伸的掃描電鏡斷口形貌不同組織的復合材料高溫拉伸的掃描電鏡斷口形貌3 解理斷裂3.1 形貌特征解理斷裂的端口形貌是河流狀花樣。解理臺階、河流花樣以及舌狀花樣都是解理斷裂的基本微觀特征。3.2 形成原理解理斷裂是在正應力作用產生的一種穿晶斷裂，斷裂面沿一定的晶面發(fā)生的，這個平面叫做解理面。解理臺階是沿兩個高度不同的平行解理面上擴展的解理裂紋相交時形成的。形成過程有兩種方式：通過解理裂紋與螺型位錯相交形成；通過二次解理或撕裂形成。第一種，當解理裂紋與螺型位錯相遇時，便形成一個臺階，裂紋繼續(xù)向前擴展，與許多螺型位錯相交便形成眾多臺階，他們沿裂紋前端滑動而相互交匯，同號臺階相互匯合長大，異

28、號臺階相互抵消，當匯合臺階足夠大的時候便在電鏡下觀察為河流狀花樣。第二種，二次解理是指在解理裂紋擴展的兩個互相平行解理面間距較小時產生的，但若解理裂紋的上下兩個面間距遠大于一個原子間距時，兩解理裂紋之間的金屬會產生較大的塑性變形，結果由于塑性撕裂而形成臺階，稱為撕裂棱晶界。舌狀花樣是由于解理裂紋沿孿晶界擴散留下的舌頭狀凹坑或凸臺，故在匹配斷口上“舌頭”為黑白對應的。42CrMo鋼的沖擊試樣斷口的解理斷口微觀形貌3.3解理斷口形貌特征3.3.1 河流花樣（riverpattern）解理斷口電子圖像的主要特征是“河流花樣”，河流花樣中的每條支流都對應著一個不同高度的相互平行的解理面之間的臺階。解理

29、裂紋擴展過程中，眾多的臺階相 互匯合，便形成了河流花樣。在河流的“上游”，許多較小的臺階匯合成較大的臺階，到“下游”，較大的臺階又匯合成更大的臺階。河流的流向恰好與裂紋擴展方 向一致。所以人們可以根據(jù)河流花樣的流向，判斷解理裂紋在微觀區(qū)域內的擴展方向。 3.3.2 舌狀裂面    解理裂紋與孿晶(見孿生)相遇時可沿孿晶面形成局部裂紋，它發(fā)展到一定程度后與解理面上的裂紋相連通，形成像躺在解理面上的舌狀裂面。這種裂面在低溫高速加載的條件下最易發(fā)生。3.3.3 解理扇    臺階狀解理裂紋不能直接通過晶界擴展到相鄰晶粒中去，只能在晶界附近相

30、鄰晶粒內某些區(qū)域形成一些新裂縫，它們在傳播過程中匯集成河流狀花樣并形成扇面形向四周擴展?！昂恿鳌鄙嫌渭唇饫砩?，扇柄處是裂紋源，扇面下游即裂紋擴展方向。 3.4 準解理準解理斷裂介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，它是兩種機制的混合。準解理與解理的共同點：都是穿晶斷裂；有小解理面；有臺階或撕裂棱及河流狀花樣。不同點：準解理小刻面不是晶體學解理面；真正解理裂紋常源于晶界，而準解理裂紋則常源于晶內硬質點，形成從晶內某點發(fā)源的放射狀河流花樣。它是另一種型式稱準解理斷裂，其斷裂面上顯現(xiàn)有較大的塑性變形，特征是斷口上存在由于幾個地方的小裂紋分別擴展相遇發(fā)生塑性撕裂而形成的撕裂嶺。準 解理斷裂面不是一個嚴格準確的解

31、理面，有人認為準解理斷裂是解理和微孔聚合的混合機制，它常見于淬火回火鋼中。 4沿晶斷裂4.1概念沿晶斷裂是指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴展的斷裂形式。金屬材料中的裂紋沿晶界擴展而產生斷裂。當沿晶斷裂斷口形貌呈粒狀時又稱晶間顆粒斷裂。多數(shù)情況下沿晶斷裂屬于脆性斷裂，但也可能出現(xiàn)韌性斷裂，如高溫蠕變斷裂。在多晶體變形中，晶界起協(xié)調相鄰晶粒變形的作用。但當晶界收到損傷，其變形能力被削弱，不足以協(xié)調相鄰晶粒的變形時，便形成境界開裂。裂紋擴展總是沿阻力最小的路徑發(fā)展，遂表現(xiàn)為沿晶斷裂。鉬的沿晶斷裂4.2形成原因產生沿晶斷裂一般有如下原因：( 1 ) 晶界上存在有脆性沉淀相 ； (2 ) 雜質和合金元素在晶

32、界偏析，致使晶界弱化 ；(3 ) 熱應力作用 ； （4）環(huán)境引起的沿晶蝕用 ； （5）晶界有彌散相析出。4.2.1晶界上有脆性沉淀相如果脆性相在晶界面上覆蓋得不連續(xù)，例如AIN粒子在鋼的晶界面上的分布，將產生微孔聚合型沿晶斷裂；如果晶界上的脆性沉淀相是連續(xù)分布的，例如奧氏體NiCr鋼中形成的連續(xù)碳化物網狀，則將產生脆性薄層分裂型斷裂。4.2.2晶界有使其弱化的夾雜物如鋼中晶界上存在P、S、As、Sb、Sn等元素。有害元素沿晶界富集，降低了晶界處表面能，使脆性轉變溫度向高溫推移，明顯提高了材料對溫度和加載速率的敏感性，在低溫或動載條件下發(fā)生沿晶脆斷。Ni原本是穿經斷裂，加入S元素后就變?yōu)檠鼐嗔?/p>

33、4.2.3熱應力作用材料在熱加工過程中，因加熱溫度過高，造成晶界熔化，嚴重減弱了晶界結合力和晶界處的強度，在受載時，產生早期的低應力沿晶斷裂。由于淬火工藝不當，產生淬火裂紋，使彈簧在使用時發(fā)生斷裂。斷口經掃描電鏡觀察，裂源區(qū)為具有沿晶斷裂特征的淬火裂紋。彈簧在工作時，淬火裂紋的尖端成為應力集中區(qū)，疲勞裂紋起始于淬火裂紋的尖端。圖中具有冰糖狀特征區(qū)為淬火裂紋區(qū)，其余區(qū)域為疲勞區(qū)。4.2.4環(huán)境作用環(huán)境因素與晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化，例如高溫蠕變條件下的晶界弱化，應力腐蝕條件下晶界易于優(yōu)先腐蝕等，均促使沿晶斷裂產生。A7075-(a) 和A7050-(b) 的穿晶斷裂4.2.5晶界上有彌散

34、相析出如奧氏體高錳鋼固溶處理后，再加熱時沿晶界析出非常細小的碳化物，從而改變了晶界層材料的性質，這也屬于晶界受損傷的情況，雖尚有一定的塑性變形能力，但一經變形后，沿晶界形成微孔型開裂。4.3斷裂過程沿晶斷裂的過程包括裂紋的形成與擴展。晶界受損的材料受力變形時，晶內的運動位錯受阻于晶界，在晶界處造成應力集中，當集中應力達到境界強度時，變將晶界擠裂。這個集中應力與位錯塞積群中的位錯數(shù)目和滑移帶長度有關，因此沿晶斷裂強度與晶粒尺寸符合Hall-Petch關系。4.4斷口宏觀形貌沿晶脆性斷裂斷口宏觀形貌一般有兩類：(1)晶粒特別粗大時形成石塊或冰糖狀斷口；(2)晶粒較細時形成結晶狀斷口。沿晶斷裂的結晶

35、狀斷口比解理斷裂的結晶狀斷口反光能力稍差，顏色黯淡。4.5 預防方法預防沿晶斷裂的方法：將金屬進行提純、凈化晶界、防止雜質原子在晶界偏聚或脫溶(見固溶處理)、防止第二相在晶界上析出、改善環(huán)境因素等，均可減少金屬發(fā)生沿晶脆性斷裂的傾向。5金屬疲勞性斷裂5.1 疲勞原理：金屬疲勞過程的應力狀態(tài)和應變狀態(tài)決定了金屬材料的組織和性能的變化規(guī)律。在靜載單向拉升的變形條件下，金屬在宏觀上呈現(xiàn)均勻變形，滑移線沿金屬試樣表面均勻分布，只有在較大變形量時，變形才集中于試樣某一局部區(qū)域。在交變荷載作用下，當應力超過該材料的疲勞極限（小于屈服點）時，應力循環(huán)達到一定次數(shù)后，通過金相顯微鏡和X-射線的實驗觀察，可以發(fā)

36、現(xiàn)在試樣表面上應力水平較高的區(qū)域或較軟的部位，產生了集中滑移，形成了式樣的不均勻塑性形變。這種不均勻的塑性變形形成了通常所說的表面擠出峰和擠入槽。擠出峰和擠入槽是金屬弱化部位滑移層見無規(guī)則滑移構成的滑移帶。擠入槽構成了試樣的表面裂紋。所以擠出峰和擠入槽是金屬疲勞過程導致?lián)p傷的滑移條紋，而且也是疲勞過程中組織結構變化的典型特征。5.1金屬的疲勞斷裂：金屬的疲勞斷裂過程可以分為疲勞裂紋的形成、疲勞裂紋的擴展和瞬時斷裂三個階段。金屬疲勞破壞的起源常在于它的自由表面或它內部的缺陷處，例如表面刀痕或夾雜物等，這種區(qū)域的應力較高，常引起不均勻的塑性變形，進而形成微裂紋，這就是疲勞破壞的第一個階段。接著，在

37、循環(huán)應力的作用下，微裂紋緩慢斷續(xù)地擴展，這是疲勞破壞的第二個階段。最后，當裂紋擴展到一定程度時，留下的連續(xù)截面已不勝所加的載荷，就出現(xiàn)突發(fā)性斷裂。起源于金屬自由表面的疲勞破壞比源于金屬內部缺陷的可能性大。因此，除了合理的設計能減少表面應力集中點，也能有效防止或延遲裂紋的產生和擴展。5.2疲勞裂紋的形成疲勞裂紋最容易在應力最高、強度最弱的部位，以及存在應力集中的地方形成。例如鍵槽、刀痕、變斷面處和油孔等。形成疲勞裂紋的方式有：滑移帶開裂、夾雜物和基體界面開裂和孿晶、晶界開裂。5.2.1 滑移帶開裂在交變載荷作用下，金屬表面將產生滑移線，隨著循環(huán)次數(shù)增加，滑移線逐漸變粗而形成滑移帶的獨特結構與靜載

38、荷條件下的不同，它的分布極不均勻，隨著塑性應變的增大，滑移帶數(shù)目不是在所有的晶面上平均增加，只是其中個別滑移帶逐漸變寬而成為粗大的滑移帶，在金相顯微鏡下，可以明顯看到這些滑移帶。由滑移引起的疲勞裂紋，可以認為是駐留滑移帶上的擠入和擠出現(xiàn)象的結果。在交變荷載的繼續(xù)作用下，擠入部分向滑移帶縱深擴展，從而形成最初的疲勞裂紋，然后裂紋沿滑移帶方向擴展，并穿過晶粒，直至轉化成宏觀裂紋。由滑移引起的疲勞斷裂擠入、擠出示意圖5.2.2夾雜物和基體晶面開裂機械工程使用的金屬材料中，都存在非金屬雜物。另一方面，為了提高材料強度的目的，又常引入第二相。這樣的非金屬夾雜物或第二相，將與基體形成界面。在交變應力作用下

39、，夾雜物和第二相微粒在界面處與基體分離。此外，夾雜物和第二相質點本身在交錯應力下也可能發(fā)生斷裂。這兩種情況都能導致疲勞斷裂。夾雜物與基體界面開裂過程示意圖夾雜物造成斷裂實物圖5.2.3晶界開裂 多晶金屬的晶界常數(shù)是疲勞裂紋成核的區(qū)域。在低應力循環(huán)荷載下，裂紋很容易在晶界上形成。當滑移帶到達晶界時受阻，在交變荷載繼續(xù)作用下，滑移帶在晶界上引起的應變將不斷增加，從而在晶界前造成位錯塞積。當這種位錯塞積形成的應力增大到斷裂強度時，晶界即開裂而形成微裂紋。金屬的晶粒越粗，晶界上的應變量越大，位錯塞積也大，應力集中增高，易于形成裂紋。晶界開裂機理示意圖5.3疲勞裂紋的擴展紋萌生時開始，經過一定條件下的不

40、斷擴展，直到發(fā)生瞬時斷裂為止的整個過程，一共可以分成微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展和瞬時斷裂三個階段。第I階段：微觀裂紋擴展。疲勞裂紋形成后，能沿著與拉應力成45°角的最大切應力方向擴展。不過這一階段的擴展速度很低，深度很淺，只有當裂紋擴展到一定程度后，才轉入第II階段。第II階段：宏觀裂紋擴展。在這一階段中，裂紋將向垂直于拉應力的方向擴展，它的擴展速度和深度都大于第I階段。第III階段：瞬時斷裂。隨著裂紋的不斷擴展，殘留的截面積不斷縮小，應力則不斷增大。當應力超過材料的靜強度指標，即強度極限時，最終發(fā)生瞬時斷裂。疲勞斷裂的宏觀斷口具有脆性特性，無明顯的塑性變形。疲勞擴展過程示意圖5.4

41、 金屬疲勞斷裂宏觀斷口疲勞斷裂宏觀疲勞斷口可以分為三個區(qū)，即源區(qū)、擴展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)。源區(qū)一般位于試樣表面，尤其是存在應力集中的部位，一般比較光亮。疲勞擴展區(qū)緊靠源區(qū)，也很光亮、平滑，而且可看到呈貝紋線或海灘花樣，即存在一些類似同心圓的弧線包圍源區(qū)，它是應力發(fā)生突變和材料組織變化使裂紋改變方向時留下的裂紋前沿線痕跡。最后是瞬時斷裂區(qū)，它是由于疲勞裂紋擴展至臨界長度后，剩余截面上的真實應力超過材料抗拉強度而發(fā)生的靜載斷裂，它的斷口特征和存在嚴重應力集中的低應力脆性斷口相似，多出現(xiàn)放射花樣。疲勞斷口示意圖疲勞破壞過程和斷口形狀，與零件的工作載荷類型、應力大小和應力集中條件等有很大關系。不同工作載荷

42、對斷口的影響1. 高應力下的反復彎曲；2.低應力下的反復彎曲；3.高應力下的旋轉彎曲；4.低應力下的旋轉彎曲；5.高應力和低應力集中系數(shù)下的旋轉彎曲；6.低應力和低應力集中系數(shù)下的旋轉彎曲；7.高應力和高應力集中系數(shù)下的旋轉彎曲；8.抵應力下的位壓6 防止金屬脆性斷裂失效的途徑6.1材料的設計與制造 防止脆性斷裂應控制下列因素來進行合理結構設計，即材料的斷裂韌性水平、構件的工作溫度和應力狀態(tài)、載荷類型及環(huán)境因素等。溫度是引起構件脆斷的重要因素之一，設計者必須考慮使構件的工作溫度高于材料的脆性轉變溫度（Tc）。若所設計的構件工作溫度低于Tc時，則必須降低設計應力水平，使應力低于不會發(fā)生裂紋的擴展

43、。若其設計應力不能降低，則應更換材料，選擇韌性更高，Tc更低的材料。在選擇材料時，應保證材料具有良好的強韌性，良好的工藝性能。從減少構件脆性斷裂上，在進行構件設計時，應使缺陷所產生的應力集中減少到最低限度，如減少尖角及結構尺寸的不連續(xù)性，合理布置焊縫的位置。冶金生產方面要減少鋼中的夾雜物、氣孔及鋼材的表面缺陷。結構加工后不應存在缺口、凹槽、過深的刀痕等缺陷。焊接時要防止裂紋、焊瘤、未焊透等缺陷，減小和消除鋼結構中的殘余應力，尤其在條件允許的情況下焊接結構應盡量消除焊接殘余應力，這對于防止低溫脆斷具有非常重要的意義。6.2 調整化學成分鋼的化學成分中的有益元素含量在合金設計中應給以重視，而C、N

44、、H、O、P等有害夾雜含量增加均會提高脆性轉變溫度，降低沖擊韌性，所以應減少其含量。要對脆斷事故進行分析，首先應該要看是否含量超標，不超標時也要考慮合金配比是否合適，因為成分落在牌號規(guī)范內，但配比不合適（如Mn/C比），其工藝性能或使用性能上達不到要求并引起失效的事例是很多的，如在設計鋼的成分時應盡可能地控制一些對鋼的回火脆性影響較大元素的配比，使鋼的回火脆性不致過大，以及向回火脆性敏感性較大的鋼中添加鉬和鎢，對回火脆性敏感性較大的鉻鎳鋼，鉻錳鋼、硅錳鋼、鉻釩鋼等加鉬便是如此。鎳被認為是降低鋼的脆性轉變溫度作用最大的元素。低碳鋼的脆性轉變溫度因鎳量增加而降低，淬火后低溫回火的鎳鋼含4.5%鎳，

45、高溫回火的鋼含2.5鎳時，脆性轉變溫度可降到最低。在合金結構鋼中，銅的作用與鎳相似。 錳對鋼的脆性轉變溫度的影響因含量不同而異。低碳鋼含錳在1.5以下時可使脆性轉變溫度降低，所以，降碳增錳可以減少鋼中的碳化物、細化晶粒，有利于低碳鋼獲得較高的低溫沖擊韌性，但含錳高時又使鋼的脆性轉變溫度提高。此外，鋼中偏析、夾雜物。白點、微裂紋等缺陷越多，韌性越低。 綜上所述，碳、氮、磷。硅等元素增大鋼的冷脆性傾向，鎳、少量錳、銅等元素有利于鋼獲得較高的低溫沖擊韌性。由于合金元素對鋼的冷脆性的影響很復雜，加之還要受其他方面因素的影響，還需具體分折?？傊?，調整合金元素，降低雜質含量，提高鋼的純凈度是降低材料脆斷的

46、有效途徑。6.3 細化晶粒 細化晶粒是控制材料韌性避免脆斷的重要手段。粗晶粒的鋼脆性轉變溫度較細晶粒的為高，如粗晶粒的中碳鋼的脆性轉變溫度，可較細晶粒的鋼高40。細晶粒強化符合Hall-Petch關系，當晶粒越細，晶界面積就越大，晶界對位錯運動的阻礙也越大，從而使強度升高。此外，晶粒越細，在一定體積內的晶粒數(shù)目越多，在同樣變形量下，變形分散在更多的晶粒內進行，晶粒內部和晶界附近的應變度相差較小，變形較均勻，相對來說引起應力集中減小，使材料在斷裂之前能承受較大的變形量，因而有較好的塑性；又因為晶粒越細，晶界的曲折越多，越不利于裂紋的傳播。從而在斷裂過程中可吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性；當晶粒

47、細小時，晶界面積增加。又使晶界雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂。在鑄造生產中可通過加大過冷度，在鑄鐵中加入硅鐵或硅鈣合金，在鋁合金中加入鈦、鋯、釩等或在合金鋼中加入碳化物形成元素（Ti、V等)，阻止加熱時對晶粒長大，從而細化晶粒提高韌性。7 斷裂實例分析左圖為一種用于制備高分子材料的拉模板，它是由一種新型合金制成，但其在實驗使用過程中，僅加熱了30分鐘，便發(fā)生了斷裂；用其他樣品測試也發(fā)生了類似情況。這是其中的一個樣品，對其進行分析，以確定開裂的原因。化學分析鑒定為模切板材料是金屬粉末冶金制得的馬氏體不銹鋼工具鋼，其結構的設計是為實現(xiàn)良好的耐磨性。分析過程圖1是拉模板的俯視圖，從圖中可以看出，這個裂口起始在外邊緣，之后向內延伸，接觸到了擠孔的，并沿著其圓周面發(fā)生了一定的偏折。圖1圖2是拉模板的側面度，顯示了斷裂的寬度，這一寬度說明了這部分有著很大的殘余應力圖2圖3是拉模板入口處（圖1的背面）的照片，可以發(fā)