斷口的宏觀形貌、微觀形態(tài)及斷裂機(jī)理

斷口的宏觀形貌、微觀形態(tài)及斷裂機(jī)理之袁州冬雪

創(chuàng)作按斷裂的途徑，斷口可分為穿晶斷裂和沿晶斷裂兩大類(lèi).穿晶斷裂又分為穿晶韌性斷裂和穿晶解理斷裂（其中包含準(zhǔn)解理斷裂）.沿晶斷裂也分為沿晶韌性斷裂和沿晶脆性斷裂.下面分別加以討論.（1）穿晶韌窩型斷口斷裂穿過(guò)晶粒外部，由大量韌窩的成核、擴(kuò)大、毗連而形成的一種斷口.宏觀形貌：在拉伸試驗(yàn)情況下，總是先塑性變形，引起縮頸，然后在縮頸部位裂紋沿與外力垂直的方向擴(kuò)大，到一定程度后失穩(wěn)，沿與外力成45°方向疾速發(fā)展至斷裂.眾所周知，這種斷口稱(chēng)為杯錐狀斷口.斷口概況粗糙不服，無(wú)金屬光澤，故又稱(chēng)為纖維狀斷口.微觀形態(tài)：在電子顯微鏡和掃描電鏡下觀察，斷口通常是由大量韌窩毗連而成的.每一個(gè)韌窩的底部往往存在著第二相（包含非金屬夾雜）質(zhì)點(diǎn).第二相質(zhì)點(diǎn)的尺寸遠(yuǎn)小于韌窩的尺寸.韌窩形成的原因一般有兩種形成情況：1）韌窩底部有第二相質(zhì)點(diǎn)的情況.由于第二相質(zhì)點(diǎn)與基體的力學(xué)性能分歧（別的，還有第二相質(zhì)點(diǎn)與基體的連系才能、熱膨脹系數(shù)、第二相質(zhì)點(diǎn)自己的大小、形狀等的影響），所以在塑性變形過(guò)程中沿第二相質(zhì)點(diǎn)鴻溝（或穿過(guò)第二相質(zhì)點(diǎn)）易形成微孔裂紋的核心.在應(yīng)力作用下，這些微孔裂紋的核心逐漸長(zhǎng)大，并隨著塑性變形的增加，顯微孔坑之間的毗連部分逐漸變薄，直至最后斷裂.圖3-41是微孔穿過(guò)第二相質(zhì)點(diǎn)的示意圖.若微孔沿第二相點(diǎn)鴻溝成核、擴(kuò)大形成韌窩型裂紋后，則第二相質(zhì)點(diǎn)留在韌窩的某一側(cè).2）在韌窩的底部沒(méi)有第二相質(zhì)點(diǎn)存在的情況.韌窩的形成是由于資猜中原來(lái)有顯微孔穴或者是由于塑性變形而形成的顯微孔穴，這些顯微孔穴隨塑性變形的增大而不竭擴(kuò)大和相互毗連，直至斷裂.這種韌窩的形成往往需要停止很大的塑性變形后才干夠?qū)崿F(xiàn).因此，在這類(lèi)斷口上往往只有少量的韌窩或少質(zhì)變形狀韌窩，有的甚至經(jīng)很大的塑性變形后仍見(jiàn)不到韌窩.當(dāng)變形不大時(shí)，斷口呈波紋狀或蛇形花樣，而當(dāng)變形很大時(shí)，則為無(wú)特征的平面.韌窩的形狀與應(yīng)力狀態(tài)有較大關(guān)系.由于試樣的受力情況能夠是垂直應(yīng)力、切應(yīng)力或由彎矩引起的應(yīng)力，這三種情況下韌窩的形狀是紛歧樣的.（2）解理與準(zhǔn)解理斷口1）解理斷口.斷裂是穿過(guò)晶粒、沿一定的結(jié)晶學(xué)平面（即解理面）的分離，特別是在低溫或疾速加載條件下.解理斷裂一般是沿體心立方晶格的｛100｝面，六方晶格的{0001}面發(fā)生的.宏觀形貌：解理斷裂的宏觀斷口叫法很多，例如稱(chēng)為“山脊?fàn)顢嗫凇薄ⅰ敖Y(jié)晶狀斷口”、以及“萘狀斷口”等（見(jiàn)圖片3-53）.山脊?fàn)顢嗫诘纳郊怪赶驍嗔言矗筛鶕?jù)山脊?fàn)钫磺€群斷定斷裂起點(diǎn)和斷裂方向.萘狀斷口上有許多取向分歧、比較光滑的小平面，它們象條晶體一樣閃閃發(fā)光.這些取向分歧的小平面與晶粒的尺寸相對(duì)應(yīng)，反映了金屬晶粒的大小.微觀形態(tài)：在電子顯微鏡下觀察時(shí)，解理斷口呈“河流花樣”和“舌狀花樣”.2）準(zhǔn)解理斷口.這種斷口在低碳鋼中最罕見(jiàn).前述的結(jié)晶狀斷口就是準(zhǔn)解理斷口，它在宏觀上近似解理斷口.準(zhǔn)解理斷口的微觀形態(tài)主要是由許多準(zhǔn)解理小平面、“河流花樣”、“舌狀花樣”及“撕裂嶺”組成.沿晶斷口是沿分歧取向的晶粒鴻溝發(fā)生斷裂.其發(fā)生的主要原因是由于晶界弱化，使晶界強(qiáng)度分明低于晶內(nèi)強(qiáng)度而引起的.造成晶界弱化的原因很多，例如，鍛造過(guò)程中加熱和塑性變形工藝不當(dāng)引起的嚴(yán)重粗晶；高溫加熱時(shí)氣氛中的C、H等元素濃度過(guò)高以及爐中殘存有銅，滲人晶界；過(guò)燒時(shí)的晶界熔化或氧化；加熱及冷卻不當(dāng)造成沿晶界析出第二相質(zhì)點(diǎn)或脆性薄膜；合金元素和夾雜偏析造成沿晶界的富集；別的沿晶界的化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等等，都可以造成晶界弱化，發(fā)生沿晶斷口.（1）沿晶韌窩型斷口若第二相質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出的密度很高，或因有一定密度的第二相質(zhì)點(diǎn)再加上晶粒粗大，都會(huì)發(fā)生沿晶韌窩型斷裂.沿晶韌窩形成的原因與穿晶韌窩相同.這種斷裂的顯微裂紋是沿著或穿過(guò)第二相質(zhì)點(diǎn)成核的.顯微裂紋的擴(kuò)大和毗連，陪同隨一定量的微觀塑性變形.在斷口概況可看到許多位向分歧、無(wú)金屬光澤的“小棱面”或“小平面”.這些“小棱面”或“小平面”的尺寸與晶粒尺寸相對(duì)應(yīng)（如果晶粒細(xì)小，則斷口概況上的“小棱面”或“小平面”用肉眼就不克不及看到或不分明）.在電子顯微鏡下觀察“小校面”或“小平面”，它是由大量韌窩組成的，韌窩底部往往存在有第二相質(zhì)點(diǎn)（或薄膜）.石狀斷口和棱面斷口都是沿晶韌窩型斷口.別的，偏析線也是一種沿晶韌窩型斷口.（2）沿晶脆性斷口在沿晶脆性斷口上，幾乎沒(méi)有塑性變形的痕跡或僅看到極少的韌窩.例如，過(guò)燒后的斷口，就是沿晶界氧化物薄膜發(fā)生的一種沿晶脆性斷裂.別的，18-8奧氏體不銹鋼沿晶界大量析出碳化物后，也易發(fā)生沿晶脆斷；沿晶界化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕（包含氫脆）后發(fā)生的斷口，也都是沿晶脆性斷口.屬于這類(lèi)斷口的還有層狀斷口和撕痕狀斷口等.上面先容的斷口微觀形態(tài)，是依照斷裂的途徑來(lái)分類(lèi)的.而實(shí)際生產(chǎn)中見(jiàn)到的斷口有時(shí)往往是由幾種類(lèi)型并存的混合斷口.例如，石狀斷口中，如果“小棱面”或“小平面”不是貫穿整個(gè)斷面，斷口常常是沿晶和穿晶混合斷口.在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)缺陷斷口的宏觀形貌和微觀形態(tài)便可以斷定出缺陷的類(lèi)型、缺陷發(fā)生的原因和應(yīng)采納的對(duì)策.例如某廠生產(chǎn)的迫擊炮炮尾，在試炮時(shí)常常發(fā)生折斷的情況，經(jīng)斷筆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是石狀斷口，經(jīng)選區(qū)電子衍射分析確認(rèn)韌窩底部的析出相顆粒是MnS再連系現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查認(rèn)為該缺陷發(fā)生的原因是終鍛前的加熱溫度過(guò)高，終鍛時(shí)的變形程度過(guò)小造成的.由于加熱溫度高，使奧氏體晶粒粗大，并使MnS大量溶入基體，鍛后冷卻時(shí)，MhS沿粗大的奧氏體晶界析出，造成晶界嚴(yán)重弱化所致，后來(lái)改變預(yù)制坯的尺寸以增大終鍛的變形量，并降低終鍛前的加熱溫度，問(wèn)題就圓滿(mǎn)地處理了.又例如某廠生產(chǎn)的Cr-Ni-Mo-V鋼某種大型軸類(lèi)鍛件，在運(yùn)行中發(fā)生的脆性斷裂，經(jīng)斷口檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：此類(lèi)鍛件存在有棱面斷口.該鍛件用的鋼是在5t堿性電弧爐中用氧化法冶煉的，錠重2.2t,鍛造加熱溫度為1180?1200℃,保溫3h以上，鍛后當(dāng)即送熱處理爐停止退火、擴(kuò)氫處理，然后停止粗加工和調(diào)質(zhì)處理.調(diào)質(zhì)后在兩頭切取試片，作縱向斷口檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有棱面斷口，棱面斷口大多出現(xiàn)在大型鍛件的心部，而鍛件邊部仍為正常的纖維狀斷口，金相組織中有沿原粗大奧氏體晶界的析出相的鏈狀網(wǎng)絡(luò).棱面斷口的微觀形態(tài)，韌窩內(nèi)的析出相為不規(guī)則的四邊形，呈薄片狀，經(jīng)選區(qū)電子衍射確定為AlN.由AlN的等溫析出曲線可見(jiàn)，在約900℃緩慢冷卻時(shí)，將有大量的AlN析出.根據(jù)上述檢驗(yàn)成果分析認(rèn)為：1）該Cr-Ni-Mo-V鋼大型軸類(lèi)鍛件，其棱面斷口主要是在鍛造加熱時(shí)溫度較高，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在鍛后緩冷過(guò)程中，固溶入基體的大量AlN呈薄片狀沿粗大的奧氏體晶界呈鏈狀網(wǎng)絡(luò)析出，造成微孔聚合型沿晶斷裂而形成的.奧氏體晶粒越粗大，析出相密度愈高，晶界弱化愈嚴(yán)重.2）鍛造高溫加熱的時(shí)間越長(zhǎng)，固溶人基體的AlN越多，隨后緩冷過(guò)程中形成校面斷口的傾向越大，因此適當(dāng)節(jié)制鍛造加熱規(guī)范是很重要的.3）由于AlN在