韧窝断口典型形貌特征
弹簧韧窝断口的宏观形貌特征
弹簧韧窝断口的宏观形貌特征
弹簧材料在外力作用下因强烈滑移位错堆积，在变形大的区域产生许多显微空洞:或因夹杂物破碎，火杂物和基体金属界面的破碎而形成许多微小孔。
孔洞在外力作用下不断长大、聚集形成裂纹直至最终分离，把这种弹簧断裂方式称为微孔聚集型弹簧断裂，其断口称韧窝断口。
韧窝断口的宏观形貌特征是具有纤维状和剪切唇等标记。
在光滑圆试样的拉伸断口中，纤维区、一般位于断口的中央，粗糙不平，见图3-1纤维区是由无数纤维状“’小峰”组成，“小峰”的小斜面和拉仲轴线大约成45度角。
单相金属、普通碳钢、珠光体钢拉伸断门一般都具有这种特征，高强度马氏体钢纤维区还具有圆环状花样特征。
纵截面呈现比较规则的锯齿状，是一种环形的剪切脊。
弹簧冲击断口上也存在有纤维区，见图3-2（a）（b）。
塑性较高的弹簧材料的冲击断口往往出现两个纤维区，冲击断口示意图见图3-3。
纤维区表面颜色灰暗，无金属光泽。
材料断口分析(第2-4章)
青鱼骨花样、瓦纳线
§3、影响解理断裂的因素 1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂 2、显微组织 F—断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样 P—断口呈不连续片层状 M—断口呈锯齿状，出现小刻面
3、温度 T↓，易导致解理断裂
T＜Tc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性 T＞Tc，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形
4、加载速度 V↑，易发生解理断裂
§4、准解理断裂
与解理相比，准解理断裂的特征： ①准解理裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹源在解理面 边界（晶界）形成 ②准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局部地方形成 并局部扩展 ③准解理包含更多的撕裂 ④准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面｛100｝严格对应，不 存在确定的位向关系
准解理裂纹形成机理示意图
准解理断口形貌
准解理断口形貌
第四章
发生的断裂。
沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物 Al-Li合金中的δ（AlLi）相 ※晶界弱化：杂质Na、S、P等的晶界偏析 合金钢中的高温回火脆性 ※环境：SCC、氢脆、蠕变 ※热应力：焊接材料的HAZ ※晶粒粗大 ！
小刻面
放射条纹
人字纹
二、微观形貌特征及形成机理
特征： 扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern） 青鱼骨花样（spine pattern） 瓦纳线（wallner line）
断口形貌特征
二）宏观断口特征
1）断口三要素 纤维状区、放射状区、剪切唇。
三要素的大小分布和材质、形状、温度及受力状态有关。有时并不同时出现。
根据的分布类型、面积大小及形状等可以推测应力大小、应力状态、温度、材质 情况；可判断裂源和扩展方向。
2）不同断裂机制断口的宏观特征 1.韧窝断裂 材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。 韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
主要光学仪器为金相显微镜和立体显微镜。
2）电子显微镜断口分析技术
1.透射电镜技术
通常断口凹凸不平，通过复型，利用电子束从样品中透射的电子成象，透射电 镜可以得到高分辨率的电子图象，研究断口的形貌特征。常用倍率为×2000-×30000 ）。 2.扫描电镜技术 扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断 口称解理断口。
解理断裂断口的突出宏观特征是具有小刻面和放射状条纹。
解理断口的结晶面呈无规则取向，有闪闪发光特征。称发光的小平面为小刻面。 解理断口的另一特征是具有人字状条纹或放射状条纹。容易判断裂源和扩展方向。
3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈 角。
（二）断口形貌特征
（二）断裂机制和断口形貌特征 一）断裂分类
1）按断裂性质分类
塑性断裂
纤维状断口 （与正应力方向垂直） 剪切断口 （ 45 、剪切唇）
材料失效分析(第二至四章解理断裂和沿晶断裂)
青鱼骨花样、瓦纳线
§3、影响解理断裂的因素
1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂
2、显微组织 F—断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样 P—断口呈不连续片层状 M—断口呈锯齿状，出现小刻面
3、温度 T↓，易导致解理断裂
T＜Tc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性 T＞Tc，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形
存在确定的位向关系
准解理裂纹形成机理示意图
准解理断口形貌
准解理断口形貌
第四章 沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 发生的断裂。
2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物
Al-Li合金中的δ（AlLi）相
扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：河流不能通过，在晶界出产生新的裂纹，向外扩展 ，
形成扇形花样
大角度晶界，扇形花样
3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出 现。
形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变形， 也就容易出现舌状花样。
例2 晶粒过分粗大—细化晶粒处理 晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
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瓦纳线
（二）形成机理（模型）
1、解理台阶 解理裂纹与螺位错交截形成台阶
台阶形成过程的简化图
通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）
台阶的性质
台阶在扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小） 相同方向的台阶合并后高度增加 相反方向的台阶合并后高度减小或消失 台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间存在一定关系
材料断口分析(第二至四章)
§2、解理断口形貌特征
一、宏观形貌特征
1、放射状条纹
2、人字纹
3、小刻面（facet）：发亮的小晶面
解理断口上的结晶面 宏观上呈无规则取向
强光下可见到闪闪发光的特征
解理断口是由许多小刻面组成 的，每个小刻面代表一个晶粒
二、微观形貌特征及形成机理
特征：
扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern）
2、产生的原因是什么？
3、正火后为什么强度和塑性均有提高？
例2：
在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？
例 1： 1、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口） 2、产生原因： ①锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大；
②压下量不足，晶粒破碎不够；
③终锻温度过高，发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗 细不均。
青鱼骨花样（spine pattern）
瓦纳线（wallner line）
扇形花样
解理台阶
河流花样
舌状花样
青鱼骨花样
瓦纳线
（二）形成机理（模型） 1、解理台阶
解理裂纹与螺位错交截形成台阶
台阶形成过程的简化图
通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）
台阶的性质
台阶在扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小） 相同方向的台阶合并后高度增加 相反方向的台阶合并后高度减小或消失 台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间存在一定关系
3、正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。
例2
晶粒过分粗大—细化晶粒处理
晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
本章完
一、宏观形貌特征
断口的宏观形貌
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理按断裂的途径，断口可分为穿晶断裂和沿晶断裂两大类。
穿晶断裂又分为穿晶韧性断裂和穿晶解理断裂（其中包括准解理断裂）。
沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂。
下面分别加以讨论。
1.穿晶断口（1）穿晶韧窝型断口断裂穿过晶粒内部，由大量韧窝的成核、扩展、连接而形成的一种断口。
宏观形貌：在拉伸试验情况下，总是先塑性变形，引起缩颈，然后在缩颈部位裂纹沿与外力垂直的方向扩展，到一定程度后失稳，沿与外力成45°方向快速发展至断裂。
众所周知，这种断口称为杯锥状断口。
断口表面粗糙不平，无金属光泽，故又称为纤维状断口。
微观形态：在电子显微镜和扫描电镜下观察，断口通常是由大量韧窝连接而成的。
每个韧窝的底部往往存在着第二相（包括非金属夹杂）质点。
第二相质点的尺寸远小于韧窝的尺寸。
韧窝形成的原因一般有两种形成情况：1）韧窝底部有第二相质点的情况。
由于第二相质点与基体的力学性能不同（另外，还有第二相质点与基体的结合能力、热膨胀系数、第二相质点本身的大小、形状等的影响），所以在塑性变形过程中沿第二相质点边界（或穿过第二相质点）易形成微孔裂纹的核心。
在应力作用下，这些微孔裂纹的核心逐渐长大，并随着塑性变形的增加，显微孔坑之间的连接部分逐渐变薄，直至最后断裂。
图3-41是微孔穿过第二相质点的示意图。
若微孔沿第二相点边界成核、扩展形成韧窝型裂纹后，则第二相质点留在韧窝的某一侧。
2）在韧窝的底部没有第二相质点存在的情况。
韧窝的形成是由于材料中原来有显微孔穴或者是由于塑性变形而形成的显微孔穴，这些显微孔穴随塑性变形的增大而不断扩展和相互连接，直至断裂。
这种韧窝的形成往往需要进行很大的塑性变形后才能够实现。
因此，在这类断口上往往只有少量的韧窝或少量变形状韧窝，有的甚至经很大的塑性变形后仍见不到韧窝。
当变形不大时，断口呈波纹状或蛇形花样，而当变形很大时，则为无特征的平面。
韧窝的形状与应力状态有较大关系。
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理按断裂的途径，断口可分为穿晶断裂和沿晶断裂两大类。
穿晶断裂又分为穿晶韧性断裂和穿晶解理断裂（其中包括准解理断裂）。
沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂。
下面分别加以讨论。
1.穿晶断口（1）穿晶韧窝型断口断裂穿过晶粒内部，由大量韧窝的成核、扩展、连接而形成的一种断口。
宏观形貌：在拉伸试验情况下，总是先塑性变形，引起缩颈，然后在缩颈部位裂纹沿与外力垂直的方向扩展，到一定程度后失稳，沿与外力成45°方向快速发展至断裂。
众所周知，这种断口称为杯锥状断口。
断口表面粗糙不平，无金属光泽，故又称为纤维状断口。
微观形态：在电子显微镜和扫描电镜下观察，断口通常是由大量韧窝连接而成的。
每个韧窝的底部往往存在着第二相（包括非金属夹杂）质点。
第二相质点的尺寸远小于韧窝的尺寸。
韧窝形成的原因一般有两种形成情况：1）韧窝底部有第二相质点的情况。
由于第二相质点与基体的力学性能不同（另外，还有第二相质点与基体的结合能力、热膨胀系数、第二相质点本身的大小、形状等的影响），所以在塑性变形过程中沿第二相质点边界（或穿过第二相质点）易形成微孔裂纹的核心。
在应力作用下，这些微孔裂纹的核心逐渐长大，并随着塑性变形的增加，显微孔坑之间的连接部分逐渐变薄，直至最后断裂。
图3-41是微孔穿过第二相质点的示意图。
若微孔沿第二相点边界成核、扩展形成韧窝型裂纹后，则第二相质点留在韧窝的某一侧。
2）在韧窝的底部没有第二相质点存在的情况。
韧窝的形成是由于材料中原来有显微孔穴或者是由于塑性变形而形成的显微孔穴，这些显微孔穴随塑性变形的增大而不断扩展和相互连接，直至断裂。
这种韧窝的形成往往需要进行很大的塑性变形后才能够实现。
因此，在这类断口上往往只有少量的韧窝或少量变形状韧窝，有的甚至经很大的塑性变形后仍见不到韧窝。
当变形不大时，断口呈波纹状或蛇形花样，而当变形很大时，则为无特征的平面。
韧窝的形状与应力状态有较大关系。
韧窝断口的微观形貌特征
§3.1 韧窝断口的微观形貌特征
韧窝断口的微观形貌特征是一些大小不等的圆形或椭 圆形的凹坑-韧窝，在韧窝内经常可以看到夹杂物或第二 相粒子。然而并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子，因 为夹杂物或粒子分布在两个匹配断口上。此外夹杂物在断 裂、运输或超声清洗时也可能脱落。
凹坑的形状有等轴韧窝、剪切韧窝和撕裂韧窝三种。其 形状取决于应力状态。
§3.2.3 韧性断口的诊断
1.对材料塑性的判断 ①柔性系数。一般说来，载荷的柔性系数越小，同一种材
料所表现出来的塑性就越大；应变速率越大，温度越低，同种 材料所表现出来的塑性就越小。
②纤维区、放射区和剪切唇三区的相对大小。纤维区所占 的面积比例越大，说明材料塑性越好。
③颈缩。颈缩越大材料的塑性越好。 ④韧窝尺寸。韧窝的尺寸越大（平均直径越大、深度越 深），材料的塑性就越好。 2.对载荷类型的判断
22Cr双相不锈钢板材的冲击断口
45钢断口形貌
从以上的分析可知：剪切韧窝与撕裂韧 窝形状没有什么区别，只从照片上很难区分， 必须对断口两侧作对应研究，看凸向是否相 同才能确定。
§3.2 韧窝的尺寸
§3.2.1 韧窝的尺寸
韧窝的尺寸包括它的平均直径和深度。影响韧窝尺寸 的主要因素为第二相质点的尺寸、形状、分布，材料本 身的相对塑性、变形硬化指数，外加应力、温度等。
在金属的韧窝断口中，一般最常见的是尺寸大小各 不相等各不相等的韧窝，如大韧窝周围密集着小韧窝 的情况。
SEM
TEM
大韧窝周围密集着小韧窝
韧窝大小、深浅及数量取决于材料断裂时夹杂物或
第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温
度。如果夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差则断
口上形成的韧窝尺寸较小较浅。反之则韧窝较大较深。 成核的密度大、间距小、则韧窝的尺寸小。在材料的 塑性及其他试验条件相同的情况下，第二相粒子大， 韧窝也大；粒子小，韧窝也小。韧窝的深度主要受材 料塑性变相能力的影响。材料的塑性变形能力大，韧 窝深度大，反之韧窝深度小。
断口分析3延性断裂
金属断口分析
韧窝的形状取决于应力状态
等轴韧窝：拉伸正应力、均匀分布等轴 剪切韧窝：剪切应力、抛物线形状（对于拉伸、冲击断口：
剪切唇部位属于此类） 撕裂韧窝：撕裂应力、抛物线形状（沿应力方向）
卵形韧窝：大韧窝与小韧窝的
金属断口分析
金属断口分析
金属断口分析
金属断口分析
金属断口分析
第三章 延性断裂
金属断口分析
金属断口分析
第一节 韧窝断口的宏观形貌特征
金属断口分析
韧窝—微观聚集型断裂： 外力作用（拉伸、剪切、冲击等）→滑移位错堆积（或夹 杂物破碎）→微孔→微孔长大、聚集→断裂
韧断宏观特征：纤维区（表面颜色灰暗，无金属光泽）、 放射区、剪切唇
第二节 韧窝断口的微观形貌特征
断口形貌特征
A
2
二）宏观断口特征 1）断口三要素 纤维状区、放射状区、剪切唇。
三要素的大小分布和材质、形状、温度及受力状态有关。有时并不同时出现。
根据的分布类型、面积大小及形状等可以推测应力大小、应力状态、温度、材质 情况；可判断裂源和扩展方向。
A
3
A
4
2）不同断裂机制断口的宏观特征 1.韧窝断裂
材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。
（扫）500:1
（透）10000:1
（扫）2000:1
凹处暗，凸处亮。 A
Hale Waihona Puke 122.扫描电镜技术扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
各种观察手段结合可以得到较好的结果。
A
11
（金）200:1
A
6
3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈
45o
角。
A
7
4.疲劳断裂 疲劳断口一般可划分三个不同区域：平滑区和“年轮”条纹区和瞬断区。
A
8
5.蠕变断裂 蠕变断口的宏观形貌呈“冰糖”状特征。
A
9
三）显微断口分析技术
1）光学显微镜断口分析技术 用光学显微镜对断口进行观察和分析。其固有缺点为放大倍率低（×100--
韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
A
5
2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断
断口形貌特征
二）宏观断口特征 1）断口三要素 纤维状区、放射状区、剪切唇。
三要素的大小分布和材质、形状、温度及受力状态有关。有时并不同时出现。 根据的分布类型、面积大小及形状等可以推测应力大小、应力状态、温度、材质 情况；可判断裂源和扩展方向。
.
.
2）不同断裂机制断口的宏观特征 1.韧窝断裂
材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。 韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
各种观察手段结合可以得到较好的结果。
.
（金）200:1
（扫）500:1
（透）10000:1
（扫）2000:1 凹处暗，凸处亮。 .
3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈 角。
45o
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4.疲劳断裂 疲劳断口一般可划分三个不同区域：平滑区和“年轮”条纹区和瞬断区。
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5.蠕变断裂 蠕变断口的宏观形貌呈“冰糖”状特征。
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三）显微断口分析技术 1）光学显微镜断口分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ技术
用光学显微镜对断口进行观察和分析。其固有缺点为放大倍率低（×100-×500 ），焦点深度浅。只限于平坦的断口。主要用于观察材料的组织及裂纹 的形态等。
（二）断口形貌特征
.
（二）断裂机制和断口形貌特征
一）断裂分类 1）按断裂性质分类
塑性断裂
脆性断裂
（无宏观变形）
纤维状断口 （与正应力方向垂直）
剪切断口
（ 4 、5 o剪切唇）
穿晶断口
（解理断口、疲劳断口）
沿晶断口
塑性--脆性断裂
2）按断裂机理分类：解理断裂、韧窝断裂、准解理断裂、 疲劳断裂、环境断裂、蠕变断裂、 滑移分离、穿晶断裂等。
韧性断裂
断裂前发生明显的宏观塑性变形。
一、宏观判据
1、断口附近有明显的宏观塑性变形 2、断口表面呈纤维状 3、断口颜色灰暗
断裂过程示意图
杯锥状
韧性断口三区
韧断断裂前宏观形貌
韧断宏观形貌
二、微观判据
微观上，晶体有大量的滑移。 1、蛇形滑移和延伸 蛇形滑移是交滑移的结果。 蛇形滑移继续变形而变得平坦化，成为 “涟波”，进一步平坦化则变为延伸。 三种花样可以出现在同一视场。
蛇形与涟波
2、韧窝 韧性断裂的主要微观特征。 等轴韧窝：正应力 剪切韧窝：切应力 撕裂韧窝：弯曲应力
韧窝形成示意图
不同形状的韧窝
无夹杂韧窝
有夹杂韧窝
3、微观分析的注意事项
1）统计性 2）断裂途径 3）区分韧窝与疏松、微孔等缺陷
三、韧性断裂与载荷性质的关系
1、拉伸
1）断口成杯锥状，或成45°切断外形。 2）产生颈缩，其大小反映塑性的好坏。 3）杯锥状底部纤维基本上平行于轴线。 4）微观断口上存在大量等轴状或稍许拉长的韧 窝。
项目
断口形态
韧性断裂和脆性断裂的比较 韧性断裂 脆性断裂
宏观：纤维状 微观：蛇形滑移、涟波、延伸、 韧窝 粗糙、灰暗 伴有大量塑性宏观变形：拉伸— —缩颈，扭转——扭角，冲击— —转角，弯曲——挠度，压缩— —镦粗 过载或强度不足 宏观：放射状（人字纹）、颗粒 状 微观：塑性变形
项目
二、韧性断裂和脆性断裂的比较 韧性断裂 脆性断裂
晶粒边界处或位错塞积处应力 积累，形成内裂纹，当裂纹达 到某一临界值时，引起沿晶分 离或解理 远小于韧性断裂的临界核尺寸 沿晶分离（可能伴有微量塑性 变形），或沿一定晶面快速劈 开，扩展过程只需要很少能量 宏观：垂直于正应力 微观：沿晶、解理 通过沿晶分离或解理快速扩展 应力控制 σ＞ σf
断口的典型显微形貌特征
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
Ⅱ区是以沿晶为主的沿晶 +准解理断裂形貌，准解理特 征所占的比例较Ⅰ区大。
Ⅲ区主要为准解理
断裂特征，局部可见细
小韧窝。
金属材料检测技术
交韧窝，它是在正交条件下 断裂所产生的韧窝。垂直于 应力平面上，显微空洞在各 个方向上的长大速率是相等 的，故形成圆形等轴韧窝。
金属材料检测技术
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
（2）抛物线韧窝 当金属材料中的裂纹在平面应变条件下进行扩展时，
其断口的显微形貌特征亦可形成抛物线状韧窝，剪切韧窝 也是抛物线状的轫窝，两者的轫窝形态基本相同。
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
金属材料检测技术课程
断口的典型显微形貌特征
主讲教师：贾 金 龙 兰州工业学院
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
目录
1 韧窝断口实例
2 解理断口实例
金属材料检测技术
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1. 韧窝断口实例
（1）等轴韧窝 等轴韧窝也可称之为正
金属材料检测技术
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右图为在使用过程中的失效 部位，断口分为三个区域，Ⅰ 区为沿周边1mm处，断口发亮， 对应渗碳层。Ⅱ区为浅灰色， 可见从Ⅱ区放射的细小的棱线。 Ⅲ区呈颗粒状且颜色发亮。
Ⅰ区 Ⅱ区
Ⅲ区
金属材料检测技术
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Ⅰ区断裂起始处的断裂特征主要为冰糖状的沿晶断裂， 局部可见少量的准解理断裂形貌。
金属材料检测技术
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（3）沿晶韧窝 当金属材料中的裂纹在平面应变条件下进行扩展时
断口的宏观形貌微观形态及断裂机理
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理按断裂的途径，断口可分为穿晶断裂和沿晶断裂两大类。
穿晶断裂又分为穿晶韧性断裂和穿晶解理断裂（其中包括准解理断裂）。
沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂。
下面分别加以讨论。
1.穿晶断口（1）穿晶韧窝型断口断裂穿过晶粒内部，由大量韧窝的成核、扩展、连接而形成的一种断口。
宏观形貌：在拉伸试验情况下，总是先塑性变形，引起缩颈，然后在缩颈部位裂纹沿与外力垂直的方向扩展，到一定程度后失稳，沿与外力成45°方向快速发展至断裂。
众所周知，这种断口称为杯锥状断口。
断口表面粗糙不平，无金属光泽，故又称为纤维状断口。
微观形态：在电子显微镜和扫描电镜下观察，断口通常是由大量韧窝连接而成的。
每个韧窝的底部往往存在着第二相（包括非金属夹杂）质点。
第二相质点的尺寸远小于韧窝的尺寸。
韧窝形成的原因一般有两种形成情况：1）韧窝底部有第二相质点的情况。
由于第二相质点与基体的力学性能不同（另外，还有第二相质点与基体的结合能力、热膨胀系数、第二相质点本身的大小、形状等的影响），所以在塑性变形过程中沿第二相质点边界（或穿过第二相质点）易形成微孔裂纹的核心。
在应力作用下，这些微孔裂纹的核心逐渐长大，并随着塑性变形的增加，显微孔坑之间的连接部分逐渐变薄，直至最后断裂。
图3-41是微孔穿过第二相质点的示意图。
若微孔沿第二相点边界成核、扩展形成韧窝型裂纹后，则第二相质点留在韧窝的某一侧。
2）在韧窝的底部没有第二相质点存在的情况。
韧窝的形成是由于材料中原来有显微孔穴或者是由于塑性变形而形成的显微孔穴，这些显微孔穴随塑性变形的增大而不断扩展和相互连接，直至断裂。
这种韧窝的形成往往需要进行很大的塑性变形后才能够实现。
因此，在这类断口上往往只有少量的韧窝或少量变形状韧窝，有的甚至经很大的塑性变形后仍见不到韧窝。
当变形不大时，断口呈波纹状或蛇形花样，而当变形很大时，则为无特征的平面。
韧窝的形状与应力状态有较大关系。
WC_钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征
收稿日期:1998-08-29 第一作者:男,1946年生,硕士,教授*甘肃省自然科学基金资助项目WC -钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征*杨瑞成 王军民 车 骥(甘肃工业大学材料工程系,兰州 730050)摘 要 采用单边切口梁法(SENB)测试了12种工艺状态的WC 增强钢基复合材料的断裂韧性K c ,并用扫描电镜观察了其断口形貌.试验表明SENB 法对于WC-钢基合金的断裂韧性测试适用可行,数据稳定.研究发现数量众多(40%左右)的硬质相对材料的断裂韧性起决定性作用,细化硬质相及加强硬质相-基体交互作用有利于材料断裂韧性的提高.断口的主要特征为WC 解理、基体准解理及部分分散韧窝和韧窝带.关键词 复合材料 断裂韧性 断口 WC 硬质相 钢基体分类号 TG407碳化物-钢基复合材料已成为一种新型工程材料,不仅在机械工程,而且在其它行业如冶金、矿山和能源等行业,展示了其广阔的应用前景.作为一种能承受繁重负荷、高磨损工况的特殊结构材料,其常规力学性能已有较多研究[1～3],但是关于断裂韧性及断口形貌的报道甚少[4～5].究其原因,一般认为此类材料介于钢铁材料与陶瓷材料之间.钢铁材料的断裂韧性测试早已成熟,常用三点弯曲及紧凑拉伸的试验方法;陶瓷材料则鉴于其高脆性及工程需求,其不同于塑性材料(如软钢)的断裂韧性测试方法正在研究之中[6～8].碳化物-钢基复合材料从化学组成及制作方法上,更近于陶瓷材料,但目前尚无公认的、可靠的断裂韧性试验方法.本文结合材料性质,通过分析对比,尝试用单边切口梁法(SENB )[6]测试并考察了不同状态下WC -钢基复合材料的断裂韧性,以及扫描电镜下的断口微观形貌特征.1 实验方法1.1 材料和试样试验材料为WC-CrNiMo 钢基合金,WC 粒子为硬质相,中碳CrN iMo 合金为基体相,WC 粒子约占35%～45%.此类材料是将原料混粉,经特殊工艺烧结成型(烧结态),有的再锻造(锻打态),然后经不同工艺的热处理,加工成40mm ×8mm ×4mm 的扁平试样,横向一侧用<0.11的钼丝线切割,开一定深度的切口.1.2 材料的工艺及热处理状态试样淬火温度和回火温度分别为960℃,1000℃,1040℃和200℃,250℃,300℃,原始状态为烧结态和锻打退火态,共12种工艺状态.第24卷第4期1998年12月甘 肃 工 业 大 学 学 报Journal of Gansu University of Technology Vol.24No.4Dec.19981.3 材料力学性能试验及微观分析用日本产SHIMADZU AG -10TA 型万能程序试验机进行三点弯曲(3PB )加载,跨距为32.12mm,加载速度为0.1mm/min.试验机自动记录载荷-位移曲线,每种工艺状态的断裂韧性试验值取3个试样结果的平均值,试样的具体切口深度在压断后用万能工具显微镜测量,取3个位置的平均值.在S-520扫描电镜下观察其断口形貌,用MeF3作金相组织分析.2 试验结果2.1 SENB 法断裂韧性的测试结果通过3PB 测得的断裂负荷值p ,支点跨距s ,试样宽度b ,厚度d 以及切口深度h 的数值,便可用下列幂级数近似公式[5],求得材料的断裂韧性值:K c =3ps 2db 2h [1.93- 3.07(h /b )+14.53(h /b )2-25.07(h /b )+25.80(h /b )4]几个参数应满足h /b =0.4～0.6,b /s =1/4以及d =b /2的关系.实验数据经整理如图1～3所示,分别为各种工艺状态的断裂韧性值.不同工艺状态断裂韧性的试验结果的变化幅度并不大.图1 烧结态淬火温度与断裂韧性 的关系(均200℃2h 回火) 图2 锻造态淬火(4～6)与淬 回火处理的断裂韧性 图3 断裂韧性与回火温度的关 系(1000℃淬火,锻打态)2.2 SEM 断口分析典型断口图片见图4～7.各种状态的断口形貌总体特征为WC 解理+基体准解理+部分韧窝或韧窝带,以及某些状态的部分沿晶.不同状态的断口特征有一定差异,各种特征的比例也有所不同.3 分析与讨论3.1 WC -钢基复合材料SENB 测试值的适用性与稳定性传统断裂韧性试样上预制疲劳纹,多用于钢铁材料.裂纹与缺口既有联系,也有区别,可以认为裂纹是无限尖锐的缺口.对于脆性材料,预制裂纹极端困难,因此,非裂纹试样的断韧测试近年得到重视[6].当然,两类断裂韧性值存在如何对应的问题.本试验中试样切口实际宽度为<0.13mm,应属于比较尖锐的缺口;3PB 加载时,切口端部的前沿建立起高度集中的三向应力状态,试验中整个负荷-位移曲线均显示处于弹性变形阶段,宏观断面皆为平断口,无任何塑性变形的痕迹.而且断口的微观形貌也呈现出整体脆性的特征.因此,可以认为本试验WC -钢基合金的SENB 试验值是这种材料平面应变断裂韧性的一种表征.・24・甘肃工业大学学报 第24卷 图4 烧结态经960℃淬火200℃ 回火的SENB 断口 600× 图5 锻造态经960℃淬火200℃回火的SENB 断口 1200× 图6 锻造态经1000℃淬火300℃回火的SENB 断口 1200× 图7 锻造退火态的SENB 断口 1200× 另一方面,作为所采用的一种断裂韧性的测试方法,显然数据的分散性是一项重要特性.本试验材料各种工艺状态的3个SENB 测试值的偏差很小.这不仅说明本工作实验结果的可靠性,更说明SENB 法对于WC -钢基复合材料断裂韧性测试的适用性.此外,在本试验的方案设计中,除SENB 法外,还打算采用另外两种方法加以对比.其一就是维氏硬度压痕法(IM),它简便、快捷.采用半经验公式计算断裂韧性值,是陶瓷材料目前普遍采用的方法之一[6].然而,在本试验材料的磨光表面上虽然施加了各种维氏负荷,但压痕周围未曾引发出微裂纹,因此压痕法对于这种材料失效,这显然是由于大量强韧钢基体存在的缘故.还有一种用于脆性材料的山形(Chevron)切口法[7～8],但加工难度太大,难以保证尺寸精・25・第4期 杨瑞成等:WC -钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征度.至于钢铁材料常用的高频疲劳预制裂纹的方法,前人工作表明,即便对于硬化状态高碳合金工具钢,也极易在疲劳加载中产生裂纹失稳、贯穿试样的现象.WC -钢基复合材料的脆性一般要比工具钢大得多,故与陶瓷材料类似,存在疲劳纹预制困难的问题[5].因此,综上所述,本试验SEND 法不失为碳化物增强钢基复合材料断裂韧性的一种较为适宜的试验方法,而且能获得稳定的试验值.3.2 不同热处理状态的断裂韧性值为便于不同材料类型的对比,列出典型工程材料的断裂韧性值,如表1所示[9].表1 典型工程材料的断裂韧性数值K cMPa m 塑性纯金属(Cu,Al 和Ni 等)低碳钢高强钢Co-WC 金属陶瓷Si 3N 4SiC 混凝土100～35014050～15414～164～530.2 可见,各种类型工程材料断裂韧性值存在数量级之差,形成一条从极高韧性到极低韧性的分布谱.本试验测得的WC-钢基复合材料的断裂韧性,大致位于高强钢与陶瓷材料(包括碳化钨硬质合金)之间.WC -钢基复合材料与传统的硬质合金有一定类似性.首先均为粉末冶金烧结成型;其次,均以过渡族碳化物(现也有用碳氮化物、氮化物等)为硬质相,如WC,T iC,NbC 和VC 等,以韧性的铁族金属材料作为粘结相,硬质合金的粘结相为Co,试验的复合材料为钢铁.它们之间的差别也主要为两方面,一是硬质相的数量不同,硬质合金的硬质相达到80%～90%以上,而WC-钢基合金则一般少于50%～60%;二是粘结相性质与作用不同,硬质合金中少量Co 主要起硬质相之间的粘结与联接作用,而在试验材料中,50%～60%的钢铁成为基体,还为硬质相提供强韧支撑,并赋于此类材料的可热处理性,因而具有多方面的工程适应性.但是,也应该看到,由于大体积比例的脆性硬质相的存在,试验材料的断裂韧性虽明显高于陶瓷材料,但要逊于钢铁材料,这也与其应用场合相适应.从图1～3可以看到,不同工艺状态的断裂韧性值均在27～32MPa m 范围内,相差并不太大.但加工状态及热处理工艺的影响还是存在的.200℃回火对淬火态的断裂韧性值有所改善(见图2),这与部分消除淬火应力以及与淬火态的马氏体的部分回火有关系.尤其松弛硬质相周围由于其热膨胀系数与钢基体的显著不同(WC 的热膨胀系数为4.50×10-6/℃,而A-Fe 却为14.79×10-6/℃)而可能产生微区范围的热应力[10],至于上升的幅度不大,这主要是由于大体积分数的硬质相的存在.此外,与一般钢材不同,图3表明在较低温度回火范围,钢基合金的断裂韧性值反随回火温度(约为300℃)上升而有所下降.这一方面是由于试样较小且是分级淬火,宏观淬火应力不会很大,因此不同温度回火消除残余应力的差别不那么显著.但另一方面,仔细观察金相却表明,随着回火温度升高,过饱和马氏体基体能比较充分分解,析出的碳以碳化物的形式极易附着在原有密集分布的硬质相上或相毗邻的硬质相之间,造成或加剧硬质相的“桥接”现象,即硬质相之间的相连,这会损害材料的塑性,导致断裂韧性值的下降.3.3 断口特征与启示材料烧结后锻造退火,再经淬火回火处理的断裂韧性试样断口的微观形貌,为基体准解理+部分硬质相解理+韧窝带及分散韧窝.此材料淬火加热的过热敏感性极小,1000℃加热后,测得奥氏体晶粒度为AST M12级,960℃为12.5级,晶粒十分细小,故断裂单元即断口上基体准解理面尺寸很小,一般不超过5～6L m .同时,还有一定数量的硬质相WC 发生解理.此・26・甘肃工业大学学报 第24卷外,断口上所出现的较多韧窝带或分散分布的韧窝,显示此种材料所具有的微观延性,这实际上反映了断裂时硬质相粒子解理与其周围基体准解理之间的不连续性,以及硬质相聚集区与基体区(即退火组织中的亮区与暗区[11])之间裂纹扩展的不连续性,二者均会引起交界处材料的撕裂,从而造成断口上的延性特征.具有超细晶粒尺寸的960℃淬火处理试样断口(图5)分散韧窝较多,且较大一些,因此断裂韧性值高一些.另外,不同温度回火处理试样的断口形貌特征变化不大,但较高温度回火后,WC 解理似有所增多(图6),而且断口整体上也较为平整,微观形貌不如200℃回火试样那样凌乱,这可能与上述较高温度回火后碳化物的桥接析出有关,致使裂纹扩展较为连贯,断裂路径易从硬质相通过,WC 解理比例加大.这样断面较为平坦,因此断裂所需能量有所下降.与预想结果不同,烧结态淬火回火试样的断裂韧性值并不明显低于锻打态,有的数据点甚至稍高.断口特征为大块基体准解理与WC 解理相间分布(图4),正与烧结态的显微组织相对应(为数十微米的块状基体马氏体区及边界上呈近似网络状的WC 聚集分布).这也说明断裂路线并非一直顺着WC 聚集区域“沿晶”进行,而是途径WC 聚集区后,穿越基体内部而“穿晶”扩展,造成了基体大块的准解理区域,这也与烧结态基体内硬质相碳化物粒子较少,对裂纹扩展干扰较少有关.此外,还应说明的是,烧结态与锻打态不是一批烧结的,前者WC 的粒度要细一些;另外,烧结态存在一定孔隙数量,会导致裂纹扩展时的分岔.这些可能也是其韧性值较高的原因.为了进行对比,本试验也包括锻打退火态,其断裂韧性平均值为31.40MPam ,最高值为33.35MPa m,稍高于其它状态,断口形貌如图7所示.其基体明显准解理,此外也能看到部分WC 解理及韧窝或韧窝带.锻造退火态的金相组织为WC 聚集区(亮区)与索氏体(暗区)相间,因此基体本身的塑性要好于其它状态,然而,由于处于切口及裂纹前沿的三向拉应力区,更兼之周围大块硬质相的区域性封锁、约束,以及基体上多量细小碳化物的微区阻碍作用,大大限制了基体塑性的充分发挥,不能按延性断裂机制破断,而是主要以准解理方式扩展,因此其断裂韧性并没有呈现像普通钢铁材料的退火态与硬化态那样的悬殊差别.通过以上试验结果及分析,可以得到以下初步启示.WC -钢基复合材料的断裂韧性主要由材料中数量众多的硬质相来决定,SENB 断裂韧性值对其基体组织状态不像钢材那样敏感.细化硬质相以及增强硬质相与钢基体之间的交互作用必将对提高材料的断裂韧性有利.因为断裂物理早已证实,细小脆性相的解理倾向小、断裂应力高,即便裂纹是以准解理方式扩展,其平均自由程也受第二相粒度的限制,粒子间过渡地带必以撕裂或准解理方式进行,导致韧性的提高.再有,如果硬质相-基体之间的界面上存在相互溶解、扩散等交互作用,形成有一定浓度梯度的冶金结合层[11],那么必然强化、韧化其相界面及毗邻区域,势必减少局部沿晶断裂,增加断裂所需能量.从这个角度,由于硬质相WC 与基体的交互作用强烈[11],因此WC-钢基合金的韧性要优于TiC-钢基合金.4 结论1)单边切口梁(SENB)法测试WC-钢基复合材料断裂韧性,简单适用,数据稳定.同一状态试样的测试值偏差很小,一般不大于5%.2)数量多的硬质相(40%左右)对WC -钢基复合材料的断裂韧性起主要作用.本试验材料・27・第4期 杨瑞成等:WC -钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征的SENB 断裂韧性值较高(27～32MPa m ),可能与较细的硬质相以及存在WC 与基体间的交互作用有关.3)试验材料各种工艺状态的断口主要特征为硬质相解理、基体准解理及部分韧窝和韧窝带,不同状态断口的微观形貌存在一定差异,各种特征的比例也不同,这些也与试样断裂韧性测试值的高低相对应.致谢:本文的扫描电镜断口分析工作,得到材料系刘天佐高级工程师、赵文军工程师的协助与支持.参 考 文 献1 王洪海.硬质颗粒钢基复合材料.硬质合金,1993,10(3):169～1732 Chagnon F.Wear resist ance of PM Fe-Cu-C mat erials containing steel TiC par ticles.Inter 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acture toughnesses K c of the twelve kinds of processing conditions have been measured in WC-steel matrix compos-ite ,and its fractographic patterns have also been observed using SEM .T he results show that SENB method is suitable for the measurement of fracture toughness of the composite,with stable exper imental data.T he present research work has found that numerous har d phases (40%)play the predominant role to K c of the tested materials ,and finer WC and en-hancing the inter action between hard phase and steel matrix can improve fracture toughness of the material.T he main characteristics of fractures of the WC-steel matr ix composite are the cleavage of WC,the quasi-cleavage,the disper sed dimples and the dimple bands.Key words composite,fractur e toughness,fractures,WC,hard phase,steel matr ix ・28・甘肃工业大学学报 第24卷。
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韧窝断口典型形貌特征
韧窝断口是指微孔聚集型断裂的断口上，覆盖着大量显微微坑，这些微坑（窝坑）称为“韧窝”，韧窝是金属塑性断裂的主要微观特征，韧窝断口典型形貌特征是宏观形貌呈纤维状，微观形态呈蜂窝状，断裂面是由一些细小的窝坑构成，窝坑实际上是长大了的空洞核，通常称为韧窝，它是韧窝断裂的最基本形貌特征和识别韧窝断裂机制的最基本依据。
韧窝的形状主要由所受的应力状态所决定，一般可以出现三种不同形状的韧窝花样：正交韧窝、剪切韧窝、撕裂韧窝。
韧窝的大小包括平均直径和深度，用韧窝宽度和深度来度量。
影响韧窝大小的主要因素从材料方面讲为第二相的大小、密度、基体的塑性变形能力、形变硬化指数等，从外界条件讲与应力大小和加载速率有关。
韧窝的尺寸和深度同材料的延性有关，而韧窝的形状则同破坏时的应力状态有关。
由于应力状态不同，相应地在相互匹配的断口偶合面上，其韧窝形状和相互匹配关系是不同的。
脆性断裂和韧性断裂的机理如下：
1.脆性断裂。
主要是解理或准解理，在一定条件下，当应力达到一定
值，快速沿一定的结晶面而发生断裂，在断口上其微观特征主要表现
为河流花样。
2.韧性断裂。
主要是微孔集合型剪切，在断口上其微观特征表现为韧
窝。