断口分析及其微观机制

断口分析及其微观机制

研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。

断口的宏观和微观观察断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。

对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。

断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行。

脆性断口和延性断口。根据断裂的性质，断口大致分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成；延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成.

这三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区（对冲击拉伸则有终了断裂区），通常称它们为断口三要素。对于同一种材料，三个区域的面积及其所占整个断口的比例随外界条件的改变而变化。例如：加载速率愈大，温度愈低，则裂纹扩展区（即放射区）所占的比例也愈大。如果定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为,则通常把=1时的断裂温度称为材料的韧性-脆性转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度）。如果在同一温度和加载速率下比较两种材料的断裂性质，则值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。

金属断裂的微观机制为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。在断口的分析中，各种断裂机制的提出主要是以断口的微观形态为基础，并根据断裂性质、断裂方式以及同环境和时间因素的密切相关性而加以分类。根据大量的研究成果，目前已知主要的金属断裂微观机制可以归纳在表1[金属的断裂微观机制]中。

属于不同断裂机制的断裂，其断口微观结构各具有独特的形貌特征。

图2[基本断裂机制的典型微观形貌a沿晶脆性断裂×500 b 解理断裂×1000 c 准解理断裂×2000 d 韧窝断裂×2000]] 所示是属于不同基本断裂机制的断口所观察到的典型微观形貌，其物理本质和断口特征为：

沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸收过程的断裂。根据断裂能量消耗最小原理，裂纹的扩展路径总是沿着原子键合力最薄弱的表面进行。晶界强度不一定最低，但如果金属存在着某些冶金因素使晶界弱化（例如杂质原子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脱溶，或脆性相在晶界析出等等），则金属将会发生沿晶脆性断裂。沿晶脆性断裂的断口特征是:在宏观断口表面上有许多亮面,每个亮面都是一个晶粒的界面。如果进行高倍观察，就会清晰地看到每个晶粒的多面体形貌（图2a[基本断裂机制的典型微观形貌a沿晶脆性断裂×500]）类似于冰糖块的堆集，故有冰糖状断口之称；又由于多面体

感特别强，故在三个晶界面相遇之处能清楚地见到三重结点。

沿晶脆性断裂的发生在很大程度上取决于晶界面的状态和性质。实践表明，提纯金属,净化晶界,防止杂质原子在晶界上偏聚或脱溶，以及避免脆性第二相在晶界析出等，均可以减少金属发生沿晶脆性断裂的倾向。因此,应用X射线能谱分析法和俄歇电子能谱分析法确定沿晶断裂面的化学成分，对从冶金因素来认识材料的致脆原因，提出改进工艺措施有指导意义。

解理断裂属于一种穿晶脆性断裂，根据金属原子键合力的强度分析，对于一定晶系的金属，均有一组原子键合力最弱的、在正应力下容易开裂的晶面，这种晶面通常称为解理面。例如：属于立方晶系的体心立方金属,其解理面为{100}晶面；六方晶系为{0001}；三角晶系为{111}。一个晶体如果是沿着解理面发生开裂,则称为解理断裂。面心立方金属通常不发生解理断裂（见晶体结构）。

解理断裂的特点是:断裂具有明显的结晶学性质,即它的断裂面是结晶学的解理面{ },裂

纹扩展方向是沿着一定的结晶方向〈〉。为了表示这种结晶学性质,通常用解理系统{ }〈〉来描述。对于体心立方金属，已观察到的解理系统有{100} <001>，{100}〈011〉等。解理断口的特征是宏观断口十分平坦，而微观形貌则是由一系列小裂面(每个晶粒的解理面)所构成。在每个解理面上可以看到一些十分接近于裂纹扩展方向的阶梯，通常称为解理阶（图

2b[基本断裂机制的典型微观形貌b解理断裂×1000]）。

解理阶的形态是多种多样的，同金属的组织状态和应力状态的变化有关。其中所谓“河流花样”是解理断口的最基本的微观特征。河流花样解理阶的特点是：支流解理阶的汇合方向代表断裂的扩展方向；汇合角的大小同材料的塑性有关，而解理阶的分布面积和解理阶的高度同材料中位错密度和位错组态有关。因此，通过对河流花样解理阶进行分析，就可以帮助我们寻找主断裂源的位置，判断金属的脆性程度，和确定晶体中位错密度和位错容量。

准解理断裂也是一种穿晶断裂。根据蚀坑技术分析表明，多晶体金属的准解理断裂也是沿着原子键合力最薄弱的晶面（即解理面）进行。例如：对于体心立方金属（如钢等），准解理断裂也基本上是{100}晶面,但由于断裂面上存在较大程度的塑性变形（见范性形变），故断裂面不是一个严格准确的解理面。