断口分析
断口分析
1.弹性不匹配的裂纹形核：晶粒间由于取向，化学成分不同，弹性模量是不一样的，外部施加的应力或内部产生的应力在两个经理内产生不同的弹性应变，从而可能导致局部的高应力，并通过形成裂纹加以释放。
2.结晶固体中的塑性形变引起的裂纹形核：低温下的结晶材料，如金属和陶瓷，会发生剪切形变。从微观结构的层次来看，这是由单个位错的滑动(滑移)或大批的位错协调移动(局部形变孪生)引起的晶体内或晶粒内的剪切形变。由此产生的剪切应力可能局限在一个窄带内。当剪切带遇到障碍，例如晶界或者第二相粒子，在剪切带尖上会产生
很大的局部应力，这就引起了裂纹形核。材料的晶体结构及外加应力的方向决定了滑移面或孪生面的方向以及剪切发生的方向。裂纹形核的平面与材料的晶体结构和“障碍”界面的强度密切相关。由于结晶解理，裂纹产生在同一晶粒的剪切带中。当然裂纹也可能会产生在“障碍”处，或者在材料中弱界面处，沿界面形成。高应力集中也可能会通过普通的塑性形变而不是裂纹形核释放出来。裂纹是否产生取决于多个不同变量，包括剪切应力大小、障碍的强度、形变动力学以及滑移系的几何性质等。有些材料比较易碎，容易产生裂纹，是因为无法释放由于塑性形变所产生的高的应力集中。
3.塑性孔洞聚合引起的裂纹形核：这种机制多发生于很多含有刚性颗粒的延性固体中，具体细节取决于固体的微观结构。当受力变形时，延性基体通过两种方式产生形变:晶体材料的滑移，或者在非晶和半
结晶体材料中更为普遍的剪切过程，但其中的坚硬颗粒不会发生形变。因此，随着颗粒周围产生的许多塑性孔洞，颗粒和基体开始分离。而一旦形核，由于基体的进一步剪切或高温下的扩散过程，塑性孔洞会不断扩大。最终，不断变大的塑性孔洞的应力场会彼此交互作用，基体剪切应力逐渐集中到颗粒之间的区域，导致其与基体的分离而形成裂纹。裂纹是由不规则排列的多个聚集的塑性孔洞构成的。这说明，裂纹可能是由许多较小的裂纹形成的，在本例中指的就是刚性颗粒与基体界面间的小裂纹。
4.界面滑移产生的裂纹形核：在足够高的温度下，多晶材料，或者更准确地说，球状半结晶聚合物的形变原因是这些相对来说呈刚性的晶体之间的滑移。由于热活化过程的作用，材料在发生形变前，晶粒或者球晶会发生晶界弛豫，所以整个滑移过程就成为形变的主要模式。当三相点的晶粒棱角导致滑移过程中断时，材料上就会出现楔形裂纹。在滑移过程中，位于晶界上的刚性颗粒可能会导致塑性孔洞的形核。这些塑性孔洞不断扩展和聚集，在晶界上形成裂纹，这个原理和的塑性孔洞的道理类似。
5.交变应力(机械疲劳)产生的裂纹形核：以上所述的裂纹形核的示例都是由单调加载引起的。在单调加载条件下，当施加循环应力时，尽管应力尚未达到裂纹产生和扩展的临界水平，也会导致机械疲劳。循环应力导致较小的形变，逐渐累积并最终产生裂纹。一般来说，滑动或滑移是在一个主滑移面上进行的，而循环应力则会导致其在几个相互紧邻的平行平面的狭窄区域或窄带内来回滑动，该区域被称为永久
滑移带。这时，由于晶体的滑动，表面上就会出现锯齿和像裂纹一样的线，导致应力逐渐集中，并最终在滑移带内的平面上产生裂纹。6.导致试样变形或产生其他裂纹前，就达到了使裂纹扩展的临界应力值，裂纹就会扩展并产生断裂，这时就应该使用断裂力学。如果情况相反，则应该使用损伤力学。这两者的界定经常会互相重叠。损伤力学中，如果研究的是单个裂纹在局部应力环境下的扩展，而非对所有的应力的扩展时，断裂力学中的很多内容是可以应用到损伤力学中的。
7.随着裂纹的扩展，应力场也不断变化，断裂路径保持平滑连续。对于脆性材料，由于裂纹的扩展方向垂直于局部最大拉应力，同时应力场也没有应力分量垂直于某个自由面，所以裂纹会以直角相交接.
8.层状复合材料的层间剪切断口和岩石的宏观剪切破坏-“梯形裂纹”；各种化学和物理收缩过程产生的应力-“泥裂”(陶器的釉质层和油画涂料的脆性薄膜)。
9.解理面上形成的台阶是由于裂纹穿过螺型位错造成的。
10.台阶合并与它对扩展中的裂纹前端的外形影响有关。在台阶上会产生新的平面，这个过程需要消耗能量，导致台阶上产生对裂纹前段的曳力，这样裂纹就逐渐在台阶处弯曲扩展。
11.断口表面形貌特征是由应力场的条件而不是微观结构决定的。河流花样台阶形成于第二箱粒子和夹杂处。
12. 大部分材料并不会呈现出镜面光滑的表面特征。这主要是由两个原因造成的:首先是微观结构特点，例如晶界、第二相粒子和增
强颗粒等，会使裂纹偏转到不规则的路径上;其次，由于不存在尖锐的原生裂纹，或者原有裂纹因形变和微损伤过程致钝，这样，断裂在较高的应力条件下才会发生，并释放出大量的能量。
13.扩展裂纹前端的微裂纹形核和扩展:在扩展的裂纹周围有一个高应力场, 这个高应力场会造成微裂纹在裂纹前方的材料中萌生。这些微裂纹会各自生长并逐渐与主裂纹相连通。随着应力强度的增加，材料的体积也随之增大，相应的，损伤区的范围也会扩大。由于在主裂纹面以外二次裂纹的形核范围不断扩大，材料断口表面也越来越粗糙。
14.当裂纹的速度和固体中的应力波速度相差不远时，裂纹周围的应力分布就会改变。原本垂直作用于裂纹平面裂尖处的最大拉伸应力，会和裂纹平面之间形成一个角度，结果就导致了裂纹分叉。通过对裂纹分叉现象额观察和分析，产生了一个新的概念“终端速度”限制，有显示，对于运动中的裂纹，当其速度低于终端速度时，会受到几种不同的不稳效应的作用，利用这些不稳效应，就可以解释在实验中观察到的现象。即在玻璃质固体中，裂纹扩展速度较低的情况下，断口会出现粗糙表面。
14.单晶体虽然是均质的，但是其物理和机械性质中还是存在不同程度的各向异性，例如弹性模量、剪切强度及最重要的解理强度。15.材料各向异性对于断裂行为的主要影响在于晶体中的解理可能在平行于某个并不垂直于最大拉应力方向的晶面上发生。（在对称性较低的晶体上更为明显—云母类层晶材料）。
16.一个晶面能否沿某个特定的晶面开裂或解理，可以用这些晶面的低表面能来解释，而这种表面能又取决于原子键的强度和性质。17.密排六方（hcp）材料的延性取决于是否存在某种滑移系和孪晶系，其位移向量不在基面内。
18.当裂纹扩展过程中与孪晶相遇，裂纹穿过孪晶会发生偏转，同时解理面也会倾斜相应的角度。裂纹扩展产生的应力场也可能会形成孪晶，虽然孪晶的生长决定于外加应力的大小，但裂尖的局部应力可能导致孪晶的产生。在裂纹扩展的过程中，形成于裂纹前端的孪晶会导致裂纹的倾斜；在扩展裂纹旁边产生的孪晶会慢慢生长，并和裂纹平面相互影响，这样也会使表面倾斜。在前者的情况下，断口的两个表面都会倾斜，而在后者的情况下，只有裂纹所在的表面会发生倾斜。
19.裂纹钝角相交，裂纹彼此交叠，台阶处产生细条；锐角相交，在锐角交叠的分离处具有不规则刻面的端口表面（方解石）。
20.解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金，低温、冲击载荷和应力集中常促使解理断裂的发生。面心立方金属很少发生解理断裂。解理断裂通常是宏观脆性断裂，它的裂纹发展十分迅速，常常造成零件或构件灾难性的总崩溃。
21．沿晶断裂：当金属或合金沿晶界析出连续或不连续的网状脆性相时，在外力的作用下，这些网状脆性相将直接承受载荷，很易于破碎形成裂纹并使裂纹沿晶界扩展，造成试样沿晶界断裂，它是完全脆性的正断。金属材料中的裂纹沿晶界扩展而产生的一种断裂。当沿晶断
裂断口形貌呈粒状时又称晶间颗粒断裂。多数情况下沿晶断裂属于脆性断裂，但也可能出现韧性断裂，如高温蠕变断裂。
22.剪切作用在薄桥层上更容易发生，如果桥层厚度低于临界尺寸，它会因剪切应力而断裂，而不发生解理。由于体心立方金属材料的位错运动相对较为容易，因此桥层断裂大部分是由剪切应力造成的。
23.解理裂纹沿着孪晶-基体界面发生偏移，产生“舌状结构”。
24.当两个晶粒共享一个晶界时，当解理裂纹在第一个晶粒内扩展遇到晶界时，可能会发生三种情况：第一种，裂纹会停止下来，不会继续扩展，或者说这些裂纹发生钝化，变得不活跃；第二种。裂纹在晶界处停止下来，由于裂尖的高应力，导致在相邻晶界中产生一个新裂纹，新裂纹的方向与老裂纹不同。在这种情况下，两个裂纹在某一处相交，材料要整体断裂，需要在晶界处发生其他的断裂过程（塑性撕裂或者细尺度解理），晶界处大范围的破坏使得多晶材料中裂纹扩展的阻力增大了；第三种情况是一种特殊情况，即在第二个晶粒内的解理平面仅相对于第一个晶粒内的解理平面发生亲写，裂纹连续扩展，穿过晶界。
25.“准解理”常用于形容精细尺度聚合的多相材料的脆性解理断裂。
26.当裂纹在外加载荷的影响下扩展时，裂纹会穿过由反射波产生的复杂区域，这可能会引起断裂路径和裂纹速度的明显变化，并由此影响到断口表面的形貌。反射应力波的重要性取决于裂纹和应力波的相对速度，以及测试部件的尺寸。
27.瓦纳线是由于在裂纹扩展过程中，垂直于裂纹所在平面的一些微
扰动造成的，这些扰动是由裂纹产生的应力波引起的。
28. 较长尺度的原生尖裂纹。当逐渐加载时，位于裂纹尖端的应力不断增加。这可能导致某些局部发生塑性形变，形变的程度取决于微观形变过程的难易程度以及载荷增加的速度(还有一些其他的因素)。可以假设有三种可能:第一，没有产生塑性形变，裂纹尖端保持原子尺度的尖锐。断裂处的载荷和K IC值较低。第二，有一些塑性形变或者微观裂纹破坏发生，裂尖钝化。断裂载荷不断增加直到应力高到一定程度使得塑性区产生尖裂纹，从而导致裂纹的加速扩展，K IC值较高。第三，塑性形变导致形变控制的裂纹扩展，通常也称为“稳态”裂纹扩展。裂纹扩展所需载荷比非稳态扩展时所需的载荷要小。最终，裂纹的长度会达到临界值，使得裂纹尖端的应力大到足够引发非稳态扩展。
29.在原子尺度，当一个区域的温度为熔点温度的3/10倍时，就会发生表面扩散导致的局部重排。因此，较高温度形成的断口表面与较低温度相比，更容易受到重构的影响。（扫描电子显微镜，入射电子束会产生大量的热量，可能导致原位表面重构，通过使用低温载物台可以使问题最小化）
30．如果材料中含有在周围环境下不稳定的相或其他组分时，材料的断裂会使不稳定相暴露出来并发生分散，从而在表面上留下小孔。这种相的影响并不总是很明显，但这种相的存在可能会对断裂路径有很大的影响，例如，当裂纹扩展穿过一个该相粒子的中心或者沿着界面扩展时，裂纹的断裂路径就会发生变化;冷冻断裂(freeve fractured)
试样，如含有冰粒子材料的断裂，有很多这类问题的例子。高强度的材料，例如钢和钛合金，则特别容易受到伴随氢元素快速扩散以及氢化物相形成所产生效应的影响。许多这种氢化物在空气或者真空中不稳定，在断裂暴露时发生分解。