金属断裂的微观机制及显微特征

金属断裂的微观机制及显微特征

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。

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。

基本脱落机制的典型微观形貌：a沿晶脆性断裂b霰石脱落c科东俄霰石脱落d韧窝

脱落]属相同基本脱落机制的断口所观测至的典型微观形貌，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。

沿晶脆性断裂的出现在非常大程度上依赖于晶界面的状态和性质。课堂教学说明，纯

化金属,净化晶界,避免杂质原子在晶界上偏聚或退溶，以及防止脆性第二相在晶界划出等，均可以增加金属出现沿晶脆性断裂的女性主义。因此,应用领域x射线能谱分析法和俄歇

电子能谱分析法确认沿晶脱落面的化学成分，对从冶金因素去重新认识材料的致脆原因，

明确提出改良工艺措施存有指导意义。

微观形态：在沿晶脆性断口上，几乎没有塑性变形的痕迹或仅看到极少的韧窝。例如，过烧后的断口，就是沿晶界氧化物薄膜发生的一种沿晶脆性断裂。另外，18-8奥氏体不锈钢沿晶界大量析出碳化物后，也易产生沿晶脆断；沿晶界化学腐蚀和应力腐蚀（包括氢脆）后产生的断口，也都是沿晶脆性断口。属于这类断口的还有层状断口和撕痕状断口等。

霰石脱落属一种穿着晶脆性断裂，根据金属原子键合力的强度分析，对于一定晶系的

金属，均存有一组原子键合力最强的、在也已形变下难脱落的晶面，这种晶面通常称作解

理面。比如：属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}。一个晶体如果就是沿着解理面出现脱落,则称作霰石脱落。面心立方金属

通常不出现霰石脱落（见到晶体结构）。霰石脱落的特点就是:脱落具备显著的结晶学性质,即为它的脱落面就是结晶学的解理面{},裂纹拓展方向就是沿着一定的结晶方向〈〉。

为了则表示这种结晶学性质,通常用霰石系统{}〈〉去叙述。对于体心立方金属，已观测

至的霰石系统存有{100}，{100}〈011〉等。霰石断口的特征就是宏观断口十分平缓，而

微观形貌则就是由一系列小裂面(每个晶粒的解理面)所形成。在每个解理面上可以看见一

些十分吻合于裂纹拓展方向的阶梯，通常称作霰石阶。

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

流霰石阶的合流方向代表脱落的拓展方向；合流角的大小同材料的塑性有关，而霰石

阶的原产面积和霰石阶的高度同材料中势能密度和势能组态有关。因此，通过对河流花样

霰石阶展开分析，就可以协助我们找寻主脱落源的边线，推论金属的脆性程度，和确认晶

体中势能密度和势能容量。

微观形态：在电子显微镜下观察时，解理断口呈“河流花样”和“舌状花样”。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。准解理断裂首先在回火马氏体等复杂组织的钢中发现。对于大多数合金钢（如ni-cr钢和ni-cr-mo钢等），如果发生断裂的温度刚好在延性－

脆性转变温度的范围内，也常出现准解理断裂。从断口的微观形貌特征来看，在准解理断

裂中每个小断裂面的微观形态颇类似于晶体的解理断裂，也存在一些类似的河流花样，但

在各小断裂面间的连结方式上又具有某些不同于解理断裂的特征，如存在一些所谓撕裂岭等。撕裂岭是准解理断裂的一种最基本的断口形貌特征。准解理断裂的微观形貌的特征，

在某种程度上反映了解理裂纹与已发生塑性变形的晶粒间相互作用的关系。因此，对准解

理断裂面上的塑性应变进行定量测量，有可能把它同断裂有关的一些力学参数如：屈服应力、解理应力和应变硬化参数等联系起来。

微观形态：在电子显微镜和扫描电镜下观测，断口通常就是由大量韧窝相连接而变成的。每个韧窝的底部往往存有着第二二者（包含非金属夹杂着）质点。第二二者质点的尺

寸离大于韧窝的尺寸。

韧窝断裂金属多晶材料的断裂，通过空洞核的形成长大和相互连接的过程进行,这种

断裂称为韧窝断裂(dimplefracture)韧窝断裂是属于一种高能吸收过程的延性断裂。其断

口特征为：宏观形貌呈纤维状，微观形态呈蜂窝状

脱落面就是由一些细小的窝坑形成,窝坑实际上就是长大了的空洞核，通常称作韧窝，它就是韧窝脱落的最为基本形貌特征和辨识韧窝脱落机制的最为基本依据。系统的观测说明，韧窝的尺寸和深度同材料的延性有关，而韧窝的形状则同毁坏时的形变状态有关。由

于形变状态相同，适当地在相互相匹配的断口偶合面上，其韧窝形状和相互相匹配关系就

是相同的。

微观形态：在断口表面可看到许多位向不同、无金属光泽的“小棱面”或“小平面”。这些“小棱面”或“小平面”的尺寸与晶粒尺寸相对应（如果晶粒细小，则断口表面上的“小棱面”或“小平面”用肉眼就不能看到或不明显）。在电子显微镜下观察“小校面”

或“小平面”，它是由大量韧窝组成的，韧窝底部往往存在有第二相质点（或薄膜）。

由于韧窝的形状与形变状态密切相关，故对断口耦合面上二者压板部位的韧窝形状、尺寸和深度展开分析，就可以确认脱落时所在部位的形变状态和裂纹拓展的方向，并对材料的延性展开评价。除了其他脱落的机制例如：烦躁、塑性和形变

微观断裂机制的实际应用作为材料断裂韧性指标之一的裂纹扩展阻力，它不但是一个材料常数，而且也同断裂的微观机制有关。例如：当断裂机制是沿晶脆性断裂或解理断裂时，值较小；反之，当断裂机制是韧窝断裂时，则值较大。

脱落微观机制的分析，有可能把断口的形貌分析同断裂力学指标联系出来，其中最重要的成果之一就是系统地创建了脱落机制图，这对化解一些工程脱落问题十分有价值。所谓脱落机制图，就是指挑选适度的脱落参数、力学参数或物理参数做为坐标系，用它去奠定各种可能将发生的微观脱落机制的区域，以便辨认出各类金属脱落的普遍规律。在工程应用领域上，脱落机制图对工程设计，材料的挑选，采用条件的管制，以及失灵分析等都能够提供更多十分关键的指导性意见和数据资料，目前正大力开展这方面的工作。

上面介绍的断口微观形态，是按照断裂的途径来分类的。而实际生产中见到的断口有时往往是由几种类型并存的混合断口。例如，石状断口中，如果“小棱面”或“小平面”不是贯穿整个断面，断口常常是沿晶和穿晶混合断口。

在实际生产中根据瑕疵断口的宏观形貌和微观形态就可以推论出来瑕疵的类型、瑕疵产生的原因和应当实行的对策。