断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理(借鉴内容)

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疲劳断口宏观分析

1 疲劳断口的形貌特征疲劳断口是指金属材料或零构件在疲劳断裂过程中形成的一种匹配的表面，称断裂面或断口。

分析它的目的在于确定零构件是否属于疲劳破坏?其破坏的原因是什么?从而提出防止事故的措施和方法，为今后的设计、选材以及加工等问题提出改进意见。

对断口的形貌进行分析包括两个方面，即宏观断口分析和微观断口分析。

所谓宏观分析是指用肉眼或20—30倍以下放大镜观察断口的形貌特征。

微观分析是指用光学显微镜或电子显微镜对断口进行分析。

宏观分析不要求专门设备，被观察断口尺寸不受限制，可以观察断件和断口全貌，了解各个方面变化情况，所以说宏观分析是断口分析的基础。

微观分析是用高倍的光学显微镜、c透射电镜，扫描电镜对断口进行分析，能观察断口的精细结构及裂纹形态。

1.1 疲劳断口宏观特征由于零构件经常承受拉、压、弯、扭或复合应力的作用，因载荷类型不同，在宏观断口上表现出的形貌特征也不相同。

（1）弯曲应力作用下的疲劳断口图1-2是在弯曲疲劳载荷作用下的断口示意图。

零件在弯曲疲劳载荷作用下，其表面应力最大，中心应力最小，疲劳源首先在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直方向扩展，到最后瞬断。

图中（a）是单向弯曲疲劳断口，它的疲劳源首先在受拉应力一侧表面形成，瞬断区在疲劳源相对侧，其面积大小由材料抗拉强度和外加载荷的大小来决定。

图中（b）是双向弯曲疲劳断口，由于双向弯曲，试件上下两侧交替承受拉应力作用，故疲劳源在相对两侧面形成，瞬断区在中间。

图1-3是轴在旋转弯曲应力作用下的疲劳断口示意图，由于旋转弯曲应力也是表面最大，中心最小，疲劳源也开始于表面，且疲劳源两侧裂纹发展速度较中心快，故贝纹线比较扁平。

最终瞬断区虽然也在疲劳源对面，但总是相对于轴的旋转方向逆偏转一个角度，此种现象称为偏转现象。

因此，从疲劳源与瞬断区的相对位置便能推知轴的旋转方向。

轴上有无应力集中及应力集中大小，其最终瞬断区的位置是不同的。

若应力集中较小时，疲劳源只在一处发生，最终瞬断区在疲劳源相对应的一侧。

合金钢冶金缺陷断口的宏观形貌和微观形态

合金钢冶金缺陷断口的宏观形貌和微观形态1 纤维状断口断口特征：呈暗灰绒毯状，无结晶颗粒，断口边缘常有显著的塑性变形，形成剪切唇。

微观特征；多为等轴状和抛物线状韧窝。

纤维状断口一般属于钢材的正常断口，它表示钢材有良好的韧性。

2 萘状断口宏观特征：较平坦的粗晶断口，用掠射光照射时，由于各晶面具有不同的反光能力，因而闪烁着结晶萘一般的光泽。

微观特征：准解理或解理特征。

河流很短，有时出现舌状花样。

局部有硫化锰析出，它们可能沿原始奥氏体晶界析出或沿奥氏体晶面析出。

萘状断口分别是合金结构钢和高速钢因过热或重复淬火而产生的一种粗晶缺陷。

为不允许存在的断口。

3 结晶状断口宏观特征：断口齐平，呈亮灰色，有强烈的金属光泽和明显的结晶颗粒。

微观特征：解理或准解理断裂。

4 横列结晶断口：宏观特征：与加工方向成一定角度的灰色小平面，一般多出现在相当于钢锭的柱状晶发达部位。

微观特征：一般为沿柱状晶粒边界断裂的韧性晶界断口，韧窝尺寸变化大，其中有夹杂物。

5 瓷状断口宏观特征：类似细碎片的断口，呈亮灰色。

微观特征：准解理断口为主。

瓷状断口对于淬火后低温回火的钢平说属于正常断口。

对于淬火后中温或高温回火的钢来说，表明热处理工艺不当。

6 非金属夹杂断口宏观特征：为各种颜色的非结晶的条状或块状缺陷。

微观特征：缺陷区为大量的颗粒状非金属夹杂物，其种类随钢种不同而异。

7 偏析线断口宏观特征：为反射能力较强的银亮色线条，其方向与加工方向相同。

酸性平炉钢大锻件的偏析线多为粗而亮,而碱怍电炉钢薄壁管的偏析线多为细而密的。

微观特征：为穿晶断口。

偏析线处为光滑的沟坑，其中布满夹杂物。

在粗而亮的偏析线中多为不易变形的硫化钙、氧化铝和氮化铝等，在细而密在偏析线中多为可变形的硫化物。

6-断口失效分析技术

67
工程中的疲劳断裂
微动磨蚀疲劳－两个紧配合零件表面之间发生周期性的、幅值极小的相对运动而造成的磨损腐蚀疲劳
a
b
40CrNiMoA钢旋翼梳状接头耳孔的微动磨蚀疲劳断口形貌 a.磨蚀坑 b.磨蚀裂纹
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工程中的疲劳断裂
多次冲击疲劳－承受冲击载荷的零件，如锤杆、凿岩机活塞和钎尾等，其冲击能量小于一次冲击断裂的能量，经多次（>1000次）冲击后发生断裂，称为小能量多次冲击疲劳
f.4000×
c.900×
d.1000×
e.1200×
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铸镁合金脆性疲劳辉纹的形貌
依据微观变形： a.延性疲劳辉纹：光滑连续 b.脆性疲劳辉纹：放射解理台阶分割
60
请仔细辨认易混淆的花样
61
工程中的疲劳断裂
高周疲劳、低周疲劳和高低周复合疲劳
800×
800×
高低周复合应力疲劳断口的微观形貌 a.多条复合辉纹 b.单条复合辉纹
按照断裂过程的先后有三个明显的特征疲劳源区扩展区瞬断区特点名义应力远低于屈服，甚至低于弹性极限缺陷、表面、形状、环境敏感性突然性

分类：（载荷、寿命）低周、高周（载荷）轴向疲劳：拉 -拉、拉-压、脉动；弯曲（单向、双向、旋转）扭转、振动（载荷源、环境）机械、热、高温、腐蚀、接触、微动等
通过二次解理形成的解理台阶
解理裂纹与螺位错相交形成解理台阶的示意图
42
河流花样形成过程示意图
特征2—河流花样
43
特征3—舌状花样
解理舌状花样 SEM 2000×
舌状花样的形成示意图
44
特征4—鱼骨花样
解理羽毛状花样1000× 鱼骨状花样2000×

金属断口分析

第三章延性断裂
延性断裂为金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。延性断裂分两种，一种是韧窝-微孔聚集型断裂；另一种是滑移分类断裂。一些高强度材料其裂缝扩展阻力较小，对裂纹十分敏感，较小的裂纹
即可使其产生宏观脆性的低应力断裂，其断口为韧窝状，断裂机制是微孔聚
集型。
第一节韧窝断口的宏观形貌特征
从宏观上看，断裂分为脆性断裂和延性断裂
脆性断裂指以材料表面、内部的缺陷或是微裂纹为源，在较低的应力水平下（一般不超过材料的屈服强度），在无塑性变形或只有微小塑性变形下裂纹急速扩展。在多晶体中，断裂时沿着各个晶体的内部解理面产生，由于材料的各个晶体及解理面方向是变化的，因此断裂表面在外观上呈现粒状。脆性断裂主要沿着晶界产生，称为晶间断裂。其断口平齐。
此外，高强度马氏体钢纤维区还有环状花样特征。
第二节韧窝断口的微观形貌特征
韧窝断口的微观特征是一些大小不等的圆形或是椭圆形的凹坑（即韧窝）
在韧窝内经常看到夹杂物或是第二相粒子。
凹坑形状有等轴韧窝、剪切韧窝和撕裂韧窝三种，其形状与应力状态。
等轴韧窝是圆形微坑，在拉伸正应力作用下形成的。应力在整个断口表面分布均匀。
2.分叉法
样品断裂中，产生许多分叉，裂纹分叉的方向为裂纹扩展方向，扩展的反方向为裂源位置。
【注】T型法和分叉法是判别脆性断裂的主裂纹和裂纹源
3.变形法
延性断裂的样品，在断裂过程中发生变形后碎成几块，将碎片拼合后变形量大的部位为主裂纹，裂纹源在主裂纹所在的断口上
4.因环境因素引起的断裂的样品，如应力腐蚀、氢脆。裂纹源位于腐蚀或是
延性断裂是在较大的塑性变形产生的断裂。它是由于断裂缓慢扩展而造成的。其断口表面为无光泽的纤维状。延性断裂经过局部的颈缩，颈缩部位产生分散的空穴，小空穴不断增加和扩大聚合成微裂纹。

金属断裂的微观机理与典型形貌

金属断裂的微观机理与典型形貌金属断裂是指金属材料在受到应力作用下发生破裂现象。

金属断裂的微观机理和典型形貌是金属材料断裂过程中所呈现出的微观变化和破裂形态。

本文将从金属断裂的微观机理和典型形貌两个方面进行探讨。

一、金属断裂的微观机理在金属断裂的微观机理中，主要涉及到晶体的变形、晶界滑移和裂纹扩展等过程。

1. 晶体的变形金属材料的断裂是由于晶体内部发生了塑性变形。

当金属受到外力作用时，晶体内的原子会发生位移和重排，导致晶体的形状发生变化。

晶体的变形过程中，会产生位错，即晶格中的原子出现错位。

位错的运动和积累是金属材料塑性变形和断裂的基础。

2. 晶界滑移金属材料由多个晶粒组成，晶粒之间存在晶界。

晶界是晶粒内部晶格的不连续区域。

当金属受到应力作用时，晶界处的原子会沿着晶界面滑移，从而使晶粒发生形变。

晶界滑移是金属材料塑性变形和断裂的重要机制之一。

3. 裂纹扩展裂纹是金属材料中的缺陷，是断裂的起始点。

当金属受到应力作用时，应力集中在裂纹处，导致裂纹的扩展。

裂纹扩展的机理主要包括塑性扩展和脆性扩展两种形式。

塑性扩展是指裂纹周围发生塑性变形，裂纹沿着塑性区域扩展；脆性扩展是指裂纹周围没有发生塑性变形，裂纹直接沿着晶体的晶面或晶界扩展。

二、金属断裂的典型形貌金属断裂的典型形貌是指金属材料断裂后所呈现出的形态特征。

根据金属断裂的不同性质和机理，金属材料的断裂形貌可以分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等。

1. 韧性断裂韧性断裂是指金属材料在受到较大应力时，发生大量的塑性变形和能量吸收，最终以拉伸断裂为主。

韧性断裂的断口面平滑，有明显的塑性变形迹象，断口两侧呈现出韧带状的纹理。

韧性断裂通常发生在具有良好延展性的金属材料中，如钢材、铝合金等。

2. 脆性断裂脆性断裂是指金属材料在受到较小应力时，发生较少的塑性变形和能量吸收，最终以断裂为主。

脆性断裂的断口面光洁平整，没有明显的塑性变形迹象，断口两侧呈现出晶粒状的纹理。

脆性断裂通常发生在具有较低延展性的金属材料中，如铸铁、高碳钢等。

断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理

断心的宏瞅形貌、微瞅形态及断裂机理之阳早格格创做按断裂的道路，断心可分为脱晶断裂战沿晶断裂二大类.脱晶断裂又分为脱晶韧性断裂战脱晶解理断裂（其中包罗准解理断裂）.沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂战沿晶坚性断裂.底下分别加以计划.（1）脱晶韧窝型断心断裂脱过晶粒里里，由洪量韧窝的成核、扩展、对接而产死的一种断心.宏瞅形貌：正在推伸考查情况下，经常先塑性变形，引起缩颈，而后正在缩颈部位裂纹沿与中力笔直的目标扩展，到一定程度后得稳，沿与中力成45°目标赶快死少至断裂.寡所周知，那种断心称为杯锥状断心.断心表面细糙不仄，无金属光芒，故又称为纤维状断心.微瞅形态：正在电子隐微镜战扫描电镜下瞅察，断心常常是由洪量韧窝对接而成的.每个韧窝的底部往往存留着第二相（包罗非金属夹纯）量面.第二相量面的尺寸近小于韧窝的尺寸.韧窝产死的本果普遍有二种产死情况：1）韧窝底部有第二相量面的情况.由于第二相量面与基体的力教本能分歧（其余，还有第二相量面与基体的分散本领、热伸展系数、第二相量面自己的大小、形状等的效率），所以正在塑性变形历程中沿第二相量面鸿沟（大概脱过第二相量面）易产死微孔裂纹的核心.正在应力效率下，那些微孔裂纹的核心渐渐少大，并随着塑性变形的减少，隐微孔坑之间的对接部分渐渐变薄，直至末尾断裂.图3-41是微孔脱过第二相量面的示企图.若微孔沿第二相面鸿沟成核、扩展产死韧窝型裂纹后，则第二相量面留正在韧窝的某一侧.2）正在韧窝的底部不第二相量面存留的情况.韧窝的产死是由于资料中本去有隐微孔穴大概者是由于塑性变形而产死的隐微孔穴，那些隐微孔穴随塑性变形的删大而不竭扩展战相互对接，直至断裂.那种韧窝的产死往往需要举止很大的塑性变形后才搞够真止.果此，正在那类断心上往往惟有少量的韧窝大概少量变形状韧窝，有的以至经很大的塑性变形后仍睹不到韧窝.当变形不大时，断心呈波纹状大概蛇形格式，而当变形很大时，则为无特性的仄里.韧窝的形状与应力状态有较大闭系.由于试样的受力情况大概是笔直应力、切应力大概由直矩引起的应力，那三种情况下韧窝的形状是纷歧样的.（2）解理与准解理断心1）解理断心.断裂是脱过晶粒、沿一定的结晶教仄里（即解理里）的分散，特天是正在矮温大概赶快加载条件下.解理断裂普遍是沿体心坐圆晶格的｛100｝里，六圆晶格的｛0001｝里爆收的.宏瞅形貌：解理断裂的宏瞅断心喊法很多，比圆称为“山脊状断心”、“结晶状断心”、以及“萘状断心”等（睹图片3-53）.山脊状断心的山脊指背断裂源，可根据山脊状正接直线群判决断裂起面战断裂目标.萘状断心上有许多与背分歧、比较光润的小仄里，它们象条晶体一般闪闪收光.那些与背分歧的小仄里与晶粒的尺寸相对于应，反映了金属晶粒的大小.微瞅形态：正在电子隐微镜下瞅察时，解理断心呈“河流格式”战“舌状格式”.2）准解理断心.那种断心正在矮碳钢中最罕睹.前述的结晶状断心便是准解理断心，它正在宏瞅上类似解理断心.准解理断心的微瞅形态主假如由许多准解理小仄里、“河流格式”、“舌状格式”及“撕裂岭”组成.沿晶断心是沿分歧与背的晶粒鸿沟爆收断裂.其爆收的主要本果是由于晶界强化，使晶界强度明隐矮于晶内强度而引起的.制成晶界强化的本果很多，比圆，锻制历程中加热战塑性变形工艺不当引起的宽沉细晶；下温加热时气氛中的C、H等元素浓度过下以及炉中残存有铜，渗人晶界；过烧时的晶界熔化大概氧化；加热及热却不当制成沿晶界析出第二相量面大概坚性薄膜；合金元素战夹纯偏偏析制成沿晶界的富集；其余沿晶界的化教腐蚀战应力腐蚀等等，皆不妨制成晶界强化，爆收沿晶断心.（1）沿晶韧窝型断心若第二相量面沿晶界析出的稀度很下，大概果有一定稀度的第二相量面再加上晶粒细大，皆市爆收沿晶韧窝型断裂.沿晶韧窝产死的本果与脱晶韧窝相共.那种断裂的隐微裂纹是沿着大概脱过第二相量面成核的.隐微裂纹的扩展战对接，伴伴随一定量的微瞅塑性变形.正在断心表面可瞅到许多位背分歧、无金属光芒的“小棱里”大概“小仄里”.那些“小棱里”大概“小仄里”的尺寸与晶粒尺寸相对于应（如果晶粒细小，则断心表面上的“小棱里”大概“小仄里”用肉眼便不克不迭瞅到大概不明隐）.正在电子隐微镜下瞅察“小校里”大概“小仄里”，它是由洪量韧窝组成的，韧窝底部往往存留有第二相量面（大概薄膜）.石状断心战棱里断心皆是沿晶韧窝型断心.其余，偏偏析线也是一种沿晶韧窝型断心.（2）沿晶坚性断心正在沿晶坚性断心上，险些不塑性变形的痕迹大概仅瞅到极少的韧窝.比圆，过烧后的断心，便是沿晶界氧化物薄膜爆收的一种沿晶坚性断裂.其余，18-8奥氏体不锈钢沿晶界洪量析出碳化物后，也易爆收沿晶坚断；沿晶界化教腐蚀战应力腐蚀（包罗氢坚）后爆收的断心，也皆是沿晶坚性断心.属于那类断心的另有层状断心战撕痕状断心等.上头介绍的断心微瞅形态，是依照断裂的道路去分类的.而本量死产中睹到的断心偶尔往往是由几种典型并存的混同断心.比圆，石状断心中，如果“小棱里”大概“小仄里”不是贯脱所有断里，断心时常是沿晶战脱晶混同断心.正在本量死产中根据缺陷断心的宏瞅形貌战微瞅形态便不妨推断出缺陷的典型、缺陷爆收的本果战应采与的对于策.比圆某厂死产的迫打炮炮尾，正在试炮时时常爆收合断的情况，经断心考查创制是石状断心，经选区电子衍射分解确认韧窝底部的析出相颗粒是MnS再分散现场考察认为该缺陷爆收的本果是末锻前的加热温度过下，末锻时的变形程度过小制成的.由于加热温度下，使奥氏体晶粒细大，并使MnS洪量溶进基体，锻后热却时，MhS沿细大的奥氏体晶界析出，制成晶界宽沉强化所致，厥后改变预制坯的尺寸以删大末锻的变形量，并落矮末锻前的加热温度，问题便圆谦天办理了.又比圆某厂死产的Cr—Ni—Mo—V钢某种庞大轴类锻件，正在运止中爆收的坚性断裂，经断心考验创制：此类锻件存留有棱里断心.该锻件用的钢是正在5t碱性电弧炉中用氧化法冶炼的，锭沉2.2t，锻制加热温度为1180～1200℃，保温3h以上，锻后坐时收热处理炉举止退火、扩氢处理，而后举止细加工战调量处理.调量后正在二端切与试片，做纵背断心考验，创制有棱里断心，棱里断心大多出当前庞大锻件的心部，而锻件边部仍为仄常的纤维状断心，金相构制中有沿本细大奥氏体晶界的析出相的链状搜集.棱里断心的微瞅形态，韧窝内的析出相为不准则的四边形，呈薄片状，经选区电子衍射决定为AlN.由AlN的等温析出直线可睹，正在约900℃缓缓热却时，将有洪量的AlN析出.根据上述考验截止分解认为：1）该Cr—Ni—Mo—V钢庞大轴类锻件，其棱里断心主假如正在锻制加热时温度较下，保温时间过少，正在锻后缓热历程中，固溶进基体的洪量AlN呈薄片状沿细大的奥氏体晶界呈链状搜集析出，制成微孔散合型沿晶断裂而产死的.奥氏体晶粒越细大，析出相稀度愈下，晶界强化愈宽沉. 2）锻制下温加热的时间越少，固溶人基体的AlN越多，随后缓热历程中产死校里断心的倾背越大，果此适合统制锻制加热典型是很要害的.3）由于AlN正在奥氏体区析出峰值的温度约为900℃，其析出相随保温时间的延少而减少.果此，采与落矮待料温度，减少一次过热工艺，则能加快锻后热却速度，缩小锻件正在奥氏体区AlN析出峰值温度的停顿时间，果而便能压制AlN沿细大奥氏体晶界的析出.死产考查说明，那是预防Cr—Ni—Mo—V钢锻件爆收棱里断心的灵验步伐.。

金属断口机理及分析

名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。

蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。

准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。

解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。

应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。

正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。

冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。

位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。

河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。

其形状类似地图上的河流。

断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构。

氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。

卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。

等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。

均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。

第一章断裂的分类及特点1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。

脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。

延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45º .2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。

穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。

应力腐蚀断口，氢脆断口。

3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45º交角（平面应力条件下的撕裂）根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型）裂纹尺寸与断裂强度的关系Kic ：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K 准则相似）：断裂应力（剩余强度） a ：裂纹深度（长度）Y ：形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关） aY K c c πσ⋅=1脆性材料K 准则：KI 是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量； KIC 是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法：T 型法（脆断判别主裂纹），分差法（脆断判别主裂纹），变形法（韧断判别主裂纹），氧化法（环境断裂判别主裂纹），贝纹线法（适用于疲劳断裂判别主裂纹）。

解理断裂的微观断口特征

解理断裂的微观断口特征断裂是指在材料中由于外力作用引起的破坏现象。

对于断裂的研究有助于我们了解材料的力学性能和破坏机制。

在解理断裂过程中，微观断口特征是研究断裂机制和断裂行为的重要指标。

本文将从微观断口特征的形态、尺寸和形成机制等方面进行探讨。

一、微观断口特征的形态微观断口特征的形态主要表现为韧窝、晶粒和纤维的断裂。

韧窝是断口上的凸起部分，是材料拉伸过程中的能量吸收区域，其形态和分布对材料的韧性有很大影响。

晶粒断裂是晶体材料中晶粒间的断裂，通常呈现出沿晶、穿晶两种形态。

沿晶断裂是指断口贯穿晶体的晶界，而穿晶断裂是指断裂穿过晶体内部的晶粒。

纤维断裂是纤维增强复合材料中纤维的断裂，通常呈现出纤维拉断和纤维剪切两种形态。

二、微观断口特征的尺寸微观断口特征的尺寸可以反映材料的断裂韧性和断裂强度。

一般来说，断口的宽度和深度越大，代表材料的韧性越好。

断口的尺寸还可以用来评估材料的断裂强度，断口越大，代表材料的断裂强度越低。

此外，断口的尺寸还与应力集中程度有关，应力集中越严重，断口的尺寸越大。

三、微观断口特征的形成机制微观断口特征的形成机制与材料的断裂机制密切相关。

一般来说，断口的形成是由于材料内部的应力集中导致的。

应力集中可以通过裂纹的形成和扩展来实现。

裂纹的形成通常由材料内部的缺陷或者材料界面的分离引起。

裂纹的扩展则是由于外界加载作用下裂纹尖端的应力集中和应力强度因子的增大。

当应力强度因子达到材料的断裂韧性时，裂纹就会迅速扩展，形成断口。

在材料的断裂过程中，断口的形态、尺寸和形成机制是相互关联的。

形态和尺寸可以反映断口的形成机制，而形成机制则决定了断口的形态和尺寸。

因此，通过观察和分析微观断口特征，可以了解材料的断裂机制和断裂行为。

总结起来，解理断裂的微观断口特征包括形态、尺寸和形成机制等方面。

这些特征可以提供关于材料韧性、断裂强度和断裂机制的重要信息。

通过研究微观断口特征，可以深入了解材料的断裂行为，为材料的设计和应用提供科学依据。

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。

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。

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。

材料断口分析第3章-解理断裂

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）
扇形花样
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
第三章解理断裂
§1 概述 §2 解理断口形貌特征及形成机理 §3 影响解理断裂的因素 §4 准解理断裂
§1、概述
1、定义正应力、解理面、穿晶脆断
2、发生条件一般均在bcc、hcp金属中发生，而fcc只在特殊情况下才发生，如腐蚀环境、材质较差时。
§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
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
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，在晶界处产生新的裂纹，向外扩展，
形成扇形花样
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
大角度晶界，扇形花样

典型断裂的微观分析

实验二典型断口的电子显微分析1.概述断口是断裂失效中两断裂分离面的简称。

由于断口真实地记录了裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息。

因此，断口上的各种断裂信息是断裂力学、断裂化学和断裂物理等诸多内外因素综合作用的结果，对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索。

断口金相学不仅能在设备失效后进行诊断分析，还可为新产品、新装备投入使用进行预研预测。

断口、裂纹及冶金、工艺损伤缺陷分析是失效分析工作的基础。

实践证明，没有断口、裂纹及损伤缺陷分析的正确诊断结果，是无法提出失效分析的准确结论的。

采用扫描电镜可对金属断裂典型断口形貌进行观察，还可对其微区成分进行分析。

本实验具体内容为：利用二次电子成像，观察金属断裂典型断口形貌，了解典型断口的微观特征.的成分差别。

2.实验目的（1）熟悉二次电子成像观察方法，了解金属材料典型断口形貌特征：（2）掌握双相不锈钢冲击断口形貌特征；（3）掌握X70钢疲劳断口形貌特征。

3.实验装置及材料（1）扫描电子显微镜（JSM-6390A型）一台；（2）超声清洗仪一台；（3）断口试样若干；（4）放大镜一只；（5）吹风机一只；（6）无水酒精若干。

4.实验原理4.1金属材料典型断口特征：（1）断口宏观形貌特征在实际失效分析中, 按断口的表面宏观变形分类，断口分为脆性断口、韧性（延性）断口、韧-脆混合断口；按断裂类型分类，则分为解理断裂、准解理断裂、韧性断裂、疲劳断裂、沿晶断裂等。

对韧性金属材料一次过载造成的韧性断裂，宏观上的基本特征通常表现为三个特征区，即纤维区、放射区和剪切唇区。

这三个特征区是断口的三要素。

表13-1列出了几种典型断口的宏观形貌特征，根据这些特征，可诊断出断口的宏观类型。

表13-1 典型断口的宏观形貌特征（2）断口微观形貌特征按断口表面微观形貌分类，断口分为解理断口、准解理断口、韧窝断口、疲劳断口、沿晶断口等。

典型断口的宏观观察和微观分析

典型疲劳断口宏观观察和微观分析在工程应用中，结构件所受的应力总是低于材料的屈服强度σs （σ0.2）。

通常，在低于屈服强度的应力作用下，材料既不会发生塑性变形，更不会发生断裂。

但是，在应力的重复作用下，即使所受的应力低于屈服强度，材料也有可能发生断裂。

这种现象便称为疲劳现象。

引起疲劳断裂的应力常低于材料的屈服强度，在这种情况下，疲劳断裂前不发生明显的塑性变形。

所以疲劳断裂通常属于低应力脆性断裂。

一﹑实验目的1.了解测定材料疲劳极限的方法；2.观察疲劳失效和慢应变速率拉伸试验的宏观断口特征。

二、实验设备1.试验材料X80、X90管线钢。

2.PLD-50KN-250NM 拉扭疲劳试验机和PLT-10慢应变速率拉伸试验机。

3.VHX-600E 超景深显微镜三﹑实验原理1.金属疲劳试验方法在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值为应力比：maxmin σσ=r （1-1）称为循环特征或应力比。

在既定的r 下，若试样的最大应力为max σ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力r 为时的max σ疲劳寿命（简称寿命）。

实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。

表示最大应力max σ与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。

碳钢的S-N 曲线如图1所示。

由图可见，当应力降到某一极限值r σ时，S-N 曲线趋近于水平线。

即应力不超过r σ时，寿命N 可无限增大。

称为疲劳极限或持久极限。

下标r 表示循环特征。

实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。

故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限r σ。

而把N 0=107称为循环基数。

有色金属的S-N 曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平，通常规定一个循环基数N 0，例如取N 0=108，把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。

疲劳断口的宏观形态和微观形态(四川大学,工程材料)

特征：1）疲劳载荷是交变负荷，载荷随时间而交变（应力波形、应力大小、应力大小），形式多样，有三种基本形式：反向载荷、单向载荷和单向导前载荷；2）构件疲劳断裂是在负荷经多次(如几十次或几百万次)循环以后才发生的，有低周疲劳和高周疲劳之分；3）疲劳起源点往往出现在最大拉应力处，疲劳破坏只可能在有使材料分离扯开的交变拉伸(或挤压)和交变剪切应力的情况下出现，交变的纯压缩载荷不会出现疲劳破坏，压应力使裂纹闭合而不会使裂纹扩展；4）疲劳断裂与其它一次载荷断裂不同，是一种累进式的断裂，与其它形式断裂过程一样，经历裂纹萌生、疲劳裂纹稳定扩展和快速断裂三个过程。

5）疲劳断裂在断口附件没有宏观的塑性变形，微观认识上，高周疲劳应力标称是弹性的，构件在破坏之前仅发生极小的总变形，而低周疲劳应力往往大到足以使每个循环周期产生可观的塑性变形。

判据：常根据微观形态的疲劳辉纹和轮胎压痕进行判断，即在未知断口上，如能观察到这两种微观特征形貌的任一种，就可判断该断口为疲劳断口。

根据疲劳断口的宏观形态和微观形态进行判断。

宏观形态：三个明显特征区：1）疲劳源区：一般较平整和光滑，源区越多，反映外加应力越高，应力集中位置越多或应力集中系数越大，多源断口的源区存在台阶，比较粗糙；2）裂纹扩展区：常形成海滩花样或贝壳花样，出现疲劳弧线，疲劳源位于疲劳弧线凹的一方；3）快速断裂区：视材料塑性显示韧性断裂斜断口或脆性断裂平断口。

疲劳断口微观形态：1）疲劳辉纹：一系列相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状，并与裂纹扩展方向相垂直，每一条辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿在前进过程中瞬时微观位置，辉纹的数目与载荷循环次数相等。

断裂三阶段的疲劳辉纹略有差异，从疲劳源区到终断区依次是弱波浪条纹、细条纹和深条纹。

2）轮胎压痕：。

断口形貌特征

（二）断口形貌特征
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（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 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。
各种观察手段结合可以得到较好的结果。
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（金）0000:1
（扫）2000:1 凹处暗，凸处亮。 -- 精品--
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。
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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。
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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-×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。
主要光学仪器为金相显微镜和立体显微镜。
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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
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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。

断口分析

拉伸断裂在断口上形成等轴状的韧窝
等轴韧窝是在拉伸正应力的作用下形成。应力在整个断口表面上是均匀的，显微空洞沿空间三个方向均匀长大，形成等轴韧窝。
拉伸形成的等轴韧窝
剪切断裂
剪切韧窝呈抛物线形。在剪切应力作用下显微空洞沿剪切方向上被拉长。剪切韧窝在两个相匹配的断面上方向相反。
卵形韧窝是由较大夹杂物或第二相粒子先形成韧窝核，大人在长大过程中其自由表面与一个小韧窝连通，这时小韧窝
河流花样起源于孪晶界
河流花样起源于夹杂
河流花样起源于析出相
河流花样起源于晶粒内部
河流花样在扩展过程中遇到倾斜晶界、扭转晶界和普通大角度晶界时河流形态发生改变。
裂纹与小角度倾斜晶界相交时，河流连学地穿过晶界。小角度倾斜晶界是由刃型位错组成。晶界两侧晶体取向差小，两侧晶体的解理面也只是倾斜一个小角度。因此裂纹穿过时河流花样顺延到下一个晶粒。
③解理裂纹之间产生较大的塑性变形，通过撕裂方式连接形成台阶。
④ 通过基体和孪晶的界面发生开裂连接形成台阶。
（2）河流花样的起源
①河流花样起源于有晶面存在的地方：晶界、亚晶界、孪晶界。
②河流花样起源于夹杂物或析出相。
③河流花样起源于晶粒内部，是由于解理面与螺型位错交截所致。
低碳钢拉伸断口河流花样起源于晶界
河流通过小角度倾斜界面
河流通过小角度扭转界面
河流花样穿过扭转晶界时将产生河流的激增。扭转界面又称为孪晶界，两侧晶体以晶界为公共界面旋转了一个角度。因此解理裂纹不能简单的穿过晶界，必须重新形核后才能沿新的解理面扩展。
当解理裂纹扩展到大角度晶界（大多数晶界属于大角度晶界）时，由于晶界结构复杂两晶粒之间缺乏连续性，晶粒之间的位向差又很大，这些都使解理裂纹无法连接通过这时裂纹需要重新生核进而扩展，因此有可能在新的晶粒中出现大量的河流，而且河流台阶的高度差很大，这也有可能使原来的河流消失。

金属断裂的微观机理与典型形貌

金属断裂的微观机理与典型形貌金属断裂是指金属材料在受到外力作用下发生破裂的现象。

金属断裂具有微观机理与典型形貌，这些机理与形貌的研究对于金属材料的设计和应用具有重要意义。

金属材料的断裂主要有两种机制：韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂是金属材料在外力作用下发生塑性变形后断裂，具有较大的断口伸长率和断口收缩面积。

脆性断裂则是金属材料在外力作用下发生无明显塑性变形而迅速断裂，具有较小的断口伸长率和断口收缩面积。

金属材料的断裂机理与其晶体结构和微观缺陷密切相关。

金属材料的晶体结构是由原子通过原子键结合而成的，其中包含晶粒、晶界和位错。

当金属材料受到外力作用时，原子之间的键会受到拉伸、剪切等力的作用，从而导致晶界滑移、位错运动等塑性变形。

当外力继续增大时，晶界和位错可能无法继续运动，从而导致金属材料的断裂。

金属材料的断裂形貌可以通过金属断口的观察来研究。

金属断口通常包括拉伸断口、韧窝和脆窝等不同形貌。

拉伸断口是金属在拉伸过程中发生断裂后的断口形貌，通常呈现出光洁的平面面貌。

韧窝是金属在韧性断裂过程中形成的圆形凹陷，它是由于金属在拉伸过程中发生局部塑性变形而形成的。

脆窝则是金属在脆性断裂过程中形成的不规则凹陷，它是由于金属在受到外力作用下迅速断裂而形成的。

金属断裂的微观机理与典型形貌对于金属材料的设计和应用具有重要意义。

通过研究金属断裂机理，可以了解金属材料在外力作用下的变形和破裂行为，从而指导金属材料的合理设计和使用。

同时，通过观察金属断口的形貌，可以评估金属材料的断裂韧性和脆性，为金属材料的选择和应用提供依据。

金属断裂具有微观机理与典型形貌。

金属材料的断裂机理与其晶体结构和微观缺陷密切相关，包括晶粒、晶界和位错等。

金属材料的断裂形貌可以通过金属断口的观察来研究，包括拉伸断口、韧窝和脆窝等不同形貌。

金属断裂的微观机理与典型形貌对于金属材料的设计和应用具有重要意义，可以指导金属材料的合理设计和使用。

通过研究金属断裂机理和观察金属断口的形貌，可以评估金属材料的断裂韧性和脆性，为金属材料的选择和应用提供依据。