材料力学性能第四章 断裂与断口分析

材料的力学性能－断裂与断口分析材料的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。

工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。

如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。

任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。

对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的断裂控制。

✓材料在塑性变形过程中，会产生微孔损伤。

✓产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不断丧失。

✓损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。

按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂分为韧性断裂和脆性断裂两大类。

断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。

断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及时发现，一般不会造成严重的后果。

脆性断裂断裂前，没有宏观塑性变形的断裂方式。

脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成严重后果。

脆性断裂断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，意味着断裂应力低于材料屈服强度。

对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、环境脆断和疲劳断裂等。

脆性断裂一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断。

主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载脆性等。

材料的断裂比较合理的分类方法是按照断裂机理对断裂进行分类。

微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。

有助于→揭示断裂过程的本质→理解断裂过程的影响因素→寻找提高断裂抗力的方法。

材料的断裂将环境介质作用下的断裂和循环载荷作用下的疲劳断裂按其断裂过程特点单独讨论。

金属材料的断裂－静拉伸断口材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况：(a)(b)：平断口；(c)(d)：杯锥状断口；(e)尖刃断口平断口：材料塑性很低、或者只有少量的均匀变形，断口齐平，垂直于最大拉应力方向。

铸铁、淬火低温回火的高碳钢，个别材料如高锰钢，其断裂均属此种类型。

杯锥状断口：多数金属材料都会出现颈缩，颈缩的程度各异。

试样先在中心开裂，然后向外延伸，接近试样表面时，沿最大切应力方向的斜面断开，断口形如杯口状，又叫杯锥状断口。

尖刃断口：材料塑性很好，试样断面可减细到近似一尖刃，然后沿最大切应力方向断开。

一些很纯的金属(像金、铅等)，可以表现为这种类型。

力学上常将断裂分成正断和切断。

断面垂直于最大正应力的叫正断，平断口为正断。

沿着最大切应力方向断开的叫切断，尖刃断口为切断。

杯锥状断口的中心部分大致为正断，两侧部分为切断，故为混合型断口。

工程上常按断裂前有无明显的塑性变形，将断裂分成脆断和韧断。

这是就宏观而言的。

注意这两种分类是从不同角度来讨论断裂的，其间并没有什么必然的联系。

正断不一定就是脆断，正断也可以有明显的塑性变形。

切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断，所以切断和韧断也并非是同义语。

断口区域对拉伸试样的宏观断口进行观察，可看出多数情况下有三个区域。

1.第一个区域在试样的中心位置，叫做纤维区，裂纹首先在该区形成。

该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状，这表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢。

2.第二个区域为放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快。

3.裂纹接近试样边缘时，应力状态改变，最后沿着与拉伸轴向成45 剪切断裂，表面粗糙发深灰色，这称为第三个区域即剪切唇。

试样的塑性好坏，由三个区域的比例而定。

放射区较大，则材料的塑性低，因为这个区域是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小。

塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。

影响三个区域比例的主要因素是材料强度和试验温度。

对高强度材料如40CrNiMo：热处理后硬度很高，HRC＝56，在室温下观察其拉伸断口，几乎整个断口都由放射区构成，纤维状区消失，试样边缘只有很少的剪切唇。

试验温度增高至80 以上，纤维区急剧增加，这时材料表现出明显的韧断特征。

如果材料的硬度和强度很高，又处于低温环境：圆形试样的拉伸断口形貌如图(a)所示，断面上有许多放射状条纹，这些条纹汇聚于一个中心，这个中心区域就是裂纹源。

断口表面越光滑，放射条纹越细；为典型的脆断形貌。

板状试样的形貌如图(b) ，断裂呈“人”字形花样，“人”字的尖端指向裂纹源。

⏹这些对分析压力容器或构件的失效很有帮助。

金属材料的断裂－韧断机制随着扫描电镜的使用和深入观察，形成了电子断口金相学。

按照断裂的微观机制将断裂分为：1.微孔聚合型→穿晶断裂2.解理和准解理型→穿晶断裂3.晶间断裂；4.疲劳断裂→穿晶断裂准解理型尽管多数书中将其并入解理断裂类型，但它实际上并不是一个独立的断裂机制，而是解理和微孔聚合两种机制的混合。

微孔聚合微孔聚合断裂机制，多数情况下与宏观上的韧断断裂相对应，宏观上断口呈纤维状。

在扫描电镜下：微孔聚合型断裂的形貌特征是一个个韧窝(即凹坑)，韧窝是微孔长大的结果，韧窝内大多包含着一个夹杂物或第二相，这证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上。

微孔的萌生可以在颈缩之前，也可以发生在颈缩之后，取决于第二相与基体的结合强度。

微孔聚合微孔多萌生于夹杂物和第二相处。

纯金属或单相合金变形后期也产生许多微孔。

微孔可产生于晶界、孪晶带等处，只是相对地说微孔萌生较迟。

微孔的萌生有时并不单纯取决于拉应力，要看具体的微观组织而定。

微孔聚合由于应力状态或加载方式不同，微孔聚合型断裂所形成的韧窝可分成三种类型：1.拉伸型的等轴状韧窝；2.剪切型的伸长韧窝；3.拉伸撕裂的伸长韧窝。

微孔聚合韧窝的形状取决于应力状态。

韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力。

第二相较少、均匀分布以及基体的塑性变形能力强的材料，韧窝大而深。

基体的加工硬化能力很强，则为大而浅的韧窝。

微孔聚合的过程韧性（延性）断裂的过程：微孔形核→微孔长大→微孔聚合微孔形核：第二相粒子在应力作用下，基体与第二相粒子间的界面脱开；或第二相粒子本身破裂形成微孔。

应力持续作用下，微孔逐渐长大。

微孔聚合有三种不同的模式。

正常的聚合模式：微孔长大→微孔间的材料形成“内颈缩”→内颈缩越来越细→内颈缩断裂→微孔与最近的一个微孔相连→微孔聚合→裂纹扩展。

这种模式的微观变形量最大、韧性最好。

快速剪切裂开：当微孔尚未长大到与裂纹尖端聚合时，裂纹尖端与微孔之间，或微孔与微孔之间已产生剪切裂纹，使两者连接。

这种方式的聚合，其韧性比第一种微孔聚合模式要差。

快速断裂：由于材料内部本身存在着大片的夹杂，微孔通过脆弱的夹杂相连，变成裂纹。

影响韧性断裂扩展的因素1.第二相粒子：钢中①第二相体积分数增加，钢的韧性下降。

②第二相成分：硫化物比碳化物的影响要明显得多。

③第二相形状：球状的韧性要比片状的好。

2.基体的形变强化：基体的形变强化指数大，塑性变形后的强化强烈→各处均匀的变形→微孔长大后的聚合，将按正常模式进行，韧性好。

基体的形变强化指数小→变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开。

这种聚合模式韧性低。

（穿晶）解理断裂解理断裂宏观上表现为脆性断裂。

常见于体心立方和密排六方金属中。

当处于低温或者应变速率较高或者在三向拉应力状态，都能促使解理断裂。

解理断裂是沿着一定的结晶学平面发生的，这个平面叫解理面。

解理台阶、河流花样、舌状花样是解理断裂的基本微观特征。

解理台阶：解理裂纹沿两个高度不同的平行解理面扩展，相交时形成解理台阶。

其形成过程有两种方式：解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。

解理断裂的断口形貌表现为河流状花样，河流的流向（一些支流的汇合方向）即为裂纹扩展方向，裂纹多萌生于晶界或亚晶界。

舌状花样：解理断裂的另一微观特征是存在舌状花样，因其在电子显微镜下类似于人舌而得名。

它是由于解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台，断口上“舌头”黑白对应。

解理台阶的形成（螺位错交截理论）：可将晶体内的解理裂纹假设为刃型位错AB，裂纹扩展方向上有螺型位错CD。

裂纹继续向前扩展，与很多螺型位错相交截便形成为数众多的台阶。

它们沿裂纹前端滑动而相互汇合。

AB为刃型位错，沿箭头方向运动，CD为螺型位错；AB与CD相遇后形成台阶b。

解理台阶的形成同号台阶相互汇合长大；异号台阶汇合互相抵消。

当汇合台阶高度足够大时，便形成在电镜下可观察的河流花样。

解理台阶的形成河流花样是判断解理断裂的微观依据。

“河流”的流向与裂纹扩展方向一致，根据“河流”流向确定在微观范围内解理裂纹的扩展方向，而按“河流”反方向去寻找断裂源。

解理台阶的形成（二次解理或撕裂）：解理裂纹沿两个相互平行的解理面扩展，当解理面间距较小时变产生解理台阶。

图a若两个解理面的间距远大于一个原子间距，解理裂纹之间的金属会产生较大塑性变形，一旦产生塑性撕裂则会形成台阶。

也称为撕裂棱晶界，它使解理断口呈现更复杂的形态。

图b解理裂纹通过小角度倾侧晶界：小角度晶界可看成由刃型位错垂直排列而成，其两侧晶体仅相互倾斜一较小角度，且有公共交截线。

当解理裂纹与倾斜晶界相交截时，裂纹能越过晶界，“河流”也延续到相邻晶粒内。

解理裂纹通过扭转和大角度晶界：因晶界两侧晶体以边界为公共面转动一小角度，使两侧解理面存在位向差，故裂纹不能直接越过晶界而必须重新形核。

裂纹将沿若干组新的相互平行的解理面扩展而使台阶激增，形成为数众多的“河流”。

裂纹穿过大角度晶界也形成大量“河流”。

准解理断裂在淬火回火钢中，回火产物中有弥散细小的碳化物质点，他们影响裂纹形成与扩展。

当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿一定晶体学平面扩展。

断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。

微观形态：似解理河流但又非真正解理，故称准解理。

与解理不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面，真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。

准解理不是独立的断裂机制，而是解理断裂的变种。

沿晶断裂沿晶断裂是指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式。

当晶界受到损伤，变形能力被消弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成晶界开裂。

因裂纹扩展总是沿阻力最小的路径发展，因此就表现为沿晶断裂。

脆性沿晶断裂（冰糖状断口）微孔型沿晶断裂（石状断口）晶界损伤的几种情况1.晶界有脆性相析出，呈连续分布，这种脆性相形成空间骨架，严重损伤晶界变形能力。

如过共析钢中的二次渗碳体析出相。

晶界损伤的几种情况2.材料在热加工过程中，造成晶界熔化即过烧，严重减弱了晶界结合力和晶界处的强度，在受载时产生早期的低应力沿晶断裂。

晶界损伤的几种情况3.某些有害元素沿晶界富集，降低了晶界的表面能，使脆性转变温度向高温推移。