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）

a Y K c c πσ⋅=1

：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）

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）。

断口的试样制备：截取，清洗，保存。

断口分析技术设备：

1.宏观断口分析技术（用肉眼，放大镜，低倍率光学显微镜观察分析）

2.光学显微断口分析（扫描电子显微镜光学显微镜，透射电子显微镜），

3.电镜断口分析。

第三章

延性断裂：

1．特点：材料断裂前发生明显的塑性变形，也可以说塑性变形是韧断的前奏，而韧断是大量塑性变形的结果。

2. 过程：显微空洞形成，扩展，连接，断裂。

3．类型：韧窝-微孔聚集型断裂、滑移分离断裂。

韧窝断口的宏观和微观形貌特征：

1宏观形貌特征

（1）纤维区：a.表面颜色灰暗，无金属光泽b.粗糙不平c.无数纤维状小峰组成，小峰的小斜面和拉伸轴线大约成45度角

（2）放射区

（3）剪切唇:和拉伸轴线大约成45度角

注意：塑性较高材料的冲击断口一般具有两个纤维区

2微观形貌特征：大小不等的圆形或椭圆形的凹坑（即韧窝）。韧窝内一般可看到夹杂物或者第二相粒子。

注意：并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子

韧窝的形状

等轴韧窝（拉伸正应力，圆形微坑，均匀分布于断口表面）

剪切韧窝（剪切应力，抛物线形状，通常出现的位置：拉伸、冲击断口的剪切唇部位） 撕裂韧窝（撕裂应力，抛物线形状）

卵形韧窝（卵形）

剪切韧窝与撕裂韧窝微观形状无区别，怎么区分？

对材料断口的两个表面进行作对比研究：韧窝凸向一致为撕裂韧窝；反之为剪切韧窝 韧窝裂纹的萌生与扩展（以拉伸正应力为例）

1.韧窝裂纹的萌生

应力超过材料的屈服强度→发生塑性变形→变形部位产生三向应力状态→在沉淀相、夹杂IC c K a K =⋅=I π

σ

物与金属界面处分离产生微孔，或夹杂物本身破碎形成裂纹，或滑移位错塞积产生孔洞

2.韧窝裂纹的扩展

（1）内颈缩扩展：质点大小、分布均匀，韧窝在多处形核（裂纹萌生），随变形增加，微孔壁变薄，以撕裂方式连接

（2）剪切扩展：材料中具有较多夹杂物，同时具有细小析出相时，微孔之间可能以剪切方式相连接。

注意：内颈缩扩展与剪切扩展在同一韧窝断口上可能同时发生。

影响韧窝的形貌因素：

夹杂物或第二相粒子，基体材料的韧性，试验温度，应力状态。

第四章

解理断口宏观和微观形貌特征：

1．宏观形貌特征：放射状条纹，人字纹，小刻面（发亮的小晶面）

2．微观形貌特征：河流花样、舌状花样、扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳线、解理台阶 解理台阶的形成：

（1）解理裂纹与螺位错交截形成台阶

（2）二次解理或撕裂相互连接形成台阶

解理台阶的性质：

1. 台阶扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小）

2. 相同方向的台阶合并后高度增加

3. 相反方向的台阶合并后高度减少或消失

4. 台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间有一定关系

河流花样：

1．形成机理：河流花样实际上是解理台阶的一种标志。当裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台阶，而较大的台阶又汇合成更大的台阶，其结果就形成河流花样。

2．起源：（1）晶界、亚晶界、孪晶界（2）夹杂物或析出相（3）晶粒内部（解理面与螺形位错交截的地方）。

3．影响因素：

（1）小角度晶界：倾斜晶界（影响不大，延伸至相邻晶界）

扭转晶界（在亚晶界处产生新的裂纹，河流激增）

（2）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。） 解理断裂的萌生和扩展

1.裂纹萌生机制：

（1）位错塞积极制

位错运动→运动受阻（晶界、孪晶界、第二相夹杂物）→位错堆积→（理论断裂强度）→产生微裂纹

（2）位错反应机制：

位错运动→位错相遇→产生新位错（不动位错）→阻碍随后的位错运动→位错堆积→产生微裂纹

（3）滑移解理机制

位错运动→排列成小角度晶界→部分晶界被阻碍→产生拉应力→微裂纹

2.裂纹的扩展：根据格里菲斯表达式来解释 C

E c πγσ2=