金屬的斷裂條件及斷口

1、金屬的斷裂條件及斷口金屬在外加載荷的作用下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋發(fā)生和發(fā)展的過程。1. 斷裂的類型根據(jù)斷裂前金屬材料產(chǎn)生塑性變形量的大小，可分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色的纖維狀。脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平齊，呈光亮的結(jié)晶狀。韌性斷裂與脆性斷裂過程的顯著區(qū)別是裂紋擴(kuò)散的情況不同。韌性斷裂和脆性斷裂只是相對(duì)的概念，在實(shí)際載荷下，不同的材料都有可能發(fā)生脆性斷裂；同一種材料又由于溫度、應(yīng)力、 環(huán)境等條件的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的斷裂。2. 斷裂的方式根據(jù)斷裂面的取向可分為正斷和切斷。正斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向

2、垂直，一般為脆斷，也可能韌斷。切斷：斷口的宏觀斷裂面與最大正應(yīng)力方向呈45° ，為韌斷。3. 斷裂的形式裂紋擴(kuò)散的途徑可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內(nèi)部，韌斷也可為脆斷。晶間斷裂：裂紋穿越晶粒本身，脆斷。機(jī)器零件斷裂后不僅完全喪失服役能力，而且還可能造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失及傷亡事故。斷裂是機(jī)器零件最危險(xiǎn)的失效形式。按斷裂前是否產(chǎn)生塑性變形和裂紋擴(kuò)展路徑做如下分類。韌性斷裂的特征是斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑性變形，用肉眼或低倍顯微鏡觀察時(shí)，斷口呈暗灰色纖維狀，有大量塑性變形的痕跡。脆性斷裂則相反，斷裂前從宏觀來看無明顯塑性變形積累，斷口平齊而發(fā)亮，常呈人字紋或放射花樣。宏觀

3、脆性斷裂是一種危險(xiǎn)的突然事故。脆性斷裂前無宏觀塑性變形，又往往沒有其他預(yù)兆，一旦開裂后，裂紋迅速擴(kuò)展，造成嚴(yán)重的破壞及人身事故。因而對(duì)于使用有可能產(chǎn)生脆斷的零件，必須從脆斷的角度計(jì)算其承載能力，并且應(yīng)充分估計(jì)過載的可能性。. 金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的條件（ 1）溫度任何一種斷裂都具有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，屈服強(qiáng)度和表征裂紋失穩(wěn)擴(kuò)散的臨界斷裂強(qiáng)度。溫度高， 原子運(yùn)動(dòng)熱能大，位錯(cuò)源釋放出位錯(cuò)，移動(dòng)吸收能量；溫度低反之。（ 2）缺陷材料韌性裂紋尖端應(yīng)力大，韌性好發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形，限制裂紋進(jìn)一步擴(kuò)散。裂紋長(zhǎng)度裂紋越長(zhǎng)，越容易發(fā)生脆性斷裂。缺陷尖銳程度越尖銳，越容易發(fā)生脆性斷裂。（ 3）厚度鋼板越厚，沖擊韌

4、性越低，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。原因：（A）越厚，在厚度方向的收縮變形所受到的約束作用越大，使約束應(yīng)力增加，在鋼板厚度范圍內(nèi)形成平面應(yīng)變狀態(tài)。（ B）冶金效應(yīng)，厚板中晶粒較粗大，內(nèi)部產(chǎn)生的偏析較多。（4）加載速度 低強(qiáng)度鋼，速度越快，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。宏觀塑性斷裂的危險(xiǎn)性遠(yuǎn)較脆斷小。由于塑斷前產(chǎn)生明顯的塑性 變形使零件不能正常運(yùn)行，就會(huì)引起人們的注意，及時(shí)采取措施，防 止斷裂的產(chǎn)生。即使由于短時(shí)的突然過載，一般也只能造成局部開裂， 不會(huì)整體斷裂或飛出碎片造成災(zāi)難性事故。 對(duì)于使用有可能產(chǎn)生塑性 斷裂的零件，只需按材料的屈服強(qiáng)度計(jì)算其承載能力，一般即能保證 安全使用。按裂紋擴(kuò)展路徑分類。當(dāng)多晶

5、體金屬斷裂時(shí)，根據(jù)裂紋擴(kuò)展所走 的路徑，又分穿晶斷裂和沿晶斷裂。穿晶斷裂的特點(diǎn)是裂紋穿過晶內(nèi)。 沿晶斷裂時(shí)裂紋沿晶界擴(kuò)展。穿晶斷裂可能是韌性的，也可能是脆性 的，而沿晶斷裂多是脆性斷裂。斷口總是發(fā)生在金屬組織中最薄弱的地方，記錄著有關(guān)斷裂全過程斷口分析（一）的許多珍貴資料，所以在研究斷裂時(shí)，對(duì)斷口的觀察和研究一直受到重視。通過斷口的形態(tài)分析去研究一些斷裂的基本問題： 如斷裂起因、 斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機(jī)制、斷裂韌性、斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)以 及裂紋擴(kuò)展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和環(huán)境因素 對(duì)斷裂過程的影響，通常還要進(jìn)行斷口表面的微區(qū)成分分析、 主體分 析、結(jié)晶學(xué)分析和斷口的應(yīng)力與

6、應(yīng)變分析等。隨著斷裂學(xué)科的發(fā)展，斷口分析同斷裂力學(xué)等所研究的問題更加密切相關(guān)， 互相滲透，互相 配合；斷口分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和分析問題的深度將會(huì)取得新的發(fā)展。 斷 口分析現(xiàn)已成為對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行失效分析的重要手段。脆性斷口和延性斷口根據(jù)斷裂的性質(zhì)，斷口大致可以分為幾乎不伴隨塑性變形而斷裂 的脆性斷口斷口分析（三），和伴隨著明顯塑性變形的延性斷口。 脆性斷口的斷裂面通常與拉伸 應(yīng)力垂直，宏觀上斷口由具有光澤的結(jié)晶亮面組成 ；延性斷口的斷裂 面可能同拉伸應(yīng)力垂直或傾斜，分別稱為正斷口和斜斷口；從宏觀來看，斷口上有細(xì)小凹凸，呈纖維狀。對(duì)于單軸拉伸斷口和沖擊斷口，在理想情況下，其斷裂面是由三個(gè)明顯不同的區(qū)域

7、 （即纖維區(qū)、放射 區(qū)和剪切唇區(qū)）所構(gòu)成（圖1）。這三個(gè)區(qū)域?qū)嶋H上是裂紋形成區(qū)、 裂紋擴(kuò)展區(qū)和剪切斷裂區(qū)（對(duì)沖擊拉伸則有終了斷裂區(qū)），通常稱它 們?yōu)閿嗫谌?。?duì)于同一種材料，三個(gè)區(qū)域的面積及其所占整個(gè)斷 口的比例隨外界條件的改變而變化。例如：加載速率愈大，溫度愈低， 則裂紋擴(kuò)展區(qū)（即放射區(qū)）所占的比例也愈大。如果定義裂紋擴(kuò)展區(qū) 對(duì)另外兩個(gè)區(qū)面積的比值為 R,則通常把R=1時(shí)的斷裂溫度稱為材料 的韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度（或延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度、塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度） 如果在同一溫度和加載速率下比較兩種材料的斷裂性質(zhì)，則R值愈小的材料，具延性（塑性）愈好。斷口分析金屬斷裂的微觀機(jī)制為了闡明斷裂的全過程（

8、包括裂紋的生核和擴(kuò)展，以及環(huán)境因素 對(duì)斷裂過程的影響等），提出種種微觀斷裂模型，以探討其物理實(shí)質(zhì), 稱為斷裂機(jī)制。在斷口的分析中，各種斷裂機(jī)制的斷口分析（四）提出主要是以斷口的微觀形態(tài)為基礎(chǔ)， 并根據(jù)斷裂性質(zhì)、斷裂方式以 及同環(huán)境和時(shí)間因素的密切相關(guān)性而加以分類。 根據(jù)大量的研究成果,目前已知主要的金屬斷裂微觀機(jī)制可以歸納在表 1中。屬于不同斷裂機(jī)制的斷裂，其斷口微觀結(jié)構(gòu)各具有獨(dú)特的形貌特 征。圖2所示是屬于不同基本斷裂機(jī)制的斷口所觀察到的典型微觀 形貌，其物理本質(zhì)和斷口特征為：沿晶脆性斷裂沿晶脆性斷裂是指斷裂路徑沿著不同位向的晶界 （晶粒間界）所 發(fā)生的一種屬于低能吸收過程的斷裂。根據(jù)斷裂能

9、量消耗最小原理， 裂紋的擴(kuò)展路徑總是沿著原子鍵合力最薄弱的表面進(jìn)行。晶界強(qiáng)度不 一定最低，但如果金屬存在著某些冶金因素使晶界弱化（例如雜質(zhì)原 子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脫溶，或脆性相在晶界析出等等）， 則金屬將會(huì)發(fā)生沿晶脆性斷裂。沿晶脆性斷裂的斷口特征是：在宏觀斷口表面上有許多亮面，每個(gè)亮面都是一個(gè)晶粒的界面二如果進(jìn)行高 倍觀察，就會(huì)清晰地看到每個(gè)晶粒的多面體形貌（圖2a）,類似于冰糖塊的堆集，故有冰糖狀斷口之稱；又由于多面體感特別強(qiáng)，故在 三個(gè)晶界面相遇之處能清楚地見到三重結(jié)點(diǎn)。沿晶脆性斷裂的發(fā)生在很大程度上取決于晶界面的狀態(tài)和性質(zhì)。實(shí)踐表明，提純金屬，凈化晶界，防止雜質(zhì)原子在晶界

10、上偏聚或脫溶，以及避免脆性第二相在 晶界析出等，均可以減少金屬發(fā)生沿晶脆性斷裂的傾向。因此 ，應(yīng)用 X射線能譜分析法和俄歇電子能譜分析法確定沿晶斷裂面的化學(xué)成 分，對(duì)從冶金因素來認(rèn)識(shí)材料的致脆原因， 提出改進(jìn)工藝措施有指導(dǎo) 意義。解理斷裂屬于一種穿晶脆性斷裂，根據(jù)金屬原子鍵合力的強(qiáng)度分析，對(duì)于 一定晶系的金屬，均有一組原子鍵合力最弱的、在正應(yīng)力下容易開裂 的晶面，這種晶面通常稱為解理面。例如：屬于立方晶系的體心立方 金屬，具解理面為100晶面；六方晶系為0001;三角晶系為111。 一個(gè)晶體如果是沿著解理面發(fā)生開裂，則稱為解理斷裂。面心立方金 屬通常不發(fā)生解理斷裂（見晶體結(jié)構(gòu)）。解理斷裂的特點(diǎn)

11、是：斷裂具有明顯的結(jié)晶學(xué)性質(zhì)，即它的斷裂面 是結(jié)晶學(xué)的解理面hkl,裂紋擴(kuò)展方向是沿著一定的結(jié)晶方向uvw。為了表示這種結(jié)晶學(xué)性質(zhì)，通常用解理系統(tǒng)斷口分析（五）hkl <uvw>來描述。對(duì)于體心立方金屬，已觀察到的解理系統(tǒng)有100 <001> , 100011等。解理斷口的特征是宏觀斷口十分平坦，而微觀形貌則是由一系列小裂面（每個(gè)晶粒的解理面）所構(gòu)成。在每個(gè)解理面上可以看到一些十分接近于裂紋擴(kuò)展方向的階梯，通常稱 為解理階（圖2b）。解理階的形態(tài)是多種多樣的，同金屬的組織狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的變化有關(guān)。其中所謂 河流花樣”是解理斷口的最基本 的微觀特征。河流花樣解理階的特點(diǎn)是

12、：支流解理階的匯合方向代表 斷裂的擴(kuò)展方向；匯合角的大小同材料的塑性有關(guān)，而解理階的分布面積和解理階的高度同材料中位錯(cuò)密度和位錯(cuò)組態(tài)有關(guān)。因此，通過對(duì)河流花樣解理階進(jìn)行分析，就可以幫助我們尋找主斷裂源的位置， 判斷金屬的脆性程度，和確定晶體中位錯(cuò)密度和位錯(cuò)容量。斷口分析準(zhǔn)解理斷裂也是一種穿晶斷裂。根據(jù)蝕坑技術(shù)分析表明，多晶體金屬的準(zhǔn)解 理斷裂也是沿著原子鍵合力最薄弱的晶面（即解理面）進(jìn)行。例如： 對(duì)于體心立方金屬（如鋼等），準(zhǔn)解理斷裂也基本上是100晶面，但由于斷裂面上存在較大程度的塑性變形 （見范性形變）,故斷裂面 不是一個(gè)嚴(yán)格準(zhǔn)確的解理面。準(zhǔn)解理斷裂首先在回火馬氏體等復(fù)雜組織的鋼中發(fā)現(xiàn)。對(duì)

13、于大多數(shù)合金鋼（如Ni-Cr鋼和Ni-Cr-Mo鋼等），如果發(fā)生斷裂的溫度剛 好在延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度的范圍內(nèi)， 也常出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂。從斷口的 微觀形貌特征來看（圖2c）,在準(zhǔn)解理斷裂中每個(gè)小斷裂面的微觀形態(tài) 頗類似于晶體的解理斷裂，也存在一些類似的河流花樣，但在各小斷 裂面間的連結(jié)方式上又具有某些不同于解理斷裂的特征，如存在一些 所謂撕裂嶺等。撕裂嶺是準(zhǔn)解理斷裂的一種最基本的斷口形貌特征。 準(zhǔn)解理斷裂的微觀形貌的特征，在某種程度上反映了解理裂紋與已發(fā) 生塑性變形的晶粒間相互作用的關(guān)系。 因此，對(duì)準(zhǔn)解理斷裂面上的塑 性應(yīng)變進(jìn)行定量測(cè)量，有可能把它同斷裂有關(guān)的一些力學(xué)參數(shù)如：屈服應(yīng)力、解理應(yīng)力和應(yīng)

14、變硬化參數(shù)等聯(lián)系起來。韌窩斷裂金屬多晶材料的斷裂，通過空洞核的形成、長(zhǎng)大和相互連接的過 程進(jìn)行，這種斷裂稱為韌窩斷裂（dimple fracture）。韌窩斷裂是屬于 一種高能吸收過程的延性斷裂。其斷口特征為：宏斷口分析（六）觀形貌呈纖維狀，微觀形態(tài)呈蜂窩狀（圖 2d）,斷裂面是由一些細(xì)小 的窩坑構(gòu)成，窩坑實(shí)際上是長(zhǎng)大了的空洞核，通常稱為韌窩，它是韌 窩斷裂的最基本形貌特征和識(shí)別韌窩斷裂機(jī)制的最基本依據(jù)。系統(tǒng)的觀察表明，韌窩的尺寸和深度同材料的延性有關(guān)， 而韌窩的形狀則同 破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。由于應(yīng)力狀態(tài)不同，相應(yīng)地在相互匹配的斷 口偶合面上，其韌窩形狀和相互匹配關(guān)系是不同的。如圖3所示:a

15、為等軸型韌窩，韌窩形成的應(yīng)力狀態(tài)為均勻應(yīng)變型；b為同向伸長(zhǎng)韌窩，伸長(zhǎng)方向平行于斷裂方向，其應(yīng)力狀態(tài)為拉伸撕裂型；c為異 向伸長(zhǎng)型韌窩，伸長(zhǎng)方向平行于斷裂方向，其應(yīng)力狀態(tài)為刃滑動(dòng)型； d為同向伸長(zhǎng)韌窩，但伸長(zhǎng)方向垂直于斷裂方向，其應(yīng)力狀態(tài)為螺滑 動(dòng)型。除了上述四種基本的韌窩形狀外，還存在混合應(yīng)力狀態(tài)下所形 成的韌窩，理論分析表明，最低限度有14種，其中8種已從實(shí)驗(yàn)觀察 到。斷口分析由于韌窩的形狀與應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，故對(duì)斷口耦合面上相嚙合 部位的韌窩形狀、尺寸和深度進(jìn)行分析，就可以確定斷裂時(shí)所在部位 的應(yīng)力狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展的方向，并對(duì)材料的延性進(jìn)行評(píng)價(jià)。還有其他 斷裂的機(jī)制如：疲勞、蠕變和應(yīng)力腐蝕斷裂等。微觀斷裂作為材料斷裂韌性指標(biāo)之一的裂紋擴(kuò)展阻力 Gc,它不但是一個(gè)材料常數(shù)，斷口分析（七）而且也同斷裂的微觀機(jī)制有關(guān)。例如：當(dāng)斷裂機(jī)制是沿晶脆性斷裂或 解理斷裂時(shí)，Gc值較?。环粗?，當(dāng)斷裂機(jī)制是韌窩斷裂時(shí)，則 Gc