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)力方向垂直，

2、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。宏觀脆性斷裂是一

3、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，沖擊韌性越低，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫

4、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)多晶體金屬斷裂時(shí)，根據(jù)裂紋擴(kuò)展所走的路徑，

5、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

6、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（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)

7、、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（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)

8、,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

9、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

10、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)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

11、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：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)

12、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)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

13、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)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（dimplefracture）。韌窩斷裂是屬于一種高能吸收過程的延性斷裂。其斷口

14、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??；反之，當(dāng)斷裂機(jī)制是韌窩斷裂時(shí)，