金属断口机理及分析文档格式.docx

1、 .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；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、切断切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45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

2、） 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

3、口分析。第三章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。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

4、（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

5、，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。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

6、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

7、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解理断裂的影响因素 1.试验温度T，裂纹尖端塑性变形区裂纹扩展阻力解理断裂发生的容易程度上升 ；2.应变速率解理断裂发生的容易程度 ；3.hcp、 bcc类型金属、合金易发生解理断裂，fcc类型金属、合金不易发生解理断裂（滑移系） ；4.晶粒尺寸发生解理断裂的可能性；5.显微组织不同，解理断裂路径不同。断口形貌不同；6.第二相粒子越粗大越容易发生

8、解理断裂 。准解理断裂宏观特征：宏观断口较平整，少或无宏观塑性变形，结晶状小刻面，亮但不发光，较明显的放射状花样解理断裂与准解理断裂的区别：区别解理断裂准解理断裂裂纹源解理面边界（晶界）准解理平面内部扩展路径比较连续不连续（常在局部形成并局部扩展）撕裂少多位向100晶面严格对应不存在确定的位向关系第五章疲劳断裂：1.定义：由于交变应力或循环载荷作用下的脆断。2.分类：（1）按负载和环境条件分类：高周疲劳，低周疲劳，接触疲劳，热疲劳，腐蚀疲劳。（2）依载荷类型特点分类：弯曲疲劳，轴向疲劳，扭转疲劳。疲劳断裂的一般特征：（1）断裂应力比静载下的抗拉强度，屈服强度低，断裂前无明显塑性变形，是低应力脆

9、断破坏现象。（2）疲劳断裂是损伤积累过程的结果，是与时间相关的破坏方式。它包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段。（3）工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。（4）微观上一般是穿晶断裂，也属一种脆性穿晶。疲劳裂纹的萌生和扩展：1.萌生：表面（次表面，内部）2.扩展：第一阶段 裂纹起源于材料表面，向内部扩展，扩展速度慢。 第二阶段 断面与拉伸轴垂直，凹凸不平。扩展途径为穿晶，扩展速度快。（显微特征：疲劳辉纹）疲劳断口形貌特征：1疲劳源：光滑、细洁扇形小区域。位于材料表面、次表面或者内部。2裂纹扩展区形状：一条条同心的圆弧颜色：因为氧化或者腐蚀，成黑色或褐色变化规律：年轮间距小，表示裂纹扩展慢，材

10、料韧性好3瞬断区形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状，暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大；反之越小。疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：贝纹线：宏观特征因交变应力幅度变化或载荷停歇造成的。辉纹：微观特征，是一次交变应力循环裂纹尖端钝化形成的。辉纹四要素：辉纹相互平行且垂直于裂纹局部扩展方向。辉纹间距随应力强度因子振幅而变化。辉纹个数等于负载循环次数通常断面上的一组辉纹是连续的，相邻断面上的辉纹不连续。1.形成机理：裂纹扩展的连续模型和不连续模型。2.类型：韧性辉纹，脆性辉纹3.产生的必要条件：（1）张开型平面应

11、变，即正断时才出现（2）延性材料比较容易出现（3）真空中不出现辉纹影响疲劳断口形貌的因素：1载荷类型与应力大小 2材质 3晶界 4夹杂物或第二相 5环境介质。腐蚀疲劳：1定义：材料在循环应力和腐蚀介质共同作用下产生的断裂。2裂源：材料的腐蚀坑或表面缺陷部位。3特征：（1）多起源于腐蚀坑处或表面缺陷部位，为多源疲劳 （2）断口上具有较模糊的疲劳辉纹（3）断口上具有沿晶断裂形貌，也可能有穿晶断口形貌（4）断口中二次裂纹较多第7章环境引起表面膜局部断裂的原因：环境因素，冶金因素，力学因素，机械破损。（蠕变断裂为沿晶断裂）第六章环境断裂：金属材料在腐蚀介质和温度环境等条件影响下产生的沿晶或穿晶低应力脆

12、断现象应力腐蚀断裂断裂过程：裂纹的形成、裂纹的扩展氧化膜破坏-腐蚀坑形成-应力腐蚀裂纹萌生和亚临界扩展-机械失稳破坏引起表面氧化膜局部破裂的因素：环境因素、冶金因素、力学因素、机械破损SCC断口形貌特征：1.宏观：（1）呈现脆性特征（2）多源，裂纹形成区成暗色或灰黑色（3）最终断裂区具有金属光泽，常有放射性花样或人字纹。2.微观：沿晶断口，晶面有撕裂脊等SCC影响因素和预防措施：1.影响因素：应力、环境介质、成分、热处理工艺2.预防措施：降低应力、表面处理、改变腐蚀介质、选材、电化学保护氢脆的分类及其宏微观形貌特征：分为内部氢脆和环境氢脆内部氢脆形貌特征：1宏观：白点（发裂白点、鱼眼型白点）

13、2微观：穿晶解理断口或准解理断口环境氢脆形貌特征：与脆性断口相似沿晶断口和准解理断口SCC与氢脆的关系1联系：通常共同存在，形貌也相似2区别：（1）电化学反应：SCC为阳极溶解控制过程，氢脆为阴极反应控制过程 （2）裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉；氢脆从次表面或内部开始，裂纹基本不分叉影响氢脆外部因素：温度、氢浓度、置放时间蠕变可由蠕变曲线描述，一般分为三个阶段：1初始蠕变阶段（蠕变速率随时间不断降低）2稳态蠕变阶段（蠕变速率保持不变）3加速蠕变阶段（蠕变速率随时间加快直至断裂）材料蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散、晶界滑动按照断裂时塑性变形量大小的顺序，可将蠕变断裂分为如下三个类型：沿

14、晶蠕变断裂（高温、低应力）、穿晶蠕变断裂（高应力）、延缩性断裂（高温）类型：韧性沿晶断裂、脆性沿晶断裂产生的原因：1脆性沉淀相沿晶界析出 2晶界弱化 3环境 4热应力 5晶体粗大断口宏观形貌特征：结晶状、冰糖快状、灰色石状第七章断裂形式：1按裂纹产生部位：表面开裂、内部开裂2按塑性加工方式：轧制开裂、挤压开裂、锻造开裂断裂原因：1塑性变形不均匀2铸锭质量差3加工工艺不合理失效分析的一般程序：外部观察试验检查综合分析1 金属的断裂综述断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂

15、的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5为脆性断裂；大于5为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向

16、晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移

17、面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45角，为切断型断裂。前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂。按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为静载断裂（如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等）、冲击断裂、疲劳断裂；根据环境不同又分为低温冷脆断裂、高温

18、蠕变断裂、应力腐蚀和氢脆断裂；而磨损和接触疲劳则为一种不完全断裂。常用的断裂分类方法及其特征见下。断裂分类及其特征分类方法名 称特 征根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂断裂前没有明显的塑性变形，断口形貌是光亮的结晶状韧性断裂断裂前产生明显的塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状根据断裂面的取向分类正断断裂的宏观表面垂直于max方向切断断裂的宏观表面平行于max方向根据裂纹扩展的途径分类穿晶断裂裂纹穿过晶粒内部沿晶断裂裂纹沿晶界扩展根据断裂机理分类无明显塑性变形沿解理面分离，穿晶断裂微孔聚集型断裂沿晶界微孔聚合，沿晶断裂在晶内微孔聚合，穿晶断裂纯剪切断裂沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）通过缩颈导致最终断

19、裂（多晶体、高纯金属）2 微孔聚合断裂机制2.1相关概念定义：微孔聚合型断裂过程是在外力作用下，在夹杂物、第二相粒子与基体的界面处，或在晶界、孪晶带、相界、大量位错塞积处形成微裂纹，因相邻微裂纹的聚合产生可见微孔洞，以后孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂。微孔萌生的时间：若材料中第二相与基体结合强度低，在颈缩之前；反之，在颈缩之后。微孔萌生成为控制马氏体时效钢断裂过程的主要环节微孔聚合型断裂形成的韧窝有三种： 1）拉伸型等轴状韧窝； 2）剪切型伸长韧窝； 3）拉伸撕裂型伸长韧窝。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，如第二相较少、分布均匀且基体塑性变形能力又强，那么韧窝大

20、而深；若基体的加工硬化能力很强，韧窝大而浅。2.2 断口形貌特征A种（15 mA cm2）变体钢断裂面的形貌-兼有微孔聚合断裂和解理断裂B （30 mA cm2）种变体钢断裂面形貌-兼有韧窝和二次裂纹 以上图片是对“800 CMnSi超强度钢（TRIP 800 steels）”的A、B两种变体钢试样进行拉伸试验的断口形貌，括号中标注的是实验具体使用的电流密度值。 本实验研究氢含量对TRIP 800 steels性质和断口形貌的影响，上面图2-1说明氢含量高使得断口表现出了较多较浅的韧窝，韧窝浅因为氢脆效应降低了材料的塑性变形能力。另外，图2-2是在加入了氢吸收促进剂之后的断裂形貌，除了有韧窝出

21、现，还有了二次断裂，并且产生于夹杂物（即氢吸收促进剂）旁边。2.3 微孔聚合断裂机制微孔聚集断裂为剪切断裂的一种形式，微孔聚集断裂是材料韧性断裂的普遍形式，其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微断口特征花样则是端口上分布大量“韧窝”，微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合直至断裂。微孔聚合断裂过程由于应力状态或加载方式的不同，微孔聚合型断裂所形成的韧窝可有三种类型：（1）拉伸型的等轴状韧窝。裂纹扩展方向垂直于最大主应力max，max是均匀分布于断裂平面上，拉伸时呈颈缩的试样中心部分就显示这种韧窝状。（2）剪切型的伸长韧窝。在拉伸试样的边缘，两侧均由剪应力切断，显示这种韧窝形状，韧窝很大如卵形

22、，其上下断面所显示的韧窝，其方向是相反的。（3）拉伸撕裂的伸长韧窝。产生这种韧窝的加载方式有些和等轴状韧窝类似，但是等轴状韧窝可以认为是在试样中心加拉伸载荷的，而拉伸型韧窝是在试样边缘加载的，因而max不是沿截面均匀分布的，在边缘部分应力很大，裂纹是由表面逐渐向内部延伸的，好像我们把粘着的两张纸，从一端把它们逐渐撕开一样故称拉伸撕裂型。表面有缺口的试样或者裂纹试样，其断口常显示这种类型。这种类型的韧窝，韧窝小而浅，裂纹扩展快，故在宏观上常为脆断，所以不要把微孔聚合型的微观机制都归之为韧断，这也是宏观和微观不能完全统一之处。SPA-H集装箱板断口形貌 700上图为拉伸断口形貌，断裂全部为韧性断裂

23、，断口呈韧窝状，夹杂物少。2.4 断口形貌分析 图4与图5分别给出了复合材料室温和高温拉伸后试样的断口形貌。可以看出，室温条件下，TMC1 为韧性断裂，其断口有许多较浅的韧窝，而TMC2 为典型脆性断裂，其断口存在河流花样以及脆性解离面。与等轴组织较浅的韧窝相比，TMC1 的层片状组织的增强体附件韧窝相对较深且较细小，这主要是因为层片组织对源自增强体断裂的裂纹具有很好的阻碍作用。同样，从断口来看，层片组织的TMC2 较等轴组织的延性要略好，这些结果与力学性能是一致的。高温条件下，两种热处理下的TMCs 都表现出明显的延性断裂特征，并且温度越高韧窝越深。而由于层片组织不利于协调变形，因而塑性韧窝

24、不易聚集长大，故表现出的相对细小的韧窝。不同组织的复合材料室温拉伸的扫描电镜断口形貌不同组织的复合材料高温拉伸的扫描电镜断口形貌3 解理断裂3.1 形貌特征解理断裂的端口形貌是河流状花样。解理台阶、河流花样以及舌状花样都是解理断裂的基本微观特征。3.2 形成原理解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，断裂面沿一定的晶面发生的，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们

25、沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台，故在匹配断口上“舌头”为黑白对应的。42CrMo钢的冲击试样断口的解理断口微观形貌3.3解理断口形貌特征3.3.1 河流花样（riverpattern）解理断口电子图像的主要特征是“河流花样”，河流花样中的每条支流都对

26、应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相 互汇合，便形成了河流花样。在河流的“上游”，许多较小的台阶汇合成较大的台阶，到“下游”，较大的台阶又汇合成更大的台阶。河流的流向恰好与裂纹扩展方 向一致。所以人们可以根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。3.3.2 舌状裂面 解理裂纹与孪晶（见孪生）相遇时可沿孪晶面形成局部裂纹，它发展到一定程度后与解理面上的裂纹相连通，形成像躺在解理面上的舌状裂面。这种裂面在低温高速加载的条件下最易发生。3.3.3 解理扇 台阶状解理裂纹不能直接通过晶界扩展到相邻晶粒中去，只能在晶界附近相邻晶粒内某些区域形成一些

27、新裂缝，它们在传播过程中汇集成河流状花样并形成扇面形向四周扩展。“河流”上游即解理扇，扇柄处是裂纹源，扇面下游即裂纹扩展方向。 3.4 准解理准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。准解理与解理的共同点：都是穿晶断裂；有小解理面；有台阶或撕裂棱及河流状花样。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。它是另一种型式称准解理断裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准 解理断裂面不是一个严格准确的解理面，有人认为准解理断裂是解理和微孔聚合的混合机制，它常见于淬火回火钢中。4沿晶断裂4.1概念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。金属材料中的裂纹沿晶界扩展而产生断裂。当沿晶断裂断口形貌呈粒状时又称晶间颗粒断裂。多数情况下沿晶断裂属于脆性断裂，但也可能出现韧性断裂，如高温蠕变断裂。在多晶体变形中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用。但当晶界收到损伤，其变形能力被削弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成境界开裂。裂纹扩展总是沿阻力最小的路径发展，遂表现为沿晶断裂。钼的沿晶断裂4.2形成原因产生沿晶断裂一般有如下原因：（ 1 ） 晶界上存在有脆性沉淀相 ； （2 ） 杂质和合金元素在