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1、第七章 材料的显微断口分析1断口学概述断口学概述断口学是研究金属断裂面(即断口)的形态特征、形成原因和影响因素等内容的一门科学。按照研究尺度范围的不同，它又可分为宏观断口学赫显微断口学。 宏观断口学是利用肉眼或低倍放大镜，通过分析断口的色泽、粗糙度、各种条纹（例如发射状条纹、贝壳状条纹等）和宏观变形来确定分析裂纹源的位置、裂纹扩展方向、受力状态级可能的环境介质等，并进一步推断断口的性质和断裂的原因等。显微断口学则是利用光学显微镜、投射电子显微镜和扫描电子显微镜来研究断口的显微形貌特征、形成机制及影响因素等。它和宏观断口学研究结果互相补充及佐证，使人们能对断裂的全部过程有更深入和正确的了解。金属
2、断口的基本显微形貌及其形成机制金属断口的基本显微形貌及其形成机制造成金属断裂的外部条件及金属本身的内在因素是多种多样的，但是断裂时的断口的基本显微形貌确实很有限的。这就是说，任何断口都是有一种或几种基本显微形貌或他们的变态，按一定的规律、以不同的比例组合而成的。下面对常见几种基本断口显微形貌做介绍。一、解理断口解理断裂是指在一定条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离的过程。它是由于原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂。一般体心立方金属和密排六方金属常发生解理断裂、低温、高应变率、三向应力状态的存在、腐蚀环境中有活性介质吸附都有利于解理断裂。解理断口宏观上常具有放射状、人字纹、
3、小刻面等特征。微观断口形貌主要有以下几种。、解理台阶解理可沿解理面、滑移面或孪晶面进行。由于实际晶体内部存在许多缺陷（如位错、析出相、夹杂物等），所以在一个晶粒内的解理并不是只沿一个晶面，而是沿一簇相互平行的晶面。这样不同高度的解理面之间的裂纹相互贯通形成台阶。解理台阶的形成机制主要为：（）裂纹与螺位错相互交割而产生；（）另一种为两个相邻的解理裂纹相互靠近时，他们会批次连接起来形成台阶。如图、河流花样由若干个解理台阶相互汇合形成河流花样。如图所示。河流的流向为裂纹扩展方向，沿河流溯流而上可确定断裂源。解理裂纹从一个晶粒进入另一个晶粒时，由于两个晶粒位向的差异。河流花样的数量发生明显的变化图，穿
4、过扭转晶界河流数量激增（图）；穿过倾斜晶界，河流连贯的通过晶界（图）；穿过大角度晶界，河流数目增加，河流台阶高度差增大。 a) Armco铁 -196冲击破坏b) 焊缝金属(含30wt.%Cr的钢) 由于此单晶体解理面上裂纹扩展的方向不同而导致羽毛状结构，它含有细小的台阶，勾划出各自的断裂途径，表明扩展的方向。裂纹前进的方向为由底部至顶部。c) 由于存在大量孪晶，因此能推断在单个平面中不同的裂纹扩展方向。裂纹分成两部分沿着直的前沿以小的截面从主解理表面倾斜地移动出去，然后又按不规则的曲线途径转回来。当裂纹越入邻近的晶粒时形成许多新的亚裂纹，如在图片底部所见的那样。d) 含0.5wt.%Mn的钢
5、销钉。在图片的中心处裂纹从右手边倾斜地跨越晶粒边界，其结果是在图片左手边的晶粒中再次萌生许多新的裂纹。在此晶粒中可以见到一个孪晶，从表面 倾斜地向上移动。、舌状花样在体心、立方结构的金属和合金的解理断口上，还常可看到一形状像舌头的“舌状花样”。但材料脆性大、温度低、临界切应力增大时，滑移变形困难。晶体变形就容易以形变孪晶方式进行。由于裂纹尖端附近的形变孪晶发生了次级解理，是裂纹从主解理面局部的转移到形变孪晶的面上，从而在断面上遗留下“舌头”状形貌。见图、解理断口上一些其它微观特征）、扇形花样扇形花样有时也称羽毛状（如图）。因为在很多材料中，解理面不是等轴的。如裂纹扩展方向与解理伸长方向一致，则
6、可能会形成这种显微特征，用。）、青鱼骨花样在体心立方金属中有时能观察到一种类似鱼骨状的形貌，在金属钨与合金中曾发现。其中部为沿面、方向解理，而两侧为沿面方向或沿面方向解理。见图）、在珠光体钢中，解理裂纹还可以沿珠光体片层间发生，形成珠光体片层间断裂。如图二、准解理断口准解理断裂，常常在经淬火及随后回火的马氏体组织中出现。在回火马氏体钢中，原始奥氏体晶粒有效解理面的尺寸及取向可能模糊不清，而真正的解理面已被更小的不清晰的解理小刻面所代替。这些小的解理面称为准解理面，并为撕裂棱和浅韧窝相联系。示意图见图。准解理断口，在宏观上呈现较平整，基本无塑性变形、或变形很小，与解理断口相似也具有小刻面及放射条
7、纹等形貌，但其小刻面和放射条纹均较细小。准解理断口的微观形貌也近似于解理断口，有台阶、河流、舍状、撕裂脊、准解理面等形貌。见图三、韧性断口（一）、纯剪切断口金属材料因其中某些区域的剧烈滑移而最终引起分离而形成的断口成称为韧性断口，这种断裂又称塑性断裂。韧性断口宏观上呈纤维状。韧性断口微观上一般呈韧窝状。只有当材料为单晶适合纯金属时，才呈现纯剪切断口。对于大单晶材料，因位向不同的晶粒之间相互制约，必然沿许多相互交叉的滑移面滑移，断口特征呈现“蛇形滑移”花样。如图。若形变程度加剧，则蛇形滑移花样因变形而平滑化，形成“涟波”花样；若才继续变形，涟波花样也进一步平坦化，在断口上留下没有什么特殊形貌的平
8、坦面，称为“延伸区”或“光滑区”，图显示了形成蛇形滑动、涟波、延伸区的示意图。（二）韧窝断口，它是韧性断口的典型微观形貌和特点。韧窝中间都有一个夹杂物（或第二相粒子）。可以设想，断裂机制是塑变中位错在夹杂物（或第二相粒子）界面塞积，在异相界面形成裂纹源（也可以第二相脆性粒子解理）然后扩大成孔洞，在与邻近孔洞连接，最后顺孔洞边缘撕开。韧窝萌生及扩展机制见图，图是等轴韧窝，图是拉长的抛物线型韧窝。韧窝的形状：韧窝的形状主要是由所受的应力状态不同而决定的，一般可分为三种，即正交韧窝、剪切韧窝、撕裂韧窝。由对韧窝形状分析可知断裂十的应力状态。见图。韧窝的大小和深浅：韧窝的大小与深度决定与材料断裂时空穴
9、核心的数量、材料本身的相对塑性和温度。如韧窝的形核位置很多或材料的相对塑性较差，则断口上形成的韧窝尺寸较小、较浅；反之，如韧窝形核位置较少，如大晶粒的单相合金或纯金属中，则形成较大较深的韧窝。如图。所以可以认为韧窝越大，其材料韧性越好。当有夹杂物存在时，则韧窝的尺寸取决于夹杂物的大小与间距，见图。(a) 0.1C-0.02Si-0.30Mn-0.032P-0.024S-0.003N的钢的断口 试样带有缺口，经弯曲破坏 (b) 含SiC夹杂颗粒的碳素钢的焊缝断口(c) 剪切韧窝(d) 撕裂韧窝 1040钢的夏比冲击试样的缺口根部的断裂区(e) 0.02C-0.15Si-0.1Mn-18Ni-9C
10、o-5Mo-0.9Ti马氏体时效钢严重冷却硬化后在静截荷下失效的断口浅韧窝 (f) 晶间断口的表面韧窝(g) 晶粒边界组织对晶间断口表面形貌的影响四、疲劳断口疲劳断裂是金属材料在交变应力持续作用下发生的断裂现象，在实际工程构件的断裂事故中，疲劳断裂站的百分比最高。疲劳失效的类型也较多，又高周疲劳，低周疲劳、接触疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、微动疲劳等。本节着重介绍疲劳断口的微观断口形貌。、 疲劳裂纹扩展第I阶段断口微观形貌疲劳裂纹的形成一般分为三个阶段。裂纹发展的第I阶段为这些裂纹通过滑移面断开，裂纹与应力轴约为角向内深入扩展。用扫描电镜观察，很容易找到这个部位。深度不会超过裂源周围个晶粒，并往往观
11、察不到疲劳辉纹，有时也偶尔出现。但在断口上却能观察到一些类似解理特征的脆性形貌裂纹在萌生时滑移带的挤出和挤入也是按特定的晶体学平面进行的结果。见图2、 疲劳裂纹扩展第II阶段断口的形貌此阶段的疲劳断口具有引人注目的独特形态疲劳辉纹。在疲劳第三阶段是由于裂纹扩展到一定长度后，使构件的有效截面减少而造成的一次性快速断裂，断口特征常为韧窝型撕裂。）、疲劳辉纹的一般特点（）疲劳裂纹是一系列基本上相平行的条纹，略带弯曲成波浪形，并与裂纹局部扩展方向相垂直，其凸弧面指向裂纹扩展方向。（）在疲劳裂纹纹稳定扩展阶段，所形成的每一条辉纹相当于一次载荷循环。辉纹确定了裂纹前沿线在前进时的位置。（）疲劳辉纹的间距随
12、应力场强度因子而变化，应力越大，间距越宽；反之，应力越小，则间距越窄。（）疲劳断口的微观范围内，通常有许多大小不同、高低不一的小断块组成，每一小断块上的疲劳辉纹连续而平行，而相邻小断块上的疲劳辉纹不一定连续和平行。见图。（）断口的两匹配面上的辉纹基本对应。一般说来，面心立方晶格金属如铝合金、奥氏体钢的辉纹比较清晰明显，体心立方晶格金属及密排六方晶格金属的辉纹远不如前者明显；如普通钢的疲劳辉纹短而不连续，轮廓也不明显。图、分别为铝合金和钢疲劳断口辉纹。）、疲劳辉纹存在的条件在疲劳断口上有时可能观察不到辉纹存在。可能由下列几方面原因所致。（）、一般情况下，形成疲劳辉纹的循环的循环周次至少有以上，若
13、周次很低，其断口上观察不到辉纹。（）、疲劳裂纹前端必须处于张开型平面应变状态，所以只有当疲劳断口与疲劳载荷张应力相垂直时（即正断型），才能观察到疲劳辉纹。（）材料性质对辉纹的影响很复杂。成分、显微组织以及机械性能等都将会对辉纹产生很大的影响。但一般说来，韧性材料形成辉纹较容易，脆性材料较困难。对合金钢来说，材料的越高，辉纹越易形成。另外，晶体结构对辉纹形成也有很大影响。面心立方晶格金属比体心立方晶格金属要明显得多，其原因可能是体心立方金属层错较高，易于交叉滑移，不利于形成辉纹。（）、有时因为疲劳辉纹间距太小，以至于使用扫描电镜观察不到，即使用二级复型技术在透射电镜中也不能分辨这些稠密的细条纹，
14、但实际上是存在的。据有关研究报导，辉纹的间距可以小到左右。）、疲劳辉纹的类型及其形貌通常把疲劳辉纹分为韧性疲劳辉纹与脆性疲劳辉纹二类。其形貌见示意图 我们遇到的大多数是属于韧性辉纹，其微观形态如图和所示那样。脆性辉纹只有在特殊条件下形成，通常在腐蚀环境中形成的腐蚀疲劳断口，其上的辉纹为脆性辉纹，图是镍基合金涡轮叶片的疲劳断口显微形貌，疲劳辉纹呈脆性疲劳辉纹，微观形貌好像把解理和疲劳两种特征结合一起，疲劳辉纹与脆性解理河流花样相垂直。而图则为韧性辉纹或塑性辉纹。）、疲劳辉纹的形成机制关于疲劳辉纹形成的原因，已提出了几种机制。其中被较多人接受的有两种机制。即“塑形钝化”模型（见图）和裂纹尖端“弱点
15、”凝聚模型。塑性疲劳辉纹是依靠裂纹前沿塑性变形和裂纹尖端塑性钝化交替进行而形成的，而脆性疲劳辉纹是依靠裂纹前沿解理扩展和裂纹尖端塑性钝化交替进行而形成的。3、低周疲劳断口的特征低周疲劳断口比高周疲劳断口的研究要少很多。通常情况下，低周疲劳断口上的辉纹要粗些，间距要宽些。图为不锈钢的低周疲劳断口的扫描电镜图像，其辉纹很粗，间距又大。在许多金属和合金中，特别是超高强度钢和低强度材料中，可能不形成辉纹，而出现准解理或韧窝型断裂。由于低周疲劳断裂所受的应力较大，故在断口上还常看到辉纹与韧窝或辉纹与准解理或解理同时出现的现象。在低周疲劳断口上还常能观察到一种称为轮胎压痕的形貌，见图。它是由于相匹配的断口上的“突出”或“刀边”（例如断口上的第二相质点、夹杂物）反复碰撞和挤压而引起的压痕。这种压痕虽不是疲劳辉纹，但他们是疲劳断口的可靠标志。这种轮胎压痕偶尔在某些材料的高周疲劳断口上才能发现。低周疲劳断裂过程中，由于应力较复杂，所以断口形貌也较复杂，随应力幅（或应变福）的不同，有很大的不同。有人对这种材料进行研究，当疲劳寿命 时，断口均为韧
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