材料失效分析(第二至四章-解理斷裂與沿晶斷裂)

1、第二章第二章 韌韌 性性 斷斷 裂裂1、概述、概述2、韌性斷裂的斷口形貌特征、韌性斷裂的斷口形貌特征3、韌窩形成機(jī)理、韌窩形成機(jī)理4、影響韌窩形貌的因素、影響韌窩形貌的因素1 1、概述、概述1、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：料斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形。也可料斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形。也可以說(shuō)塑性變形是韌斷的前奏，而韌斷是大量塑以說(shuō)塑性變形是韌斷的前奏，而韌斷是大量塑性變形的結(jié)果。性變形的結(jié)果。2、過(guò)程：、過(guò)程：顯微空洞形成、擴(kuò)展、連接、斷裂顯微空洞形成、擴(kuò)展、連接、斷裂3、類(lèi)型：、類(lèi)型： 微孔聚集型微孔聚集型 純剪切型純剪切型2 2、韌性斷裂的斷口形貌特征、韌性斷裂的斷口形貌特征一、宏觀形貌特征一、宏觀形貌特

2、征 纖維區(qū)、剪切唇纖維區(qū)、剪切唇二、微觀形貌特征二、微觀形貌特征 韌窩花樣（斷面上覆蓋著大量韌窩花樣（斷面上覆蓋著大量微坑微坑） 韌窩類(lèi)型：韌窩類(lèi)型：等軸韌窩等軸韌窩 拋物線韌窩拋物線韌窩 卵形韌窩卵形韌窩 等等 軸軸 韌韌 窩窩拋物線韌窩拋物線韌窩 卵卵 型型 韌韌 窩窩3 3、韌窩形成機(jī)理、韌窩形成機(jī)理4 4、影響韌窩形貌的因素、影響韌窩形貌的因素1、夾雜物或第二相粒子、夾雜物或第二相粒子 尺寸較小，且分布密集尺寸較小，且分布密集 促進(jìn)韌窩成核，形成小而多的韌窩花樣促進(jìn)韌窩成核，形成小而多的韌窩花樣 尺寸較大，且分布變化不大尺寸較大，且分布變化不大促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，形成較大的韌窩花樣促進(jìn)裂紋擴(kuò)

3、展，形成較大的韌窩花樣2、基體材料的韌性、基體材料的韌性 韌性差、塑性變形能力差，韌窩尺寸較小、較淺韌性差、塑性變形能力差，韌窩尺寸較小、較淺3、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)溫度 T、有利于韌窩的成核與擴(kuò)展，韌窩寬度和深度增加、有利于韌窩的成核與擴(kuò)展，韌窩寬度和深度增加4、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài) 拉應(yīng)力、切應(yīng)力、撕裂應(yīng)力拉應(yīng)力、切應(yīng)力、撕裂應(yīng)力應(yīng)應(yīng) 力力 狀狀 態(tài)態(tài)第三章第三章 解理斷裂解理斷裂1、概述、概述2、解理斷口形貌特征及形成機(jī)理、解理斷口形貌特征及形成機(jī)理3、影響解理斷裂的因素、影響解理斷裂的因素4、準(zhǔn)解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂1 1、概述、概述1、定義、定義 正應(yīng)力、解理面、穿晶脆斷正應(yīng)力、解理面、穿晶脆

4、斷2、發(fā)生條件、發(fā)生條件 一般均在一般均在bcc、hcp金屬中發(fā)生，而金屬中發(fā)生，而fcc只在特殊情只在特殊情 況下才發(fā)生，如腐蝕環(huán)境、材質(zhì)較差時(shí)。況下才發(fā)生，如腐蝕環(huán)境、材質(zhì)較差時(shí)。2 2、解理斷口形貌特征、解理斷口形貌特征一、宏觀形貌特征一、宏觀形貌特征 1、放射狀條紋、放射狀條紋 2、人字紋、人字紋 3、小刻面（、小刻面（facet）：）：發(fā)亮的小晶面發(fā)亮的小晶面 解理斷口上的結(jié)晶面解理斷口上的結(jié)晶面 宏觀上呈無(wú)規(guī)則取向宏觀上呈無(wú)規(guī)則取向 強(qiáng)光下可見(jiàn)到閃閃發(fā)光的特征強(qiáng)光下可見(jiàn)到閃閃發(fā)光的特征 解理斷口是由許多小刻面組成的，每個(gè)小刻解理斷口是由許多小刻面組成的，每個(gè)小刻 面代表一個(gè)晶粒面代

5、表一個(gè)晶粒 小小 刻刻 面面 放射條紋放射條紋人字紋人字紋二、微觀形貌特征及形成機(jī)理二、微觀形貌特征及形成機(jī)理 特征：特征： 扇形花樣扇形花樣 解理臺(tái)階（解理臺(tái)階（cleavage step） 河流花樣（河流花樣（river pattern） 舌狀花樣（舌狀花樣（tongue pattern） 青魚(yú)骨花樣（青魚(yú)骨花樣（spine pattern） 瓦納線（瓦納線（wallner line） 扇形花樣扇形花樣河流花樣河流花樣舌舌 狀狀 花花 樣樣 青魚(yú)骨花樣青魚(yú)骨花樣 瓦納線瓦納線（二）形成機(jī)理（模型）二）形成機(jī)理（模型）1、解理臺(tái)階 解理裂紋與螺位錯(cuò)交截形成臺(tái)階解理裂紋與螺位錯(cuò)交截形成臺(tái)階臺(tái)階

6、形成過(guò)程的簡(jiǎn)化圖臺(tái)階形成過(guò)程的簡(jiǎn)化圖通過(guò)二次解理或撕裂相互連接形成臺(tái)階（撕裂棱）通過(guò)二次解理或撕裂相互連接形成臺(tái)階（撕裂棱）臺(tái)階的性質(zhì)臺(tái)階的性質(zhì)臺(tái)階在擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)發(fā)生臺(tái)階在擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)發(fā)生合并或消失（臺(tái)階高度減?。┖喜⒒蛳Вㄅ_(tái)階高度減?。┫嗤较虻呐_(tái)階合并后高度增加相同方向的臺(tái)階合并后高度增加相反方向的臺(tái)階合并后高度減小或消失相反方向的臺(tái)階合并后高度減小或消失臺(tái)階高度與柏氏矢量大小、位錯(cuò)密度之間存在一定關(guān)系臺(tái)階高度與柏氏矢量大小、位錯(cuò)密度之間存在一定關(guān)系 Hb N 1/22、河流花樣、河流花樣定義：定義：解理臺(tái)階及局部塑性變形形成的撕裂脊線所組合的解理臺(tái)階及局部塑性變形形成的撕裂脊線所組合的

7、 條紋。其形狀類(lèi)似地圖上的河流。條紋。其形狀類(lèi)似地圖上的河流。形成機(jī)理：河流花樣實(shí)際上就是解理臺(tái)階的一種標(biāo)志形成機(jī)理：河流花樣實(shí)際上就是解理臺(tái)階的一種標(biāo)志。當(dāng)。當(dāng) 裂紋擴(kuò)展時(shí)，同號(hào)臺(tái)階匯合成較大的臺(tái)階，而裂紋擴(kuò)展時(shí)，同號(hào)臺(tái)階匯合成較大的臺(tái)階，而 較大的臺(tái)階又匯合成更大的臺(tái)階，其結(jié)果就形較大的臺(tái)階又匯合成更大的臺(tái)階，其結(jié)果就形 成河流花樣。成河流花樣。影響因素：影響因素：小角度晶界小角度晶界：傾斜晶界傾斜晶界影響不大，延伸至相鄰晶粒影響不大，延伸至相鄰晶粒 扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界在亞晶界出產(chǎn)生新的裂紋，河流激增在亞晶界出產(chǎn)生新的裂紋，河流激增大角度晶界大角度晶界：河流不能通過(guò)，在晶界出產(chǎn)生新的裂紋，向

8、外擴(kuò)展河流不能通過(guò)，在晶界出產(chǎn)生新的裂紋，向外擴(kuò)展 ， 形成扇形花樣形成扇形花樣大角度晶界，扇形花樣大角度晶界，扇形花樣3、舌狀花樣、舌狀花樣特點(diǎn)：特點(diǎn)：形狀象形狀象“舌頭舌頭”，一般在鋼鐵材料中，一般在鋼鐵材料中成組出成組出現(xiàn)現(xiàn)。形成機(jī)理：形成機(jī)理：解理裂紋沿著孿晶面解理裂紋沿著孿晶面112產(chǎn)生產(chǎn)生二次解理二次解理及局部塑性變及局部塑性變形形撕裂撕裂的結(jié)果。在的結(jié)果。在低溫、高速低溫、高速變形時(shí)容易發(fā)生孿生變形，變形時(shí)容易發(fā)生孿生變形，也就容易出現(xiàn)舌狀花樣。也就容易出現(xiàn)舌狀花樣。青魚(yú)骨花樣、瓦納線青魚(yú)骨花樣、瓦納線3 3、影響解理斷裂的因素、影響解理斷裂的因素1、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu) bcc、

9、hcp易發(fā)生解理斷裂易發(fā)生解理斷裂 fcc不易發(fā)生解理斷裂不易發(fā)生解理斷裂2、顯微組織、顯微組織 F斷口較光滑，微觀呈河流條紋或舌狀花樣斷口較光滑，微觀呈河流條紋或舌狀花樣 P斷口呈不連續(xù)片層狀斷口呈不連續(xù)片層狀 M斷口呈鋸齒狀，出現(xiàn)小刻面斷口呈鋸齒狀，出現(xiàn)小刻面3 3、溫度、溫度 T，易導(dǎo)致解理斷裂，易導(dǎo)致解理斷裂 TTc，晶體在塑性變形前產(chǎn)生解理裂紋，斷口呈現(xiàn)脆性，晶體在塑性變形前產(chǎn)生解理裂紋，斷口呈現(xiàn)脆性 TTc，晶體先發(fā)生塑變，后產(chǎn)生解理，即斷裂時(shí)伴隨一定的塑性變形，晶體先發(fā)生塑變，后產(chǎn)生解理，即斷裂時(shí)伴隨一定的塑性變形4 4、加載速度、加載速度 V，易發(fā)生解理斷裂，易發(fā)生解理斷裂4

10、4、準(zhǔn)解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂與解理相比，準(zhǔn)解理斷裂的特征：與解理相比，準(zhǔn)解理斷裂的特征：準(zhǔn)解理裂紋源常在準(zhǔn)解理平面的準(zhǔn)解理裂紋源常在準(zhǔn)解理平面的內(nèi)部?jī)?nèi)部形成，而解理裂紋源在解理面形成，而解理裂紋源在解理面 邊界（晶界）邊界（晶界）形成形成準(zhǔn)解理裂紋擴(kuò)展路徑比解理裂紋要不連續(xù)得多，常在準(zhǔn)解理裂紋擴(kuò)展路徑比解理裂紋要不連續(xù)得多，常在局部地方形成局部地方形成 并并局部擴(kuò)展局部擴(kuò)展準(zhǔn)解理包含更多的撕裂準(zhǔn)解理包含更多的撕裂準(zhǔn)解理面的位向并不如鐵素體基體的解理面準(zhǔn)解理面的位向并不如鐵素體基體的解理面100嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，不不 存在確定的位向關(guān)系存在確定的位向關(guān)系準(zhǔn)解理裂紋形成機(jī)理示意圖準(zhǔn)解理裂紋形成機(jī)理

11、示意圖準(zhǔn)解理斷口形貌準(zhǔn)解理斷口形貌準(zhǔn)解理斷口形貌準(zhǔn)解理斷口形貌第四章 沿晶斷裂1、定義：、定義：材料沿晶界（原奧氏體晶界、相界、焊合界面）材料沿晶界（原奧氏體晶界、相界、焊合界面） 發(fā)生的斷裂。發(fā)生的斷裂。2、類(lèi)型：、類(lèi)型：韌性沿晶斷裂（韌性沿晶斷裂（沿晶韌斷沿晶韌斷） 脆性沿晶斷裂（脆性沿晶斷裂（沿晶脆斷沿晶脆斷）3、產(chǎn)生原因脆性沉淀相沿晶界析出脆性沉淀相沿晶界析出：鋼中的碳化物：鋼中的碳化物 Al-Li合金中的合金中的（AlLi）相）相晶界弱化晶界弱化：雜質(zhì)：雜質(zhì)Na、S、P等的晶界偏析等的晶界偏析 合金鋼中的高溫回火脆性合金鋼中的高溫回火脆性環(huán)境環(huán)境：SCC、氫脆、蠕變、氫脆、蠕變熱應(yīng)力

12、熱應(yīng)力：焊接材料的：焊接材料的HAZ晶粒粗大晶粒粗大！4 4、斷口形貌特征、斷口形貌特征 宏觀斷口：宏觀斷口：結(jié)晶狀形貌結(jié)晶狀形貌 冰糖塊狀（晶粒粗大）冰糖塊狀（晶粒粗大） 灰色的石狀灰色的石狀結(jié)晶狀斷口結(jié)晶狀斷口石狀斷口石狀斷口微觀斷口：微觀斷口：多邊形圖象（晶粒外形輪廓）多邊形圖象（晶粒外形輪廓） 冰糖狀形貌冰糖狀形貌例例1：一批鍛件毛坯在抽樣檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度與斷面收縮一批鍛件毛坯在抽樣檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度與斷面收縮率均不滿足要求，檢驗(yàn)人員根據(jù)斷口特征決定采用率均不滿足要求，檢驗(yàn)人員根據(jù)斷口特征決定采用正火正火處理，再檢驗(yàn)性能全部合格。試問(wèn)：處理，再檢驗(yàn)性能全部合格。試問(wèn)：1、檢驗(yàn)人員看到斷口有何特征？、檢驗(yàn)人員看到斷口有何特征？2、產(chǎn)生的原因是什么？、產(chǎn)生的原因是什么？3、正火后為什么強(qiáng)度和塑性均有提高？、正火后為什么強(qiáng)度和塑性均有提高？例例2：在什么條件下易出現(xiàn)沿晶斷裂？怎樣防止沿晶斷裂？在什么條件下易出現(xiàn)沿晶斷裂？怎樣防止沿晶斷裂？例例1：1、結(jié)晶狀脆性斷口（過(guò)熱脆性結(jié)晶狀斷口）、結(jié)晶狀脆性斷口（過(guò)熱脆性結(jié)晶狀斷口）2、產(chǎn)生原因：、產(chǎn)生原因： 鍛造溫度過(guò)高，使原奧氏體晶粒過(guò)分粗大。鍛造溫度過(guò)高，使原奧氏體晶粒過(guò)分粗大。 壓下量不足，終鍛溫度過(guò)高，晶粒破碎不夠，而再壓下量不足，終鍛溫度