金屬斷口機(jī)理及分析

1、名詞解釋延性斷裂：金屬材料在過(guò)載負(fù)荷的作用下，局部發(fā)生明顯的宏觀塑性變形后斷裂。蠕變：金屬長(zhǎng)時(shí)間在恒應(yīng)力，恒溫作用下，慢慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。準(zhǔn)解理斷裂：斷口形態(tài)與解理斷口相似，但具有較大塑性變形變形量大于解理斷裂、小于延性斷裂是一種脆性穿晶斷口沿晶斷裂：裂紋沿著晶界擴(kuò)展的方式發(fā)生的斷裂。解理斷裂：在正應(yīng)力作用下沿解理面發(fā)生的穿晶脆斷。應(yīng)力腐蝕斷裂：拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用的低應(yīng)力脆斷疲勞輝紋：顯微觀察疲勞斷口時(shí)，斷口上細(xì)小的，相互平行的具有規(guī)則間距的，與裂紋擴(kuò)展方向垂直的顯微條紋。正斷：斷面取向與最大正應(yīng)力相垂直解理斷裂、平面應(yīng)變條件下的斷裂韌性：材料從變形到斷裂過(guò)程中吸收能量的大小，是材料

2、強(qiáng)度和塑性的綜合反映。沖擊韌性：沖擊過(guò)程中材料吸收的功除以斷的面積。位向腐蝕坑技術(shù)：利用材料腐蝕后的幾何形狀與晶面指數(shù)之間的關(guān)系研究晶體取向，分析斷裂機(jī)理或斷裂過(guò)程。河流把戲：解理臺(tái)階及局部塑性變形形成的撕裂脊線所組成的條紋。其形狀類似地圖上的河流。斷口萃取復(fù)型：利用AC紙將斷口上夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)萃取下來(lái)做電子衍射分析確定這些質(zhì)點(diǎn)的晶體結(jié)構(gòu)。氫脆：金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的低應(yīng)力脆斷。卵形韌窩：大韌窩在長(zhǎng)大過(guò)程中與小韌窩交截產(chǎn)生的。等軸韌窩：拉伸正應(yīng)力作用下形成的圓形微坑。均勻分布于斷口外表，顯微洞孔沿空間三維方向均勻長(zhǎng)大。第一章斷裂的分類及特點(diǎn)1 .根據(jù)宏觀現(xiàn)象分：脆性斷裂和延

3、伸斷裂。脆性斷裂裂紋源：材料外表、內(nèi)部的缺陷、微裂紋；斷口：平齊、與正應(yīng)力相垂直，人字紋或放射花紋。延性斷裂裂紋源：孔穴的形成和合并；斷口：三區(qū)，無(wú)光澤的纖維狀，剪切面斷裂、與拉伸軸線成45o.2 .根據(jù)斷裂擴(kuò)展途分：穿晶斷裂與沿晶斷裂。穿晶斷裂：裂紋穿過(guò)晶粒內(nèi)部、可能為脆性斷裂也可能是延性斷裂；沿晶斷裂：裂紋沿著晶界擴(kuò)展，多屬脆斷。應(yīng)力腐蝕斷口，氫脆斷口。3根據(jù)微觀斷裂的機(jī)制上分：韌窩、解理及準(zhǔn)解理、沿晶和疲勞斷裂4根據(jù)斷面的宏觀取向與最大正應(yīng)力的交角分：正斷、切斷正斷：斷面取向與最大正應(yīng)力相垂直解理斷裂、平面應(yīng)變條件下的斷裂切斷：斷面取向與最大切應(yīng)力相一致，與最大應(yīng)力成45o交角平面應(yīng)力條

4、件下的撕裂根據(jù)裂紋尖端應(yīng)力分布的不同，主要可分為三類裂紋變形：裂紋張開型、邊緣滑開型正向滑開型、側(cè)向滑開型撒開型裂紋尺寸與斷裂強(qiáng)度的關(guān)系K1ccY.aKic：材料的斷裂韌性，反映材料抗脆性斷裂的物理常量不同于應(yīng)力強(qiáng)度因子，與K準(zhǔn)則相似:斷裂應(yīng)力剩余強(qiáng)度a:裂紋深度長(zhǎng)度Y:形狀系數(shù)與試樣幾何形狀、載荷條件、裂紋位置有關(guān)脆性材料K準(zhǔn)則：KI是由載荷及裂紋體的形狀和尺寸決定的量，是表征裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算量；KIC是材料固有的機(jī)械性能參量，是表示材料抵抗脆斷能力的試驗(yàn)量Kc、a%第二章裂紋源位置的判別方法：T型法脆斷判別主裂紋，分差法脆斷判別主裂紋，變形法韌斷判別主裂紋，氧化法環(huán)境斷裂判別主裂紋

5、，貝紋線法適用于疲勞斷裂判別主裂紋。斷口的試樣制備：截取，清洗，保存。斷口分析技術(shù)設(shè)備：1 .宏觀斷口分析技術(shù)用肉眼，放大鏡，低倍率光學(xué)顯微鏡觀察分析2 .光學(xué)顯微斷口分析掃描電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡，透射電子顯微鏡，3 .電鏡斷口分析。第三章延性斷裂：1 .特點(diǎn)：材料斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，也可以說(shuō)塑性變形是韌斷的前奏，而韌斷是大量塑性變形的結(jié)果。2 .過(guò)程：顯微空洞形成，擴(kuò)展，連接，斷裂。3 .類型：韌窩-微孔聚集型斷裂、滑移別離斷裂。韌窩斷口的宏觀和微觀形貌特征：1宏觀形貌特征1纖維區(qū)：a.外表顏色灰暗，無(wú)金屬光澤b.粗糙不平c.無(wú)數(shù)纖維狀小峰組成，小峰的小斜面和拉伸軸線大約成45度角2放

6、射區(qū)3剪切唇：和拉伸軸線大約成45度角注意：塑性較高材料的沖擊斷口一般具有兩個(gè)纖維區(qū)2微觀形貌特征：大小不等的圓形或橢圓形的凹坑即韌窩。韌窩內(nèi)一般可看到夾雜物或者第二相粒子。注意：并非每個(gè)韌窩都包含一個(gè)夾雜物或粒子韌窩的形狀等軸韌窩拉伸正應(yīng)力，圓形微坑，均勻分布于斷口外表剪切韌窩剪切應(yīng)力，拋物線形狀，通常出現(xiàn)的位置：拉伸、沖擊斷口的剪切唇部位撕裂韌窩撕裂應(yīng)力，拋物線形狀卵形韌窩卵形剪切韌窩與撕裂韌窩微觀形狀無(wú)區(qū)別，怎么區(qū)分？對(duì)材料斷口的兩個(gè)外表進(jìn)行作比照研究：韌窩凸向一致為撕裂韌窩；反之為剪切韌窩韌窩裂紋的萌生與擴(kuò)展以拉伸正應(yīng)力為例應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度一發(fā)生塑性變形一變形部位產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)

7、一在沉淀相、夾雜物與金屬界面處別離產(chǎn)生微孔，或夾雜物本身破碎形成裂紋，或滑移位錯(cuò)塞積產(chǎn)生孔洞1內(nèi)頸縮擴(kuò)展：質(zhì)點(diǎn)大小、分布均勻，韌窩在多處形核裂紋萌生，隨變形增加，微孔壁變薄，以撕裂方式連接2剪切擴(kuò)展：材料中具有較多夾雜物，同時(shí)具有細(xì)小析出相時(shí)，微孔之間可能以剪切方式相連接。注意：內(nèi)頸縮擴(kuò)展與剪切擴(kuò)展在同一韌窩斷口上可能同時(shí)發(fā)生。影響韌窩的形貌因素：夾雜物或第二相粒子，基體材料的韌性，試驗(yàn)溫度，應(yīng)力狀態(tài)。第四章解理斷口宏觀和微觀形貌特征：1 .宏觀形貌特征：放射狀條紋，人字紋，小刻面發(fā)亮的小晶面2 .微觀形貌特征：河流把戲、舌狀把戲、扇形把戲、魚骨狀把戲、瓦納線、解理臺(tái)階解理臺(tái)階的形成：1解理裂

8、紋與螺位錯(cuò)交截形成臺(tái)階2二次解理或撕裂相互連接形成臺(tái)階解理臺(tái)階的性質(zhì)：1 .臺(tái)階擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)發(fā)生合并或消失臺(tái)階高度減小2 .相同方向的臺(tái)階合并后高度增加3 .相反方向的臺(tái)階合并后高度減少或消失4 .臺(tái)階高度與柏氏矢量大小、位錯(cuò)密度之間有一定關(guān)系河流把戲：1 .形成機(jī)理：河流把戲?qū)嶋H上是解理臺(tái)階的一種標(biāo)志。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)果就形成河流把戲。2 .起源：1晶界、亞晶界、攣晶界2夾雜物或析出相3晶粒內(nèi)部解理面與螺形位錯(cuò)交截的地方。3 .影響因素：1小角度晶界：傾斜晶界影響不大，延伸至相鄰晶界扭轉(zhuǎn)晶界在亞晶界處產(chǎn)生新的裂紋，河流激增2大角度晶

9、界河流不能通過(guò)，在晶界處產(chǎn)生新的裂紋，向外擴(kuò)展，形成扇形。解理斷裂的萌生和擴(kuò)展1 .裂紋萌生機(jī)制：1位錯(cuò)塞積極制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一運(yùn)動(dòng)受阻晶界、攣晶界、第二相夾雜物一位錯(cuò)堆積一理論斷裂強(qiáng)度一產(chǎn)生微裂紋2位錯(cuò)反應(yīng)機(jī)制：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一位錯(cuò)相遇一產(chǎn)生新位錯(cuò)不動(dòng)位錯(cuò)一阻礙隨后的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一位錯(cuò)堆積一產(chǎn)生微裂紋3滑移解理機(jī)制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一排列成小角度晶界一部分晶界被阻礙一產(chǎn)生拉應(yīng)力一微裂紋2 .裂紋的擴(kuò)展：根據(jù)格里菲斯表達(dá)式來(lái)解釋2E解理斷裂的影響因素1 .試驗(yàn)溫度TJ,裂紋尖端塑性變形區(qū)J一裂紋擴(kuò)展阻力J一解理斷裂發(fā)生的容易程度上升；2 .應(yīng)變速率T一解理斷裂發(fā)生的容易程度T；3 .hcp、bcc類型金屬、合金易發(fā)生解

10、理斷裂，fcc類型金屬、合金不易發(fā)生解理斷裂滑移系；4 .晶粒尺寸T發(fā)生解理斷裂的可能性T；5 .顯微組織不同，解理斷裂路徑不同。斷口形貌不同；6 .第二相粒子越粗大越容易發(fā)生解理斷裂。準(zhǔn)解理斷裂宏觀特征：宏觀斷口較平整，少或無(wú)宏觀塑性變形，結(jié)晶狀小刻面，亮但不發(fā)光，較明顯的放射狀把戲解理斷裂與準(zhǔn)解理斷裂的區(qū)別:區(qū)別解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂裂紋源解理面邊界（晶界準(zhǔn)解理平面內(nèi)部擴(kuò)展路徑比較連續(xù)不連續(xù)常在局部形成并局部擴(kuò)展撕裂少多位向100晶圓嚴(yán)格對(duì)應(yīng)不存在確定的位向關(guān)系第五章疲勞斷裂：1 .定義：由于交變應(yīng)力或循環(huán)載荷作用下的脆斷。2 .分類：1按負(fù)載和環(huán)境條件分類：高周疲勞，低周疲勞，接觸疲勞，熱疲

11、勞，腐蝕疲勞。2依載荷類型特點(diǎn)分類：彎曲疲勞，軸向疲勞，扭轉(zhuǎn)疲勞。疲勞斷裂的一般特征：1斷裂應(yīng)力比靜載下的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度低，斷裂前無(wú)明顯塑性變形，是低應(yīng)力脆斷破壞現(xiàn)象。2疲勞斷裂是損傷積累過(guò)程的結(jié)果，是與時(shí)間相關(guān)的破壞方式。它包括裂紋萌生、擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段。3工程構(gòu)件對(duì)疲勞抗力比對(duì)靜載荷要敏感得多。4微觀上一般是穿晶斷裂，也屬一種脆性穿晶。疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展：1 .萌生：外表次外表，內(nèi)部2 .擴(kuò)展：第一階段裂紋起源于材料外表，向內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展速度慢。第二階段斷面與拉伸軸垂直，凹凸不平。擴(kuò)展途徑為穿晶，擴(kuò)展速度快。顯微特征：疲勞輝紋疲勞斷口形貌特征：1疲勞源：光滑、細(xì)潔扇形小區(qū)域。位

12、于材料外表、次外表或者內(nèi)部。2裂紋擴(kuò)展區(qū)形狀：一條條同心的圓弧顏色：因?yàn)檠趸蛘吒g，成黑色或褐色變化規(guī)律：年輪間距小，表示裂紋擴(kuò)展慢，材料韌性好3瞬斷區(qū)形貌：具有斷口三要素放射區(qū)、剪切唇的特征對(duì)于塑性材料，斷口為纖維狀，暗灰色對(duì)于脆性材料，斷口為結(jié)晶狀瞬斷區(qū)面積越大，越靠近中心部位，工件過(guò)載程度越大；反之越小。疲勞輝紋與疲勞條紋貝紋線的區(qū)別：貝紋線：宏觀特征因交變應(yīng)力幅度變化或載荷停歇造成的。輝紋：微觀特征，是一次交變應(yīng)力循環(huán)裂紋尖端鈍化形成的。輝紋四要素：1.輝紋相互平行且垂直于裂紋局部擴(kuò)展方向。2.輝紋間距隨應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅而變化。3.輝紋個(gè)數(shù)等于負(fù)載循環(huán)次數(shù)4.通常斷面上的一組輝紋是連

13、續(xù)的，相鄰斷面上的輝紋不連續(xù)。疲勞輝紋：1 .形成機(jī)理：裂紋擴(kuò)展的連續(xù)模型和不連續(xù)模型。2 .類型：韌性輝紋，脆性輝紋3 .產(chǎn)生的必要條件：1張開型平面應(yīng)變，即正斷時(shí)才出現(xiàn)2延性材料比較容易出現(xiàn)3真空中不出現(xiàn)輝紋影響疲勞斷口形貌的因素：1載荷類型與應(yīng)力大小2材質(zhì)3晶界4夾雜物或第二相5環(huán)境介質(zhì)。腐蝕疲勞：1 定義：材料在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的斷裂。2 裂源：材料的腐蝕坑或外表缺陷部位。3 特征：1多起源于腐蝕坑處或外表缺陷部位，為多源疲勞 2斷口上具有較模糊的疲勞輝紋 3斷口上具有沿晶斷裂形貌，也可能有穿晶斷口形貌 4斷口中二次裂紋較多第七章環(huán)境應(yīng)力腐蝕斷裂：拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作

14、用的低應(yīng)力脆斷引起外表膜局部斷裂的原因：環(huán)境因素，冶金因素，力學(xué)因素，機(jī)械破損。蠕變：金屬長(zhǎng)時(shí)間在恒應(yīng)力，恒溫作用下，慢慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變斷裂為沿晶斷裂第六章環(huán)境斷裂：金屬材料在腐蝕介質(zhì)和溫度環(huán)境等條件影響下產(chǎn)生的沿晶或穿晶低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象應(yīng)力腐蝕斷裂斷裂過(guò)程：裂紋的形成、裂紋的擴(kuò)展氧化膜破壞-腐蝕坑形成-應(yīng)力腐蝕裂紋萌生和亞臨界擴(kuò)展-機(jī)械失穩(wěn)破壞引起外表氧化膜局部破裂的因素：環(huán)境因素、冶金因素、力學(xué)因素、機(jī)械破損SCC斷口形貌特征：1. 宏觀：1呈現(xiàn)脆性特征2多源，裂紋形成區(qū)成暗色或灰黑色3最終斷裂區(qū)具有金屬光澤，常有放射性把戲或人字紋。2. 微觀：沿晶斷口，晶面有撕裂脊等SCC影響因

15、素和預(yù)防措施：1. 影響因素：應(yīng)力、環(huán)境介質(zhì)、成分、熱處理工藝2. 預(yù)防措施：降低應(yīng)力、外表處理、改變腐蝕介質(zhì)、選材、電化學(xué)保護(hù)氫脆的分類及其宏微觀形貌特征：分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆內(nèi)部氫脆形貌特征：1宏觀：白點(diǎn)發(fā)裂白點(diǎn)、魚眼型白點(diǎn)2微觀：穿晶解理斷口或準(zhǔn)解理斷口環(huán)境氫脆形貌特征：1宏觀：與脆性斷口相似2微觀：沿晶斷口和準(zhǔn)解理斷口SCC與氫脆的關(guān)系1 聯(lián)系：通常共同存在，形貌也相似2 區(qū)別：1電化學(xué)反應(yīng)：SCC為陽(yáng)極溶解控制過(guò)程，氫脆為陰極反應(yīng)控制過(guò)程2裂源：SCC從外表開始，裂紋分叉；氫脆從次外表或內(nèi)部開始，裂紋基本不分叉影響氫脆外部因素：溫度、氫濃度、置放時(shí)間蠕變可由蠕變曲線描述，一般分為三

16、個(gè)階段：1 初始蠕變階段蠕變速率隨時(shí)間不斷降低2 穩(wěn)態(tài)蠕變階段蠕變速率保持不變3 加速蠕變階段蠕變速率隨時(shí)間加快直至斷裂材料蠕變變形機(jī)理主要有位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散、晶界滑動(dòng)按照斷裂時(shí)塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三個(gè)類型：沿晶蠕變斷裂高溫、低應(yīng)力、穿晶蠕變斷裂高應(yīng)力、延縮性斷裂高溫沿晶斷裂：類型：韌性沿晶斷裂、脆性沿晶斷裂產(chǎn)生的原因：1脆性沉淀相沿晶界析出2晶界弱化3環(huán)境4熱應(yīng)力5晶體粗大斷口宏觀形貌特征：結(jié)晶狀、冰糖快狀、灰色石狀第七章斷裂形式：1 按裂紋產(chǎn)生部位：外表開裂、內(nèi)部開裂2 按塑性加工方式：軋制開裂、擠壓開裂、鍛造開裂斷裂原因：1 塑性變形不均勻2 鑄錠質(zhì)量差3 加工工

17、藝不合理失效分析的一般程序：外部觀察試驗(yàn)檢查綜合分析1金屬的斷裂綜述斷裂類型根據(jù)斷裂的分類方法不同而有很多種，它們是依據(jù)一些各不相同的特征來(lái)分類的。根據(jù)金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的宏觀塑性變形的大小可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂。韌性斷裂的特征是斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑性變形，脆性斷裂在斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，是一種突然發(fā)生的斷裂，沒有明顯征兆，因而危害性很大。通常，脆斷前也產(chǎn)生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5為脆性斷裂；大于5為韌性斷裂。可見，金屬材料的韌性與脆性是依據(jù)一定條件下的塑性變形量來(lái)規(guī)定的，隨著條件的改變，材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。多晶體金屬斷裂時(shí)，裂紋擴(kuò)展

18、的路徑可能是不同的。沿晶斷裂一般為脆性斷裂，而穿晶斷裂既可為脆性斷裂低溫下的穿晶斷裂，也可以是韌性斷裂如室溫下的穿晶斷裂。沿晶斷裂是晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續(xù)性所造成的，也可能是雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起的。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋都是沿晶斷裂。有時(shí)沿晶斷裂和穿晶斷裂可以混合發(fā)生。按斷裂機(jī)制又可分為解理斷裂與剪切斷裂兩類。解理斷裂是金屬材料在一定條件下如體心立方金屬、密排六方金屬與合金處于低溫、沖擊載荷作用，當(dāng)外加正應(yīng)力到達(dá)一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面的穿晶斷裂。解理面一般是低指數(shù)或外表能最低的晶面。對(duì)于面心立方金屬來(lái)說(shuō)，在一般情況

19、下不發(fā)生解理斷裂，但面心立方金屬在非常苛刻的環(huán)境條件下也可能產(chǎn)生解理破壞。通常，解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂，兩者不是同義詞，它們不是一回事。剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面別離而造成的滑移面別離斷裂，它又分為滑斷又稱切離或純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂。純金屬尤其是單晶體金屬常發(fā)生滑斷斷裂；鋼鐵等工程材料多發(fā)生微孔聚集型斷裂，如低碳鋼拉伸所致的斷裂即為這種斷裂，是一種典型的韌性斷裂。根據(jù)斷裂面取向又可將斷裂分為正斷型或切斷型兩類。假設(shè)斷裂面取向垂直于最大正應(yīng)力，即為正斷型斷裂；斷裂面取向與最大切應(yīng)力方向相一致而與最大正應(yīng)力方向約成45°角，為切斷型斷裂。前

20、者如解理斷裂或塑性變形受較大約束下的斷裂，后者如塑性變形不受約束或約束較小情況下的斷裂。按受力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)不同，又可將斷裂分為靜載斷裂（如拉伸斷裂、扭轉(zhuǎn)斷裂、剪切斷裂等）、沖擊斷裂、疲勞斷裂；根據(jù)環(huán)境不同又分為低溫冷脆斷裂、高溫蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂；而磨損和接觸疲勞則為一種不完全斷裂。常用的斷裂分類方法及其特征見下。斷裂分類及其特征分類方法名稱特征根據(jù)斷裂前塑性父形大小分類脆性斷裂斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口形貌是光亮的結(jié)晶狀韌性斷裂斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀根據(jù)斷裂面的取向分類正斷斷裂的玄觀外表垂直于0-max方向切斷斷裂的宏觀外表平行于pmax方向根據(jù)裂紋

21、擴(kuò)展的途徑分類穿晶斷裂裂紋穿過(guò)晶粒內(nèi)部沿晶斷裂裂紋沿晶界擴(kuò)展根據(jù)斷裂機(jī)理分類解理斷裂無(wú)明顯塑性變形沿解理向別離，穿晶斷裂微孔聚集型斷裂沿晶界微孔聚合，沿晶斷裂在晶內(nèi)微孔聚合，穿晶斷裂純剪切斷裂沿滑移面別離剪切斷裂單晶體通過(guò)縮頸導(dǎo)致最終斷裂多晶體、高純金屬2微孔聚合斷裂機(jī)制定義：微孔聚合型斷裂過(guò)程是在外力作用下，在夾雜物、第二相粒子與基體的界面處，或在晶界、字晶帶、相界、大量位錯(cuò)塞積處形成微裂紋，因相鄰微裂紋的聚合產(chǎn)生可見微孔洞，以后孔洞長(zhǎng)大、增殖，最后連接形成斷裂。微孔萌生的時(shí)間：假設(shè)材料中第二相與基體結(jié)合強(qiáng)度低，在頸縮之前；反之,在頸縮之后。微孔萌生成為控制馬氏體時(shí)效鋼斷裂過(guò)程的主要環(huán)節(jié)微孔

22、聚合型斷裂形成的韌窩有三種：1 拉伸型等軸狀韌窩；2 剪切型伸長(zhǎng)韌窩；3 拉伸撕裂型伸長(zhǎng)韌窩。切窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形能力，如第二相較少、分布均勻且基體塑性變形能力又強(qiáng)，那么韌窩大而深；假設(shè)基體的加工硬化能力很強(qiáng)，韌窩大而淺。2.2 斷口形貌特征A種(15mAcm-2)變體鋼斷裂面的形貌-兼有微孔聚合斷裂和解理斷裂B(30mAcm-2)種變體鋼斷裂面形貌-兼有韌窩和二次裂紋以上圖片是對(duì)“800CHMn6i超強(qiáng)度鋼TRIP800steels”的A、B兩種變體鋼試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的斷口形貌，括號(hào)中標(biāo)注的是實(shí)驗(yàn)具體使用的電流密度值。本實(shí)驗(yàn)研究氫含量對(duì)TRIP800ste

23、els性質(zhì)和斷口形貌的影響，上面圖2-1說(shuō)明氫含量高使得斷口表現(xiàn)出了較多較淺的切窩，韌窩淺因?yàn)闅浯嘈?yīng)降低了材料的塑性變形能力。另外，圖2-2是在加入了氫吸收促進(jìn)劑之后的斷裂形貌，除了有切窩出現(xiàn)，還有了二次斷裂，并且產(chǎn)生于夾雜物即氫吸收促進(jìn)劑旁邊。2.3 微孔聚合斷裂機(jī)制微孔聚集斷裂為剪切斷裂的一種形式，微孔聚集斷裂是材料韌性斷裂的普遍形式，其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微斷口特征把戲則是端口上分布大量“切窩”，微孔聚集斷裂過(guò)程包括微孔形核、長(zhǎng)大、聚合直至斷裂。微孔聚合斷裂過(guò)程由于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式的不同，微孔聚合型斷裂所形成的韌窩可有三種類型：(1)拉伸型的等軸狀韌窩。裂紋擴(kuò)展方向垂直

24、于最大主應(yīng)力(Tmax,max是均勻分布于斷裂平面上，拉伸時(shí)呈頸縮的試樣中心部分就顯示這種韌窩狀。(2)剪切型的伸長(zhǎng)韌窩。在拉伸試樣的邊緣，兩側(cè)均由剪應(yīng)力切斷，顯示這種韌窩形狀，韌窩很大如卵形，其上下斷面所顯示的韌窩，其方向是相反的。(3)拉伸撕裂的伸長(zhǎng)韌窩。產(chǎn)生這種韌窩的加載方式有些和等軸狀韌窩類似，但是等軸狀韌窩可以認(rèn)為是在試樣中心加拉伸載荷的，而拉伸型切窩是在試樣邊緣加載的，因而Umax不是沿截面均勻分布的，在邊緣部分應(yīng)力很大，裂紋是由外表逐漸向內(nèi)部延伸的，好似我們把粘著的兩張紙，從一端把它們逐漸撕開一樣故稱拉伸撕裂型。外表有缺口的試樣或者裂紋試樣，其斷口常顯示這種類型。這種類型的切窩，

25、韌窩小而淺，裂紋擴(kuò)展快，故在宏觀上常為脆斷，所以不要把微孔聚合型的微觀機(jī)制都?xì)w之為切斷，這也是宏觀和微觀不能完全統(tǒng)一之處。SPA-H集裝箱板斷口形貌700X上圖為拉伸斷口形貌，斷裂全部為韌性斷裂，斷口呈切窩狀，夾雜物少2.4 斷口形貌分析圖4與圖5分別給出了復(fù)合材料室溫和高溫拉伸后試樣的斷口形貌?？梢钥闯?，室溫條件下，TMC1為韌性斷裂，其斷口有許多較淺的韌窩，而TMC2為典型脆性斷裂，其斷口存在河流把戲以及脆性解離面。與等軸組織較淺的韌窩相比，TMC1的層片狀組織的增強(qiáng)體附件切窩相對(duì)較深且較細(xì)小，這主要是因?yàn)閷悠M織對(duì)源自增強(qiáng)體斷裂的裂紋具有很好的阻礙作用。同樣，從斷口來(lái)看，層片組織的TMC

26、2較等軸組織的延性要略好，這些結(jié)果與力學(xué)性能是一致的。高溫條件下,兩種熱處理下的TMCs都表現(xiàn)出明顯的延性斷裂特征，并且溫度越高韌窩越深。而由于層片組織不利于協(xié)調(diào)變形，因而塑性韌窩不易聚集長(zhǎng)大，故表現(xiàn)出的相對(duì)細(xì)小的韌窩。 H'f.lJFftti不同組織的復(fù)合材料室溫拉伸的掃描電鏡斷口形貌不同組織的復(fù)合材料高溫拉伸的掃描電鏡斷口形貌3解理斷裂3.1 形貌特征解理斷裂的端口形貌是河流狀把戲。解理臺(tái)階、河流把戲以及舌狀把戲都是解理斷裂的基本微觀特征。3.2 形成原理解理斷裂是在正應(yīng)力作用產(chǎn)生的一種穿晶斷裂，斷裂面沿一定的晶面發(fā)生的，這個(gè)平面叫做解理面。解理臺(tái)階是沿兩個(gè)高度不同的平行解理面上擴(kuò)

27、展的解理裂紋相交時(shí)形成的。形成過(guò)程有兩種方式：通過(guò)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相交形成；通過(guò)二次解理或撕裂形成。第一種，當(dāng)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相遇時(shí)，便形成一個(gè)臺(tái)階，裂紋繼續(xù)向前擴(kuò)展，與許多螺型位錯(cuò)相交便形成眾多臺(tái)階，他們沿裂紋前端滑動(dòng)而相互交匯，同號(hào)臺(tái)階相互匯合長(zhǎng)大，異號(hào)臺(tái)階相互抵消，當(dāng)匯合臺(tái)階足夠大的時(shí)候便在電鏡下觀察為河流狀把戲。第二種，二次解理是指在解理裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)互相平行解理面間距較小時(shí)產(chǎn)生的，但假設(shè)解理裂紋的上下兩個(gè)面間距遠(yuǎn)大于一個(gè)原子間距時(shí)，兩解理裂紋之間的金屬會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，結(jié)果由于塑性撕裂而形成臺(tái)階，稱為撕裂棱晶界。舌狀把戲是由于解理裂紋沿字晶界擴(kuò)散留下的舌頭狀凹坑或凸臺(tái)，故在匹

28、配斷口上“舌頭”為黑白對(duì)應(yīng)的42CrMo鋼的沖擊試樣斷口的解理斷口微觀形貌3.3.1 河流把戲riverpattern解理斷口電子圖像的主要特征是“河流把戲”，河流把戲中的每條支流都對(duì)應(yīng)著一個(gè)不同高度的相互平行的解理面之間的臺(tái)階。解理裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，眾多的臺(tái)階相互匯合，便形成了河流把戲。在河流的“上游”，許多較小的臺(tái)階匯合成較大的臺(tái)階，到“下游”，較大的臺(tái)階又匯合成更大的臺(tái)階。河流的流向恰好與裂紋擴(kuò)展方向一致。所以人們可以根據(jù)河流把戲的流向，判斷解理裂紋在微觀區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)展方向。3.3.2 舌狀裂面解理裂紋與李晶（見學(xué)生）相遇時(shí)可沿李晶面形成局部裂紋，它發(fā)展到一定程度后與解理面上的裂紋相連通，形

29、成像躺在解理面上的舌狀裂面。這種裂面在低溫高速加載的條件下最易發(fā)生。3.3.3 解理扇臺(tái)階狀解理裂紋不能直接通過(guò)晶界擴(kuò)展到相鄰晶粒中去，只能在晶界附近相鄰晶粒內(nèi)某些區(qū)域形成一些新裂縫，它們?cè)趥鞑ミ^(guò)程中聚集成河流狀把戲并形成扇面形向四周擴(kuò)展。“河流”上游即解理扇，扇柄處是裂紋源，扇面下游即裂紋擴(kuò)展方向3.4準(zhǔn)解理準(zhǔn)解理斷裂介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，它是兩種機(jī)制的混合。準(zhǔn)解理與解理的共同點(diǎn)：都是穿晶斷裂；有小解理面；有臺(tái)階或撕裂棱及河流狀把戲。不同點(diǎn)：準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面；真正解理裂紋常源于晶界，而準(zhǔn)解理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流把戲。它是另一種型式稱準(zhǔn)解理斷

30、裂，其斷裂面上顯現(xiàn)有較大的塑性變形，特征是斷口上存在由于幾個(gè)地方的小裂紋分別擴(kuò)展相遇發(fā)生塑性撕裂而形成的撕裂嶺。準(zhǔn)解理斷裂面不是一個(gè)嚴(yán)格準(zhǔn)確的解理面，有人認(rèn)為準(zhǔn)解理斷裂是解理和微孔聚合的混合機(jī)制，它常見于淬火回火鋼中。4沿晶斷裂沿晶斷裂是指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴(kuò)展的斷裂形式。金屬材料中的裂紋沿晶界擴(kuò)展而產(chǎn)生斷裂。當(dāng)沿晶斷裂斷口形貌呈粒狀時(shí)又稱晶間顆粒斷裂。多數(shù)情況下沿晶斷裂屬于脆性斷裂，但也可能出現(xiàn)韌性斷裂，如高溫蠕變斷裂。在多晶體變形中，晶界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形的作用。但當(dāng)品界收到損傷，其變形能力被削弱，不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時(shí)，便形成境界開裂。裂紋擴(kuò)展總是沿阻力最小的路徑發(fā)展，遂表現(xiàn)為

31、沿晶斷裂。鋁的沿晶斷裂產(chǎn)生沿晶斷裂一般有如下原因：（1）晶界上存在有脆性沉淀相；（2）雜質(zhì)和合金元素在晶界偏析，致使晶界弱化；（3）熱應(yīng)力作用；4環(huán)境引起的沿晶蝕用；5晶界有彌散相析出。晶界上有脆性沉淀相如果脆性相在晶界面上覆蓋得不連續(xù)，例如AIN粒子在鋼的晶界面上的分布，將產(chǎn)生微孔聚合型沿晶斷裂；如果晶界上的脆性沉淀相是連續(xù)分布的，例如奧氏體NiCr鋼中形成的連續(xù)碳化物網(wǎng)狀，則將產(chǎn)生脆性薄層分裂型斷裂。晶界有使其弱化的夾雜物如鋼中晶界上存在P、S、As、Sb、Sn等元素。有害元素沿晶界富集，降低了晶界處外表能，使脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫推移，明顯提高了材料對(duì)溫度和加載速率的敏感性，在低溫或動(dòng)載條件

32、下發(fā)生沿晶脆斷。Ni原本是穿經(jīng)斷裂，加入S元素后就變?yōu)檠鼐嗔巡牧显跓峒庸み^(guò)程中，因加熱溫度過(guò)高，造成品界熔化，嚴(yán)重減弱了品界結(jié)合力和晶界處的強(qiáng)度，在受載時(shí)，產(chǎn)生早期的低應(yīng)力沿晶斷裂。由于淬火工藝不當(dāng)，產(chǎn)生淬火裂紋，使彈簧在使用時(shí)發(fā)生斷裂。斷口經(jīng)掃描電鏡觀察，裂源區(qū)為具有沿晶斷裂特征的淬火裂紋。彈簧在工作時(shí)，淬火裂紋的尖端成為應(yīng)力集中區(qū)，疲勞裂紋起始于淬火裂紋的尖端。圖中具有冰糖狀特征區(qū)為淬火裂紋區(qū)，其余區(qū)域?yàn)槠趨^(qū)。環(huán)境因素與晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化，例如高溫蠕變條件下的晶界弱化，應(yīng)力腐蝕條件下晶界易于優(yōu)先腐蝕等，均促使沿晶斷裂產(chǎn)生。A7075-(a)和A7050-(b)的穿晶斷裂如

33、奧氏體高鉆鋼固溶處理后，再加熱時(shí)沿晶界析出非常細(xì)小的碳化物，從而改變了晶界層材料的性質(zhì)，這也屬于品界受損傷的情況，雖尚有一定的塑性變形能力，但一經(jīng)變形后，沿晶界形成微孔型開裂。沿晶斷裂的過(guò)程包括裂紋的形成與擴(kuò)展。品界受損的材料受力變形時(shí)，品內(nèi)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)受阻于晶界，在晶界處造成應(yīng)力集中，當(dāng)集中應(yīng)力到達(dá)境界強(qiáng)度時(shí)，變將晶界擠裂。這個(gè)集中應(yīng)力與位錯(cuò)塞積群中的位錯(cuò)數(shù)目和滑移帶長(zhǎng)度有關(guān)，因此沿晶斷裂強(qiáng)度與晶粒尺寸符合Hall-Petch關(guān)系。沿晶脆性斷裂斷口宏觀形貌一般有兩類：（1）晶粒特別粗大時(shí)形成石塊或冰糖狀斷口；（2）晶粒較細(xì)時(shí)形成結(jié)晶狀斷口。沿晶斷裂的結(jié)晶狀斷口比解理斷裂的結(jié)晶狀斷口反光能力稍差

34、，顏色黯淡FrachircOrigin4.5預(yù)防方法預(yù)防沿晶斷裂的方法：將金屬進(jìn)行提純、凈化晶界、防止雜質(zhì)原子在品界偏聚或脫溶（見固溶處理）、防止第二相在晶界上析出、改善環(huán)境因素等，均可減少金屬發(fā)生沿晶脆性斷裂的傾向。5金屬疲勞性斷裂5.1疲勞原理：金屬疲勞過(guò)程的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)決定了金屬材料的組織和性能的變化規(guī)律。在靜載單向拉開的變形條件下，金屬在宏觀上呈現(xiàn)均勻變形，滑移線沿金屬試樣外表均勻分布，只有在較大變形量時(shí)，變形才集中于試樣某一局部區(qū)域。在交變荷載作用下，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)該材料的疲勞極限小于屈服點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力循環(huán)到達(dá)一定次數(shù)后，通過(guò)金相顯微鏡和X-射線的實(shí)驗(yàn)觀察，可以發(fā)現(xiàn)在試樣外表上應(yīng)力水平

35、較高的區(qū)域或較軟的部位，產(chǎn)生了集中滑移，形成了式樣的不均勻塑性形變。這種不均勻的塑性變形形成了通常所說(shuō)的外表擠出峰和擠入槽。擠出峰和擠入槽是金屬弱化部位滑移層見無(wú)規(guī)則滑移構(gòu)成的滑移帶。擠入槽構(gòu)成了試樣的外表裂紋。所以擠出峰和擠入槽是金屬疲勞過(guò)程導(dǎo)致?lián)p傷的滑移條紋，而且也是疲勞過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)變化的典型特征。5.1金屬的疲勞斷裂：金屬的疲勞斷裂過(guò)程可以分為疲勞裂紋的形成、疲勞裂紋的擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。金屬疲勞破壞的起源常在于它的自由外表或它內(nèi)部的缺陷處，例如外表刀痕或夾雜物等，這種區(qū)域的應(yīng)力較高，常引起不均勻的塑性變形，進(jìn)而形成微裂紋，這就是疲勞破壞的第一個(gè)階段。接著，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，微裂

36、紋緩慢斷續(xù)地?cái)U(kuò)展，這是疲勞破壞的第二個(gè)階段。最后，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，留下的連續(xù)截面已不勝所加的載荷，就出現(xiàn)突發(fā)性斷裂。起源于金屬自由外表的疲勞破壞比源于金屬內(nèi)部缺陷的可能性大。因此，除了合理的設(shè)計(jì)能減少外表應(yīng)力集中點(diǎn)，也能有效防止或延遲裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。疲勞裂紋最容易在應(yīng)力最高、強(qiáng)度最弱的部位，以及存在應(yīng)力集中的地方形成。例如鍵槽、刀痕、變斷面處和油孔等。形成疲勞裂紋的方式有：滑移帶開裂、夾雜物和基體界面開裂和孿晶、晶界開裂。5.2.1滑移帶開裂在交變載荷作用下，金屬外表將產(chǎn)生滑移線，隨著循環(huán)次數(shù)增加，滑移線逐漸變粗而形成滑移帶的獨(dú)特結(jié)構(gòu)與靜載荷條件下的不同，它的分布極不均勻，隨著塑性應(yīng)

37、變的增大，滑移帶數(shù)目不是在所有的晶面上平均增加，只是其中個(gè)別滑移帶逐漸變寬而成為粗大的滑移帶，在金相顯微鏡下，可以明顯看到這些滑移帶。由滑移引起的疲勞裂紋，可以認(rèn)為是駐留滑移帶上的擠入和擠出現(xiàn)象的結(jié)果。在交變荷載的繼續(xù)作用下，擠入部分向滑移帶縱深擴(kuò)展，從而形成最初的疲勞裂紋，然后裂紋沿滑移帶方向擴(kuò)展，并穿過(guò)晶粒，直至轉(zhuǎn)化成宏觀裂紋。由滑移引起的疲勞斷裂一一擠入、擠出示意圖機(jī)械工程使用的金屬材料中，都存在非金屬雜物。另一方面，為了提高材料強(qiáng)度的目的，又常引入第二相。這樣的非金屬夾雜物或第二相，將與基體形成界面。在交變應(yīng)力作用下，夾雜物和第二相微粒在界面處與基體別離。止匕外，夾雜物和第二相質(zhì)點(diǎn)本身

38、在交錯(cuò)應(yīng)力下也可能發(fā)生斷裂。這兩種情況都能導(dǎo)致疲勞斷裂。/一邊脫開成縫夾雜物與基體界面開裂過(guò)程示意圖夾雜物造成斷裂實(shí)物圖多晶金屬的晶界常數(shù)是疲勞裂紋成核的區(qū)域。在低應(yīng)力循環(huán)荷載下，裂紋很容易在晶界上形成。當(dāng)滑移帶到達(dá)晶界時(shí)受阻，在交變荷載繼續(xù)作用下，滑移帶在晶界上引起的應(yīng)變將不斷增加，從而在晶界前造成位錯(cuò)塞積。當(dāng)這種位錯(cuò)塞積形成的應(yīng)力增大到斷裂強(qiáng)度時(shí)，晶界即開裂而形成微裂紋。金屬的晶粒越粗，品界上的應(yīng)變量越大，位錯(cuò)塞積也大，應(yīng)力集中增高，易于形成裂紋。晶界開裂機(jī)理示意圖紋萌生時(shí)開始，經(jīng)過(guò)一定條件下的不斷擴(kuò)展，直到發(fā)生瞬時(shí)斷裂為止的整個(gè)過(guò)程，一共可以分成微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階

39、段。第I階段：微觀裂紋擴(kuò)展。疲勞裂紋形成后，能沿著與拉應(yīng)力成45。角的最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展。不過(guò)這一階段的擴(kuò)展速度很低，深度很淺，只有當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后，才轉(zhuǎn)入第II階段。第II階段：宏觀裂紋擴(kuò)展。在這一階段中，裂紋將向垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展，它的擴(kuò)展速度和深度都大于第I階段。第III階段：瞬時(shí)斷裂。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，殘留的截面積不斷縮小，應(yīng)力則不斷增大。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的靜強(qiáng)度指標(biāo)，即強(qiáng)度極限時(shí)，最終發(fā)生瞬時(shí)斷裂。疲勞斷裂的宏觀斷口具有脆性特性，無(wú)明顯的塑性變形。疲勞擴(kuò)展過(guò)程示意圖5.4金屬疲勞斷裂宏觀斷口疲勞斷裂宏觀疲勞斷口可以分為三個(gè)區(qū)，即源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)斷裂區(qū)。源區(qū)一般位于試樣外表

40、，尤其是存在應(yīng)力集中的部位，一般比較光亮。疲勞擴(kuò)展區(qū)緊靠源區(qū)，也很光亮、平滑，而且可看到呈貝紋線或海灘把戲，即存在一些類似同心圓的弧線包圍源區(qū)，它是應(yīng)力發(fā)生突變和材料組織變化使裂紋改變方向時(shí)留下的裂紋前沿線痕跡。最后是瞬時(shí)斷裂區(qū)，它是由于疲勞裂紋擴(kuò)展至臨界長(zhǎng)度后，剩余截面上的真實(shí)應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度而發(fā)生的靜載斷裂，它的斷口特征和存在嚴(yán)重應(yīng)力集中的低應(yīng)力脆性斷口相似，多出現(xiàn)放射把戲。疲勞斷口示意圖疲勞破壞過(guò)程和斷口形狀，與零件的工作載荷類型、應(yīng)力大小和應(yīng)力集中條件等有很大關(guān)系235678不同工作載荷對(duì)斷口的影響1.一壓6防止金屬脆性斷裂失效的途徑6.1 材料的設(shè)計(jì)與制造防止脆性斷裂應(yīng)控制以下因

41、素來(lái)進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即材料的斷裂韌性水平、構(gòu)件的工作溫度和應(yīng)力狀態(tài)、載荷類型及環(huán)境因素等。溫度是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之一，設(shè)計(jì)者必須考慮使構(gòu)件的工作溫度高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度Tc。假設(shè)所設(shè)計(jì)的構(gòu)件工作溫度低于Tc時(shí)，則必須降低設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會(huì)發(fā)生裂紋的擴(kuò)展。假設(shè)其設(shè)計(jì)應(yīng)力不能降低，則應(yīng)更換材料，選擇韌性更高，Tc更低的材料。在選擇材料時(shí)，應(yīng)保證材料具有良好的強(qiáng)韌性，良好的工藝性能。從減少構(gòu)件脆性斷裂上，在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使缺陷所產(chǎn)生的應(yīng)力集中減少到最低限度，如減少尖角及結(jié)構(gòu)尺寸的不連續(xù)性，合理布置焊縫的位置。冶金生產(chǎn)方面要減少鋼中的夾雜物、氣孔及鋼材的外表缺陷。結(jié)構(gòu)加工后不應(yīng)

42、存在缺口、凹槽、過(guò)深的刀痕等缺陷。焊接時(shí)要防止裂紋、焊瘤、未焊透等缺陷，減小和消除鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，尤其在條件允許的情況下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量消除焊接殘余應(yīng)力，這對(duì)于防止低溫脆斷具有非常重要的意義。6.2 調(diào)整化學(xué)成分鋼的化學(xué)成分中的有益元素含量在合金設(shè)計(jì)中應(yīng)給以重視，而GNH、OP等有害夾雜含量增加均會(huì)提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性，所以應(yīng)減少其含量。要對(duì)脆斷事故進(jìn)行分析，首先應(yīng)該要看是否含量超標(biāo)，不超標(biāo)時(shí)也要考慮合金配比是否合適，因?yàn)槌煞致湓谂铺?hào)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，但配比不合適如Mn/C比，其工藝性能或使用性能上達(dá)不到要求并引起失效的事例是很多的，如在設(shè)計(jì)鋼的成分時(shí)應(yīng)盡可能地控制一些對(duì)鋼的回火脆性影響較大

43、元素的配比，使鋼的回火脆性不致過(guò)大，以及向回火脆性敏感性較大的鋼中添加鋁和鴇，對(duì)回火脆性敏感性較大的銘鍥鋼，銘鉆鋼、硅鉆鋼、銘銳鋼等加鑰便是如此。鍥被認(rèn)為是降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度作用最大的元素。低碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度因鍥量增加而降低，淬火后低溫回火的鍥鋼含4.5%鍥，高溫回火的鋼含%鍥時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度可降到最低。在合金結(jié)構(gòu)鋼中，銅的作用與鍥相似。鉆對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響因含量不同而異。低碳鋼含鈕在%以下時(shí)可使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，所以，降碳增鉆可以減少鋼中的碳化物、細(xì)化晶粒，有利于低碳鋼獲得較高的低溫沖擊韌性，但含鈕高時(shí)又使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度提高。止匕外，鋼中偏析、夾雜物。白點(diǎn)、微裂紋等缺陷越多，韌性

44、越低。綜上所述，碳、氮、磷。硅等元素增大鋼的冷脆性傾向，鍥、少量鉆、銅等元素有利于鋼獲得較高的低溫沖擊韌性。由于合金元素對(duì)鋼的冷脆性的影響很復(fù)雜，加之還要受其他方面因素的影響，還需具體分折?？傊?，調(diào)整合金元素，降低雜質(zhì)含量，提高鋼的純潔度是降低材料脆斷的有效途徑。6.3 細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒是控制材料韌性.防止脆斷的重要手段。粗晶粒的鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度較細(xì)晶粒的為高，如粗晶粒的中碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，可較細(xì)晶粒的鋼高40Co細(xì)晶粒強(qiáng)化符合Hall-Petch關(guān)系，當(dāng)晶粒越細(xì)，晶界面積就越大，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙也越大，從而使強(qiáng)度升高。止匕外，晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，在同樣變形量下，變形分散

45、在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小，變形較均勻，相對(duì)來(lái)說(shuō)引起應(yīng)力集中減小，使材料在斷裂之前能承受較大的變形量，因而有較好的塑性；又因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，晶界的曲折越多，越不利于裂紋的傳播。從而在斷裂過(guò)程中可吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性；當(dāng)晶粒細(xì)小時(shí)，晶界面積增加。又使晶界雜質(zhì)濃度減少，防止產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。在鑄造生產(chǎn)中可通過(guò)加大過(guò)冷度，在鑄鐵中加入硅鐵或硅鈣合金，在鋁合金中加入鈦、皓、鈾等或在合金鋼中加入碳化物形成元素Ti、V等），阻止加熱時(shí)對(duì)晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒提高韌性。7斷裂實(shí)例分析左圖為一種用于制備高分子材料的拉模板，它是由一種新型合金制成，但其在實(shí)驗(yàn)使用過(guò)程中，僅加熱了30分鐘，便發(fā)生了斷裂；用其他樣品測(cè)試也發(fā)生了類似情況。這是其中的一個(gè)樣品，對(duì)其進(jìn)行分析，以確定開裂的原因?；瘜W(xué)分析鑒定為模切板材料是金屬粉末冶金制得的馬氏體不銹鋼工具鋼，具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)良好的耐磨性。分析過(guò)程圖1圖2圖1是拉模板的俯視圖，從圖中可以看出,這個(gè)裂口起始在外邊緣，之后向內(nèi)延伸，接觸到了擠孔的，并沿著其圓周面發(fā)生了一定的偏折。圖2是拉模板的側(cè)面度，顯示了斷裂的寬度，這一寬度說(shuō)明了這部分有著很大的殘余應(yīng)力圖3是拉模板入口處圖1的反面的照片,可以發(fā)現(xiàn)斷