金屬斷口分析

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

2、，是材料強(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。河流花樣：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。均勻分布于斷口表面，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

3、斷裂和延伸斷裂。脆性斷裂裂紋源：材料表面、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45

4、o交角（平面應(yīng)力條件下的撕裂）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K1c=cY、二accKic：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K-c二a=Kic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

5、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），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、滑移分離斷裂。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.表面顏色

6、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，均勻分布于斷口表面）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)表面進(jìn)行作對(duì)比研究：韌窩凸向一致為撕

7、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）1 .韌窩裂紋的萌生應(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)一在沉淀相、夾雜物與金屬界面處分離產(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)生孔洞2 .韌窩裂紋的擴(kuò)展（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

8、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：河流花樣、舌狀花樣、扇形花樣、魚骨狀花樣、瓦納線、解理臺(tái)階解理臺(tái)階的形成：（1）解理裂紋與螺位錯(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?。? .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)系河流花樣：1 .形成機(jī)理：河流花樣實(shí)際上是解理臺(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)果就形成河流花樣。2 .起

9、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)

10、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.2EY0rc=1rCnc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，較明顯的放射狀花樣解理斷裂與準(zhǔn)解理斷裂的區(qū)別:區(qū)別解理

11、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

12、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：表面（次表面，內(nèi)部）2 .擴(kuò)展：第一階段裂紋起源于材料表面，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。位于材料表面、次表面或者內(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

13、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

14、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：材料的腐蝕坑或表面缺陷部位。3特征：（1）多起源于腐蝕坑處或表面缺陷部位，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)合作用的低應(yīng)力脆斷引起表面膜局部斷裂的原因：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

15、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)破壞引起表面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，常有放射性花樣或人字紋。2 .微觀：沿晶斷口，晶面有撕裂脊等SCC影響因素和預(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、表面處理、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從表面開始，裂紋分叉；氫脆從次表面或內(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)