第七章_材料的顯微斷口分析

1、第七章 材料的顯微斷口分析1斷口學(xué)概述斷口學(xué)概述斷口學(xué)是研究金屬斷裂面(即斷口)的形態(tài)特征、形成原因和影響因素等內(nèi)容的一門科學(xué)。按照研究尺度范圍的不同，它又可分為宏觀斷口學(xué)赫顯微斷口學(xué)。 宏觀斷口學(xué)是利用肉眼或低倍放大鏡，通過分析斷口的色澤、粗糙度、各種條紋（例如發(fā)射狀條紋、貝殼狀條紋等）和宏觀變形來確定分析裂紋源的位置、裂紋擴展方向、受力狀態(tài)級可能的環(huán)境介質(zhì)等，并進一步推斷斷口的性質(zhì)和斷裂的原因等。顯微斷口學(xué)則是利用光學(xué)顯微鏡、投射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡來研究斷口的顯微形貌特征、形成機制及影響因素等。它和宏觀斷口學(xué)研究結(jié)果互相補充及佐證，使人們能對斷裂的全部過程有更深入和正確的了解。金屬

2、斷口的基本顯微形貌及其形成機制金屬斷口的基本顯微形貌及其形成機制造成金屬斷裂的外部條件及金屬本身的內(nèi)在因素是多種多樣的，但是斷裂時的斷口的基本顯微形貌確實很有限的。這就是說，任何斷口都是有一種或幾種基本顯微形貌或他們的變態(tài)，按一定的規(guī)律、以不同的比例組合而成的。下面對常見幾種基本斷口顯微形貌做介紹。一、解理斷口解理斷裂是指在一定條件下，金屬因受拉應(yīng)力作用而沿某些特定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生分離的過程。它是由于原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂。一般體心立方金屬和密排六方金屬常發(fā)生解理斷裂、低溫、高應(yīng)變率、三向應(yīng)力狀態(tài)的存在、腐蝕環(huán)境中有活性介質(zhì)吸附都有利于解理斷裂。解理斷口宏觀上常具有放射狀、人字紋、

3、小刻面等特征。微觀斷口形貌主要有以下幾種。、解理臺階解理可沿解理面、滑移面或?qū)\晶面進行。由于實際晶體內(nèi)部存在許多缺陷（如位錯、析出相、夾雜物等），所以在一個晶粒內(nèi)的解理并不是只沿一個晶面，而是沿一簇相互平行的晶面。這樣不同高度的解理面之間的裂紋相互貫通形成臺階。解理臺階的形成機制主要為：（）裂紋與螺位錯相互交割而產(chǎn)生；（）另一種為兩個相鄰的解理裂紋相互靠近時，他們會批次連接起來形成臺階。如圖、河流花樣由若干個解理臺階相互匯合形成河流花樣。如圖所示。河流的流向為裂紋擴展方向，沿河流溯流而上可確定斷裂源。解理裂紋從一個晶粒進入另一個晶粒時，由于兩個晶粒位向的差異。河流花樣的數(shù)量發(fā)生明顯的變化圖，穿

4、過扭轉(zhuǎn)晶界河流數(shù)量激增（圖）；穿過傾斜晶界，河流連貫的通過晶界（圖）；穿過大角度晶界，河流數(shù)目增加，河流臺階高度差增大。 a) Armco鐵 -196沖擊破壞b) 焊縫金屬(含30wt.%Cr的鋼) 由于此單晶體解理面上裂紋擴展的方向不同而導(dǎo)致羽毛狀結(jié)構(gòu)，它含有細小的臺階，勾劃出各自的斷裂途徑，表明擴展的方向。裂紋前進的方向為由底部至頂部。c) 由于存在大量孿晶，因此能推斷在單個平面中不同的裂紋擴展方向。裂紋分成兩部分沿著直的前沿以小的截面從主解理表面傾斜地移動出去，然后又按不規(guī)則的曲線途徑轉(zhuǎn)回來。當裂紋越入鄰近的晶粒時形成許多新的亞裂紋，如在圖片底部所見的那樣。d) 含0.5wt.%Mn的鋼

5、銷釘。在圖片的中心處裂紋從右手邊傾斜地跨越晶粒邊界，其結(jié)果是在圖片左手邊的晶粒中再次萌生許多新的裂紋。在此晶粒中可以見到一個孿晶，從表面 傾斜地向上移動。、舌狀花樣在體心、立方結(jié)構(gòu)的金屬和合金的解理斷口上，還?？煽吹揭恍螤钕裆囝^的“舌狀花樣”。但材料脆性大、溫度低、臨界切應(yīng)力增大時，滑移變形困難。晶體變形就容易以形變孿晶方式進行。由于裂紋尖端附近的形變孿晶發(fā)生了次級解理，是裂紋從主解理面局部的轉(zhuǎn)移到形變孿晶的面上，從而在斷面上遺留下“舌頭”狀形貌。見圖、解理斷口上一些其它微觀特征）、扇形花樣扇形花樣有時也稱羽毛狀（如圖）。因為在很多材料中，解理面不是等軸的。如裂紋擴展方向與解理伸長方向一致，則

6、可能會形成這種顯微特征，用。）、青魚骨花樣在體心立方金屬中有時能觀察到一種類似魚骨狀的形貌，在金屬鎢與合金中曾發(fā)現(xiàn)。其中部為沿面、方向解理，而兩側(cè)為沿面方向或沿面方向解理。見圖）、在珠光體鋼中，解理裂紋還可以沿珠光體片層間發(fā)生，形成珠光體片層間斷裂。如圖二、準解理斷口準解理斷裂，常常在經(jīng)淬火及隨后回火的馬氏體組織中出現(xiàn)。在回火馬氏體鋼中，原始奧氏體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。這些小的解理面稱為準解理面，并為撕裂棱和淺韌窩相聯(lián)系。示意圖見圖。準解理斷口，在宏觀上呈現(xiàn)較平整，基本無塑性變形、或變形很小，與解理斷口相似也具有小刻面及放射條

7、紋等形貌，但其小刻面和放射條紋均較細小。準解理斷口的微觀形貌也近似于解理斷口，有臺階、河流、舍狀、撕裂脊、準解理面等形貌。見圖三、韌性斷口（一）、純剪切斷口金屬材料因其中某些區(qū)域的劇烈滑移而最終引起分離而形成的斷口成稱為韌性斷口，這種斷裂又稱塑性斷裂。韌性斷口宏觀上呈纖維狀。韌性斷口微觀上一般呈韌窩狀。只有當材料為單晶適合純金屬時，才呈現(xiàn)純剪切斷口。對于大單晶材料，因位向不同的晶粒之間相互制約，必然沿許多相互交叉的滑移面滑移，斷口特征呈現(xiàn)“蛇形滑移”花樣。如圖。若形變程度加劇，則蛇形滑移花樣因變形而平滑化，形成“漣波”花樣；若才繼續(xù)變形，漣波花樣也進一步平坦化，在斷口上留下沒有什么特殊形貌的平

8、坦面，稱為“延伸區(qū)”或“光滑區(qū)”，圖顯示了形成蛇形滑動、漣波、延伸區(qū)的示意圖。（二）韌窩斷口，它是韌性斷口的典型微觀形貌和特點。韌窩中間都有一個夾雜物（或第二相粒子）?？梢栽O(shè)想，斷裂機制是塑變中位錯在夾雜物（或第二相粒子）界面塞積，在異相界面形成裂紋源（也可以第二相脆性粒子解理）然后擴大成孔洞，在與鄰近孔洞連接，最后順孔洞邊緣撕開。韌窩萌生及擴展機制見圖，圖是等軸韌窩，圖是拉長的拋物線型韌窩。韌窩的形狀：韌窩的形狀主要是由所受的應(yīng)力狀態(tài)不同而決定的，一般可分為三種，即正交韌窩、剪切韌窩、撕裂韌窩。由對韌窩形狀分析可知斷裂十的應(yīng)力狀態(tài)。見圖。韌窩的大小和深淺：韌窩的大小與深度決定與材料斷裂時空穴

9、核心的數(shù)量、材料本身的相對塑性和溫度。如韌窩的形核位置很多或材料的相對塑性較差，則斷口上形成的韌窩尺寸較小、較淺；反之，如韌窩形核位置較少，如大晶粒的單相合金或純金屬中，則形成較大較深的韌窩。如圖。所以可以認為韌窩越大，其材料韌性越好。當有夾雜物存在時，則韌窩的尺寸取決于夾雜物的大小與間距，見圖。(a) 0.1C-0.02Si-0.30Mn-0.032P-0.024S-0.003N的鋼的斷口 試樣帶有缺口，經(jīng)彎曲破壞 (b) 含SiC夾雜顆粒的碳素鋼的焊縫斷口(c) 剪切韌窩(d) 撕裂韌窩 1040鋼的夏比沖擊試樣的缺口根部的斷裂區(qū)(e) 0.02C-0.15Si-0.1Mn-18Ni-9C

10、o-5Mo-0.9Ti馬氏體時效鋼嚴重冷卻硬化后在靜截荷下失效的斷口淺韌窩 (f) 晶間斷口的表面韌窩(g) 晶粒邊界組織對晶間斷口表面形貌的影響四、疲勞斷口疲勞斷裂是金屬材料在交變應(yīng)力持續(xù)作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，在實際工程構(gòu)件的斷裂事故中，疲勞斷裂站的百分比最高。疲勞失效的類型也較多，又高周疲勞，低周疲勞、接觸疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞、微動疲勞等。本節(jié)著重介紹疲勞斷口的微觀斷口形貌。、 疲勞裂紋擴展第I階段斷口微觀形貌疲勞裂紋的形成一般分為三個階段。裂紋發(fā)展的第I階段為這些裂紋通過滑移面斷開，裂紋與應(yīng)力軸約為角向內(nèi)深入擴展。用掃描電鏡觀察，很容易找到這個部位。深度不會超過裂源周圍個晶粒，并往往觀

11、察不到疲勞輝紋，有時也偶爾出現(xiàn)。但在斷口上卻能觀察到一些類似解理特征的脆性形貌裂紋在萌生時滑移帶的擠出和擠入也是按特定的晶體學(xué)平面進行的結(jié)果。見圖2、 疲勞裂紋擴展第II階段斷口的形貌此階段的疲勞斷口具有引人注目的獨特形態(tài)疲勞輝紋。在疲勞第三階段是由于裂紋擴展到一定長度后，使構(gòu)件的有效截面減少而造成的一次性快速斷裂，斷口特征常為韌窩型撕裂。）、疲勞輝紋的一般特點（）疲勞裂紋是一系列基本上相平行的條紋，略帶彎曲成波浪形，并與裂紋局部擴展方向相垂直，其凸弧面指向裂紋擴展方向。（）在疲勞裂紋紋穩(wěn)定擴展階段，所形成的每一條輝紋相當于一次載荷循環(huán)。輝紋確定了裂紋前沿線在前進時的位置。（）疲勞輝紋的間距隨

12、應(yīng)力場強度因子而變化，應(yīng)力越大，間距越寬；反之，應(yīng)力越小，則間距越窄。（）疲勞斷口的微觀范圍內(nèi)，通常有許多大小不同、高低不一的小斷塊組成，每一小斷塊上的疲勞輝紋連續(xù)而平行，而相鄰小斷塊上的疲勞輝紋不一定連續(xù)和平行。見圖。（）斷口的兩匹配面上的輝紋基本對應(yīng)。一般說來，面心立方晶格金屬如鋁合金、奧氏體鋼的輝紋比較清晰明顯，體心立方晶格金屬及密排六方晶格金屬的輝紋遠不如前者明顯；如普通鋼的疲勞輝紋短而不連續(xù)，輪廓也不明顯。圖、分別為鋁合金和鋼疲勞斷口輝紋。）、疲勞輝紋存在的條件在疲勞斷口上有時可能觀察不到輝紋存在?？赡苡上铝袔追矫嬖蛩隆＃ǎ?、一般情況下，形成疲勞輝紋的循環(huán)的循環(huán)周次至少有以上，若

13、周次很低，其斷口上觀察不到輝紋。（）、疲勞裂紋前端必須處于張開型平面應(yīng)變狀態(tài)，所以只有當疲勞斷口與疲勞載荷張應(yīng)力相垂直時（即正斷型），才能觀察到疲勞輝紋。（）材料性質(zhì)對輝紋的影響很復(fù)雜。成分、顯微組織以及機械性能等都將會對輝紋產(chǎn)生很大的影響。但一般說來，韌性材料形成輝紋較容易，脆性材料較困難。對合金鋼來說，材料的越高，輝紋越易形成。另外，晶體結(jié)構(gòu)對輝紋形成也有很大影響。面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬要明顯得多，其原因可能是體心立方金屬層錯較高，易于交叉滑移，不利于形成輝紋。（）、有時因為疲勞輝紋間距太小，以至于使用掃描電鏡觀察不到，即使用二級復(fù)型技術(shù)在透射電鏡中也不能分辨這些稠密的細條紋，

14、但實際上是存在的。據(jù)有關(guān)研究報導(dǎo)，輝紋的間距可以小到左右。）、疲勞輝紋的類型及其形貌通常把疲勞輝紋分為韌性疲勞輝紋與脆性疲勞輝紋二類。其形貌見示意圖 我們遇到的大多數(shù)是屬于韌性輝紋，其微觀形態(tài)如圖和所示那樣。脆性輝紋只有在特殊條件下形成，通常在腐蝕環(huán)境中形成的腐蝕疲勞斷口，其上的輝紋為脆性輝紋，圖是鎳基合金渦輪葉片的疲勞斷口顯微形貌，疲勞輝紋呈脆性疲勞輝紋，微觀形貌好像把解理和疲勞兩種特征結(jié)合一起，疲勞輝紋與脆性解理河流花樣相垂直。而圖則為韌性輝紋或塑性輝紋。）、疲勞輝紋的形成機制關(guān)于疲勞輝紋形成的原因，已提出了幾種機制。其中被較多人接受的有兩種機制。即“塑形鈍化”模型（見圖）和裂紋尖端“弱點

15、”凝聚模型。塑性疲勞輝紋是依靠裂紋前沿塑性變形和裂紋尖端塑性鈍化交替進行而形成的，而脆性疲勞輝紋是依靠裂紋前沿解理擴展和裂紋尖端塑性鈍化交替進行而形成的。3、低周疲勞斷口的特征低周疲勞斷口比高周疲勞斷口的研究要少很多。通常情況下，低周疲勞斷口上的輝紋要粗些，間距要寬些。圖為不銹鋼的低周疲勞斷口的掃描電鏡圖像，其輝紋很粗，間距又大。在許多金屬和合金中，特別是超高強度鋼和低強度材料中，可能不形成輝紋，而出現(xiàn)準解理或韌窩型斷裂。由于低周疲勞斷裂所受的應(yīng)力較大，故在斷口上還?？吹捷x紋與韌窩或輝紋與準解理或解理同時出現(xiàn)的現(xiàn)象。在低周疲勞斷口上還常能觀察到一種稱為輪胎壓痕的形貌，見圖。它是由于相匹配的斷口上的“突出”或“刀邊”（例如斷口上的第二相質(zhì)點、夾雜物）反復(fù)碰撞和擠壓而引起的壓痕。這種壓痕雖不是疲勞輝紋，但他們是疲勞斷口的可靠標志。這種輪胎壓痕偶爾在某些材料的高周疲勞斷口上才能發(fā)現(xiàn)。低周疲勞斷裂過程中，由于應(yīng)力較復(fù)雜，所以斷口形貌也較復(fù)雜，隨應(yīng)力幅（或應(yīng)變福）的不同，有很大的不同。有人對這種材料進行研究，當疲勞壽命 時，斷口均為韌