金屬斷裂機理

1、金屬斷裂機理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?？梢?，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，裂紋擴展的路徑可能是不同的。沿晶斷裂一般為脆

2、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。有時沿晶斷裂和穿晶斷裂可以混合發(fā)生。按斷裂機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、合金處于低溫或沖擊載荷作用），當外加正應(yīng)力達到一定數(shù)值后、以極快速率沿一定晶體學平面的穿晶斷裂。解理面一般是低指數(shù)或表面能最低的晶面。對于面心立方金屬來說（比如鋁），在一般情況下不發(fā)生解理斷

3、裂，但面心立方金屬在非?？量痰沫h(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，兩者不是同剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂.它又分為沿斷（又稱切離或純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。線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斷型或切斷型兩類。若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。前者如解理斷裂或塑性變形受較大約束下的斷裂，后者

4、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表:分類方法名稱特征根據(jù)斷裂前塑性變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宏觀表間垂直于（Tmax方向切斷斷裂的宏觀表囿平行于tmax方向根據(jù)裂紋擴展途徑分類穿晶斷裂裂紋穿過晶粒內(nèi)部沿晶斷裂裂紋沿晶界擴展根

5、據(jù)斷裂機理分類解理斷裂無明顯塑性變形沿解理面分離，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分離剪切斷裂（單晶體）通過縮頸導(dǎo)致最終斷裂（多晶體、高純金屬）2微孔聚合斷裂機制2.1 相關(guān)概念定義：微孔聚合型斷裂過程是在外力作用下，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，以后孔洞長大、增殖，最后連接形成斷裂。微孔萌生的時間：若材料中第二相與基體結(jié)合強度低，在頸縮之前；反之，在頸縮之后。微孔萌生成為控制馬氏體時效鋼斷裂過程的主要環(huán)節(jié)。微孔聚合型斷裂形成的韌窩有三種：1 ）拉伸

6、型等軸狀韌窩；2 ）剪切型伸長韌窩；3 ）拉伸撕裂型伸長韌窩。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，那么韌窩大而深;若基體的加工硬化能力很強，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“800C利n-Si超強度鋼(TRIP800steels)”的A、B兩種變體鋼試樣進行拉伸試驗的斷口形貌，括號中標注的是實驗具體使用的電流密度值。本實驗研究氫含量對TRIP800steels性質(zhì)和斷口形貌的影響，上

7、面圖2-1說明氫含量高使得斷口表現(xiàn)出了較多較淺的切窩，韌窩淺因為氫脆效應(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(即氫吸收促進劑)旁邊。2.3 微孔聚合斷裂機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，微斷口特征花樣則是端口上分布大量“切窩”，微孔聚集斷裂過程包括微孔形核、長大、聚合直至斷裂。微孔聚合斷裂過程由于應(yīng)力狀態(tài)或加載方式的不同，微孔聚合型斷裂所形成的切窩有三種類型：(1)拉伸型的等軸狀韌窩。裂紋擴展方向垂直于最大主應(yīng)力(Tmax,Um

8、ax是均勻分布于斷裂平面上，拉伸時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，裂紋是由表面逐漸向內(nèi)部延伸的，好像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。表面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，韌窩小而淺，裂紋擴展快，故

9、在宏觀上常為脆斷，所以不要把微孔聚合型的微觀機制都歸之為切斷，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。可以看出，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，其斷口存在河流花樣以及脆性解離面。與等軸組織較淺的韌窩相比，TMC1的層片狀組織的增強體附件切窩相對較深且較細小，這主要是因為層片組織對源自增強體斷裂的裂紋具有很好的阻礙作用。同樣，從斷口來看，層片組織的TMC2較等軸組織的延性要略好，

10、這些結(jié)果與力學性能是一致的。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大，故表現(xiàn)出的相對細小的韌窩。ti'arturfid工藤BL,不同組織的復(fù)合材料室溫拉伸的掃描電鏡斷口形貌k。門1_ijiL七Wjlfla.w產(chǎn)，*N*亭工工Y*唐段不同組織的復(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花樣。解理臺階、河流花樣以及舌狀花樣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)生的一種穿國斷裂，一斷裂面沿一定的晶面發(fā)生的，這個平面叫做解理

11、面。解理臺階是沿兩個高度不同的平行解理面上擴展的解理裂紋相交時形成的。形成過程有兩種方式：通過解理裂紋與螺型位錯相交形成；通過二次解理或撕裂形成。第一種，當解理裂紋與螺型位錯相遇時，便形成一個臺階，裂紋繼續(xù)向前擴展，與許多螺型位錯相交便形成眾多臺階，他們沿裂紋前端滑動而相互交匯，同號臺階相互匯合長大，異號臺階相互抵消，當匯合臺階足夠大的時候便在電鏡下觀察為河流狀花樣。第二種，二次解理是指在解理裂紋擴展的兩個互相平行解理面間距較小時產(chǎn)生的，但若解理裂紋的上下兩個面間距遠大于一個原子間距時，兩解理裂紋之間的金屬會產(chǎn)生較大的塑性變形，結(jié)果由于塑性撕裂而形成臺階，稱為撕裂棱晶界。舌狀花樣是由于解理裂紋

12、沿字晶界擴散留下的舌頭狀凹坑或凸臺，故在匹配斷口上“舌頭”為黑白對應(yīng)的。42CrMo鋼的沖擊試樣斷口的解理斷口微觀形貌3.3 解理斷口形貌特征3.3.1 河流花樣(riverpattern)解理斷口電子圖像的主要特征是“河流花樣”，河流花樣中的每條支流都對應(yīng)著一個不同高度的相互平行的解理面之間的臺階。解理裂紋擴展過程中，眾多的臺階相互匯合，便形成了河流花樣。在河流的“上游”，許多較小的臺階匯合成較大的臺階，到“下游”，較大的臺階又匯合成更大的臺階。河流的流向恰好與裂紋擴展方向一致。所以人們可以根據(jù)河流花樣的流向，判斷解理裂紋在微觀區(qū)域內(nèi)的擴展方向。3.3.2 舌狀裂面解理裂紋與李晶（見學生）相

13、遇時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 解理扇臺階狀解理裂紋不能直接通過晶界擴展到相鄰晶粒中去，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，它們在傳播過程中匯集成河流狀花樣并形成扇面形向四周擴展。“河流”上游即解理扇，扇柄處是裂紋源，扇面下游即裂紋擴展方向3.4 準解理準解理斷裂介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，它是兩種機制的混合。準解理與解理的共同點：都是穿晶斷裂；有小解理面；有臺階或撕裂棱及河流狀花樣。不同點：準解理小刻面不是晶體學解理面；真正解理裂紋常源于晶界，而準解理裂紋則常源

14、于晶內(nèi)硬質(zhì)點，形成從晶內(nèi)某點發(fā)源的放射狀河流花樣。它是另一種型式的準解理斷裂，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地方的小裂紋分別擴展相遇發(fā)生塑性撕裂而形成的撕裂嶺。準解理斷裂面不是一個嚴格準確的解理面，有人認為準解理斷裂是解理和微孔聚合的混合機制，它常見于淬火回火鋼中。4沿晶斷裂4.1 概念沿晶斷裂是指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴展的斷裂形式。金屬材料中的裂紋沿晶界擴展而產(chǎn)生斷裂。當沿晶斷裂斷口形貌呈粒狀時又稱晶間顆粒斷裂。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。但當品界受到損傷，其變形能力被削弱，

15、不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時，便形成品界開裂裂紋擴展總是沿阻力最小的路徑發(fā)展，遂表現(xiàn)為沿晶斷裂。鋁的沿晶斷裂4.2 形成原因產(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)境引起的沿晶腐蝕；（5）晶界有彌散相析出。4.2.1 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。4.2.2 晶界有使其弱化的夾雜物如鋼中晶界上存在P、S、As、Sb、S

16、n等元素。有害元素沿晶界富集降低了晶界處表面能，使脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫推移，明顯提高了材料對溫度和加載速率的敏感性，在低溫或動載條件下發(fā)生沿晶脆斷。Ni原本是穿晶斷裂，加入S元素后就變?yōu)檠鼐嗔?.2.3 熱應(yīng)力作用材料在熱加工過程中，因加熱溫度過高，造成品界熔化，嚴重減弱了品界結(jié)合力和晶界處的強度，在受載時，產(chǎn)生早期的低應(yīng)力沿晶斷裂。由于淬火工藝不當，產(chǎn)生淬火裂紋，使彈簧在使用時發(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，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)域為疲勞區(qū)。4.2.4 環(huán)境作用環(huán)境因

17、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4.2.5 晶界上有彌散相析出如奧氏體高鉆鋼固溶處理后，再加熱時沿晶界析出非常細小的碳化物，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。4.3 斷裂過程沿晶斷裂的過程包括裂紋的形成與擴展。品界受損的材料受力變形時，品內(nèi)的運動位錯受阻于晶界，在晶界處造成應(yīng)力集中，當集中應(yīng)力達到晶界強度時，便將品界擠裂。這個集中應(yīng)力與位錯塞積群中的位錯數(shù)目和滑移帶長度有關(guān)，因

18、此沿晶斷裂強度與晶粒尺寸符合Hall-Petch關(guān)系。4.4 斷口宏觀形貌沿晶脆性斷裂斷口宏觀形貌一般有兩類：（1）晶粒特別粗大時形成石塊或冰糖狀斷口；（2）晶粒較細時形成結(jié)晶狀斷口。沿晶斷裂的結(jié)晶狀斷口比4.5 預(yù)防方法預(yù)防沿晶斷裂的方法：將金屬進行提純、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，滑移線沿金屬試樣表面均勻分布，只有在較大變形量時，變形才

19、集中于試樣某一局部區(qū)域。在交變荷載作用下，當應(yīng)力超過該材料的疲勞極限（小于屈服點）時，應(yīng)力循環(huán)達到一定次數(shù)后，通過金相顯微鏡和X-射線的實驗觀察，可以發(fā)現(xiàn)在試樣表面上應(yīng)力水平較高的區(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的表面擠出峰和擠入槽。擠出峰和擠入槽是金屬弱化部位滑移層見無規(guī)則滑移構(gòu)成的滑移帶。擠入槽構(gòu)成了試樣的表面裂紋。所以擠出峰和擠入槽是金屬疲勞過程導(dǎo)致?lián)p傷的滑移條紋，而且也是疲勞過程中組織結(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程可以分為疲勞裂紋的形成、疲勞裂紋的擴展和瞬時斷裂三個階段。金屬疲勞破壞的起源常在

20、于它的自由表面或它內(nèi)部的缺陷處，例如表面刀痕或夾雜物等，這種區(qū)域的應(yīng)力較高，常引起不均勻的塑性變形，進而形成微裂紋，這就是疲勞破壞的第一個階段。接著，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，微裂紋緩慢斷續(xù)地擴展，這是疲勞破壞的第二個階段。最后，當裂紋擴展到一定程度時，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。起源于金屬自由表面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)計能減少表面應(yīng)力集中點，也能有效防止或延遲裂紋的產(chǎn)生和擴展。5.2 疲勞裂紋的形成疲勞裂紋最容易在應(yīng)力最高、強度最弱的部位，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

21、和基體界面開裂和李晶、晶界開裂。5.2.1 滑移帶開裂在交變載荷作用下，金屬表面將產(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)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展，從而形成最初的疲勞裂紋，然后裂紋沿滑移帶方向擴展，并穿過晶粒，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5.2.2 夾雜物和基體晶面

22、開裂機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分離。止匕外，夾雜物和第二相質(zhì)點本身在交錯應(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。夾雜物與基體界面開裂過程示意圖夾雜物造成斷裂實物圖5.2.3 晶界開裂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。當滑移帶到達晶界時受阻，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塞積。當這種位錯塞積形成的應(yīng)力增大到斷裂強度時，晶界即開裂

23、而形成微裂紋。金屬的晶粒越粗，晶界上的應(yīng)變量越大，位錯塞積也大，應(yīng)力集中增高，易于形成裂紋。晶界開裂機理示意圖5.3 疲勞裂紋的擴展紋萌生時開始，經(jīng)過一定條件下的不斷擴展，直到發(fā)生瞬時斷裂為止的整個過程，一共可以分成微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展和瞬時斷裂三個階段。第I階段：微觀裂紋擴展。疲勞裂紋形成后，能沿著與拉應(yīng)力成45。角的最大切應(yīng)力方向擴展。不過這一階段的擴展速度很低，深度很淺，只有當裂紋擴展到一定程度后，才轉(zhuǎn)入第II階段。第II階段：宏觀裂紋擴展。在這一階段中，裂紋將向垂直于拉應(yīng)力的方向擴展，它的擴展速度和深度都大于第I階段。第III階段：瞬時斷裂。隨著裂紋的不斷擴展，殘留的截面積不斷縮

24、小，應(yīng)力則不斷增大。當應(yīng)力超過材料的靜強度指標，即強度極限時，最終發(fā)生瞬時斷裂。疲勞斷裂的宏觀斷口具有脆性特性，無明顯的塑性變形。疲勞擴展過程示意圖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區(qū)，即源區(qū)、擴展區(qū)與瞬時斷裂區(qū)。源區(qū)一般位于試樣表面，尤其是存在應(yīng)力集中的部位，一般比較光亮。疲勞擴展區(qū)緊靠源區(qū)，也很光亮、平滑，而且可看到呈貝紋線或海灘花樣，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留下的裂紋前沿線痕跡。最后是瞬時斷裂區(qū)，它是由于疲勞裂紋擴展至臨界長度后，剩余截面上的真實應(yīng)力超過材料抗拉強度而發(fā)生的靜載斷裂，它的斷口特征和存在嚴重

25、應(yīng)力集中的低應(yīng)力脆性斷口相似，多出現(xiàn)放射花樣。疲勞斷口示意圖疲勞破壞過程和斷口形狀，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5678不同工作載荷對斷口的影響1.高應(yīng)力下的反復(fù)彎曲；2.低應(yīng)力下的反復(fù)彎曲；3.高應(yīng)力下的旋轉(zhuǎn)彎曲；4.低應(yīng)力下的旋轉(zhuǎn)彎曲；5.高應(yīng)力和低應(yīng)力集中系數(shù)下的旋轉(zhuǎn)彎曲；6.低應(yīng)力和低應(yīng)力集中系數(shù)下的旋轉(zhuǎn)彎曲；7.高應(yīng)力和高應(yīng)力集中系數(shù)下的旋轉(zhuǎn)彎曲；8.抵應(yīng)力下的位一壓6防止金屬脆性斷裂失效的途徑6.1 材料的設(shè)計與制造防止脆性斷裂應(yīng)控制下列因素來進行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計，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

26、因素之一，設(shè)計者必須考慮使構(gòu)件的工作溫度高于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度（Tc）o若所設(shè)計的構(gòu)彳工作溫度低于Tc時，則必須降低設(shè)計應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會發(fā)生裂紋的擴展。若其設(shè)計應(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，應(yīng)保證材料具有良好的強韌性，良好的工藝性能。從減少構(gòu)件脆性斷裂上，在進行構(gòu)件設(shè)計時，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、氣孔及鋼材的表面缺陷。結(jié)構(gòu)加工后不應(yīng)存在缺口、凹槽、過深的刀痕等缺陷。焊接時要防止裂紋、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

27、的情況下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量消除焊接殘余應(yīng)力，這對于防止低溫脆斷具有非常重要的意義。6.2 調(diào)整化學成分鋼的化學成分中的有益元素含量在合金設(shè)計中應(yīng)給以重視，而C、N、H、QP等有害夾雜含量增加均會提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性，所以應(yīng)減少其含量。要對脆斷事故進行分析，首先應(yīng)該要看是否含量超標，不超標時也要考慮合金配比是否合適，因為成分落在牌號規(guī)范內(nèi)，但配比不合適（如Mn/C比），其工藝性能或使用性能上達不到要求并引起失效的事例是很多的，如在設(shè)計鋼的成分時應(yīng)盡可能地控制一些對鋼的回火脆性影響較大元素的配比，使鋼的回火脆性不致過大，以及向回火脆性敏感性較大的鋼中添加鋁和鴇，對回火脆性敏感性較大的銘鍥鋼，

28、銘鉆鋼、硅鉆鋼、銘銳鋼等加鑰便是如此。鍥被認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2.5%鍥時，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1.5%以下時可使脆性轉(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、微裂紋等缺陷越多，韌性越低。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

29、溫沖擊韌性。由于合金元素對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，提高鋼的純凈度是降低材料脆斷的有效途徑。6.3 細化晶粒細化晶粒是控制材料韌性.避免脆斷的重要手段。粗晶粒的鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度較細晶粒的為高，如粗晶粒的中碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，可較細晶粒的鋼高40Co細晶粒強化符合Hall-Petch關(guān)系，當晶粒越細，晶界面積就越大，品界對位錯運動的阻礙也越大，從而使強度升高。止匕外，晶粒越細，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，在同樣變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進行，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小，變形較均勻，相對來說引起應(yīng)力集中減小，使

30、材料在斷裂之前能承受較大的變形量，因而有較好的塑性；又因為晶粒越細，晶界的曲折越多，越不利于裂紋的傳播。從而在斷裂過程中可吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性；當晶粒細小時，晶界面積增加。又使晶界雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。在鑄造生產(chǎn)中可通過加大過冷度，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），阻止加熱時對晶粒長大，從而細化晶粒提高韌性。7斷裂實例分析圖1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，但其在實驗使用過程中，僅加熱了30分鐘，便發(fā)生了斷裂；用其他樣品測試也發(fā)生了類似情況。這是其中的一個樣品，對其進行分析

31、，以確定開裂的原因。化學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)計是為實現(xiàn)良好的耐磨性。分析過程如下:圖1是拉模板的俯視圖，從圖中可以看出,這個裂口起始在外邊緣，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圖2是拉模板的側(cè)面度，顯示了斷裂的寬度，這一寬度說明了這部分有著很大的殘余應(yīng)力圖3圖3是拉模板入口處（圖1的背面）的照片,可以發(fā)現(xiàn)斷裂是由螺絲孔和加熱孔之間的窄帶出開始的。圖4是局部放大圖，可看到，螺絲孔與加熱孔之間的距離很小。圖4圖5圖6圖5,6使用立體顯微鏡（65倍）對其他加熱孔和螺絲孔的觀察，得到其低倍的放大圖像，發(fā)現(xiàn)全部的窄帶部分都

32、出現(xiàn)了不同程度的裂縫。圖7圖8圖9因為斷口的表面已經(jīng)被嚴重氧化，為了方便下一步的分析，特地將其從橫斷面拋開。圖7標注出了窄帶的位置剛剖開的斷口處尚未被氧化，可以很好地展現(xiàn)出斷裂的表面情況。清潔試樣后，用SEM對其進行觀察和分析圖8是低倍SEMM,原始的裂紋輪廓被標記了出來。斷裂面是由于實驗室中為剖開試樣，而應(yīng)力過載造成的通過使用背散射電子（BSE來增加SEM勺放大倍數(shù)，從而得到了圖9,顯示了原始裂紋表面已被氧化圖10圖10是繼續(xù)增大SEM勺放大倍數(shù)所得到的圖像，可以看到原始斷裂面的邊界處有滲氮層。對其進行形貌分析，得出結(jié)論，裂紋是由右上方的V型角開始，這個角由于不完整的螺紋牙底（應(yīng)力集中最高處）圖11圖12圖11是高放大倍數(shù)的滲氮層的剖面圖。表面應(yīng)經(jīng)氮氣被氧化了，這正是斷口的真正特征。圖12滲氮層的內(nèi)側(cè)也已經(jīng)被氮氣高度氧化