材料性能學(xué)：4-斷口分析教學(xué)

1、材料斷裂及斷口分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院1材料斷口及斷裂分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院2材料斷口及斷裂分析斷裂分析的意義斷 裂：材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象，斷裂是力對(duì)材料作用的最終結(jié)果，意味著材料的徹底失效與磨損、腐蝕等相比危害性最大，可能出現(xiàn)災(zāi)難性的后果研究材料斷裂的宏觀與微觀特征、斷裂機(jī)理、斷裂的力學(xué)條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學(xué)意義，而且也有很大的實(shí)用價(jià)值提高材料的斷裂抗力，防止斷裂事故發(fā)生，一直是人們普遍關(guān)注的課題。對(duì)斷裂的研究，關(guān)注斷裂過程的機(jī)理及其影響因素，目的在于根據(jù)對(duì)斷裂過程的認(rèn)識(shí)制訂合理的措施，實(shí)現(xiàn)有效的斷裂控制。潘

2、春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院3材料斷口及斷裂分析斷裂是機(jī)械和工程構(gòu)件失效的主要形式之一。失效形式：如彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等。斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下，會(huì)有不同的斷裂形式。研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役過程中的安全。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院4材料斷口及斷裂分析斷裂 潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院5材料斷口及斷裂分析斷裂的分類材料的斷裂過程：裂紋的形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段按斷裂前有無宏觀塑性變形分類：韌性（延性）斷裂（ductile fracture）、脆性斷裂(brittle fracture) ；按照斷裂時(shí)裂

3、紋擴(kuò)展途徑分類：穿晶斷裂和沿晶(晶界)斷裂；按照微觀斷裂機(jī)理分類：解理斷裂和剪切斷裂；按照作用力的性質(zhì)分類：正斷和切斷；等等在不同的場(chǎng)合下，用不同的術(shù)語描述斷裂的特征。解理斷裂、沿晶斷裂和微孔聚合型的延性斷裂，是指斷裂的微觀機(jī)制。穿晶斷裂和沿晶斷裂，是指裂紋擴(kuò)展路線。正斷和切斷，是指引發(fā)斷裂的緣因和斷裂面的取向；潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院6材料斷口及斷裂分析斷口分析法斷 口：材料的斷裂表面；斷口分析法：用肉眼、放大鏡或電子顯微鏡等手段對(duì)材料斷口進(jìn)行宏觀及微觀的觀察分析，以了解材料發(fā)生斷裂的原因、條件、斷裂機(jī)理以及與斷裂有關(guān)的各種信息的方法。斷口分析法在調(diào)查機(jī)件斷裂失效的原因及材料

4、科學(xué)研究中是十分重要的。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院7材料斷口及斷裂分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院8材料斷口及斷裂分析韌性（延性）斷裂潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院9材料斷口及斷裂分析韌性（延性）斷裂韌性（延性）斷裂：材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斯裂過程。特 點(diǎn)：1) 韌性斷裂時(shí)一般裂紋擴(kuò)展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能；2)斷裂前發(fā)生宏觀塑性變形，使結(jié)構(gòu)或零件的形狀、尺寸及相對(duì)位置改變，有斷裂的預(yù)兆，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，一般不會(huì)造成嚴(yán)重后果。典型材料：塑性較好的金屬材料（如不銹鋼、低碳鋼、銅、鋁合金等）、高分子材料。潘春旭，Dr. & Prof

5、.，物理學(xué)院10材料斷口及斷裂分析延性斷裂特征及過程延性斷裂的過程：“微孔形核微孔長(zhǎng)大微孔聚合”三部曲當(dāng)拉伸載荷達(dá)到最大值時(shí)，試樣發(fā)生頸縮。在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)，且在試樣的心部軸向應(yīng)力最大。在三向應(yīng)力的作用下，使得試樣心部的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)破裂，或者夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離結(jié)合而形成微孔。增大外力，微孔在縱向與橫向均長(zhǎng)大；微孔不斷長(zhǎng)大并發(fā)生聯(lián)接而形成大的中心空腔。最后，沿450方向切斷，形成杯錐狀斷口.潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院11材料斷口及斷裂分析韌性斷裂的宏觀特征纖維區(qū)剪切唇放射區(qū)潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院12材料斷口及斷裂分析韌性斷口的宏觀特征

6、肉眼或放大鏡觀察時(shí)呈暗灰色和纖維狀。纖維狀是塑性變形過程中，眾多微細(xì)裂紋的不斷擴(kuò)展和相互連接造成的；暗灰色是纖維斷口表面對(duì)光的反射能力很弱所致。斷口三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院13材料斷口及斷裂分析纖維區(qū)（裂紋源）：在頸縮前的均勻變形階段，材料內(nèi)部開始隨機(jī)產(chǎn)生微孔和微孔聚集，盡而形成微裂紋，并緩慢擴(kuò)展，在這一過程中吸收了大量的塑性功，形成的斷口較平坦，成暗灰色，稱為纖維狀斷口，斷口平面與拉力軸線垂直。放射區(qū)：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，快速撕裂。斷裂吸收能量顯著降低，形成具有放射狀花樣特征的比較光亮平坦的斷口區(qū)，稱為放射區(qū)。放射花樣呈發(fā)散狀，與裂紋擴(kuò)展方向一致，收斂

7、于裂紋源。放射區(qū)特征對(duì)斷裂分析很有意義，經(jīng)常用它作為判斷裂紋源位置的依據(jù)。剪切唇：裂紋快速擴(kuò)展至接近試樣表面時(shí)，在與拉伸軸線成45方向上形成剪切斷口，稱為剪切唇。剪切唇表面光滑，是試樣表面層自由變形和快速剪切的結(jié)果。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院14材料斷口及斷裂分析斷口三要素與材料韌性程度、應(yīng)力條件、試驗(yàn)溫度、加載速度以及試樣尺寸等有關(guān)系。一般說來，材料韌性越高，纖維區(qū)尺寸越大試驗(yàn)溫度越低，加載速度越高，試樣尺寸越大，放射區(qū)面積所占斷口比例越大。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院15材料斷口及斷裂分析延性斷裂的微觀特征是韌窩形貌，在電子顯微鏡下，可以看到斷口由許多凹進(jìn)或凸出的

8、微坑組成。在微坑中可以發(fā)現(xiàn)有第二相粒子。韌窩的形狀因應(yīng)力狀態(tài)而異。在正應(yīng)力作用下，韌窩是等軸形的；在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，韌窩被拉長(zhǎng)為橢圓形。韌性斷口的微觀特征潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院16材料斷口及斷裂分析韌性斷口的微觀特征潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院17材料斷口及斷裂分析韌性斷口的微觀特征鈦合金的掃描電鏡形貌潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院18材料斷口及斷裂分析韌性斷口的微觀特征“韌窩（Dimples）”的形成 ：微孔形成、長(zhǎng)大和連結(jié)等過程。在每一個(gè)韌窩內(nèi)都含有一個(gè)第二相質(zhì)點(diǎn)或者折斷的夾雜物或者夾雜物顆粒。裂紋源：材料中的非金屬夾雜物和第二相或其他脆性相(統(tǒng)稱為

9、異相)顆粒是微孔形成的核心；裂紋擴(kuò)展：初始裂紋沿拉伸方向延長(zhǎng)，形成空洞；斷 裂：空洞連接的結(jié)果。等軸韌窩：空洞與作用力方向垂直（正應(yīng)力作用）拉長(zhǎng)韌窩：空洞受切向作用力或撕裂作用（切應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)載荷作用）。 潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院19材料斷口及斷裂分析微孔形核，長(zhǎng)大與聚合實(shí)際金屬中總有第二相粒子存在，它們是微孔成核的源。第二相粒子分為兩大類：一類是夾雜物，如鋼中的硫化物，在不大的應(yīng)力作用下便與基體脫開或本身裂開而形成微孔；另一類是強(qiáng)化相，如鋼中的彌散的碳化物， 合金中的彌散的強(qiáng)化相,它們本身比較堅(jiān)實(shí)，與基體結(jié)合比較牢固，是位錯(cuò)塞積引起的應(yīng)力集中或在高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變

10、形不協(xié)調(diào)而萌生微孔的。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院20材料斷口及斷裂分析微孔成核與長(zhǎng)大的位錯(cuò)模型潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院21材料斷口及斷裂分析微孔成核并逐漸長(zhǎng)大，有兩種不同的聚合模式：一種是正常的聚合，即微孔長(zhǎng)大后出現(xiàn)了“內(nèi)頸縮”，使實(shí)際承載的面積減少而應(yīng)力增加，起了“幾何軟化”作用。另一種聚合模式是裂紋尖端與微孔、或微孔與微孔之間產(chǎn)生了局部滑移，由于這種局部的應(yīng)變量大，產(chǎn)生了快速剪切裂開。這種模式的微孔聚合速度快，消耗的能量也較少，所以塑性韌性差。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院22材料斷口及斷裂分析影響韌性（延性）斷裂的因素（1）基體的形變強(qiáng)化，基體的形

11、變強(qiáng)化指數(shù)越大，則塑性變形后的強(qiáng)化越強(qiáng)烈，哪里變形，哪里便強(qiáng)化，其結(jié)果是各處均勻的變形相反地，如果基體的形變強(qiáng)化指數(shù)小，則變形容易局部化，較易出現(xiàn)快速剪切裂開。這種聚合模式塑性韌性低（2）第二相粒子, 鋼的塑性下降；硫化物比碳化物的影響要明顯得多。同時(shí)碳化物形狀也對(duì)斷裂應(yīng)變有很大影響，球狀的要比片狀的好很多潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院23材料斷口及斷裂分析脆 性 斷 裂潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院24材料斷口及斷裂分析脆性斷裂脆性斷裂：材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形（伸長(zhǎng)和縮頸）的斷裂現(xiàn)象?；?，當(dāng)應(yīng)力增加到超過材料的局部?jī)?nèi)聚力時(shí)，引起原子間鍵合的斷裂，以解理的

12、方式發(fā)生脆斷。包 括：穿晶斷裂的沿晶斷裂。特 點(diǎn)：1) 沒有明顯預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，接近音速，因而具有很大的危險(xiǎn)性，斷裂往往造成嚴(yán)重后果，特別受到關(guān)注；2) 主要指低應(yīng)力脆斷，即在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)一次加載引起的脆斷。包括與材料冶金質(zhì)量有關(guān)的低溫脆性，回火脆性和蘭脆等。3) 脆性斷裂的斷口一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。主要材料：體心立方和密排立方金屬，淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院25材料斷口及斷裂分析脆性斷裂的宏觀特征潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院26材料斷口及斷裂分析解理斷

13、裂脆性斷裂的微觀機(jī)制有解理斷裂和晶間斷裂。解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原于間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面(即所謂“解理面”)劈開而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院27材料斷口及斷裂分析解理斷口的微觀形貌似應(yīng)為一個(gè)平坦完整的晶面。但實(shí)際晶體總是有缺陷存在，如位錯(cuò)、第二相粒子等等。解理斷裂實(shí)際上不是沿單一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均為解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之間形成了所謂的解理臺(tái)階。在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣。河流狀花樣

14、是由解理臺(tái)階的側(cè)面匯合而形成的。解理臺(tái)階可認(rèn)為是通過解理裂紋與螺旋位錯(cuò)交割而形成；也可認(rèn)為通過二次解理或撕裂而形成.解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀花樣；它類似于伸出來的小舌頭，是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)成凹坑。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院28材料斷口及斷裂分析解理斷裂的微觀特征解理斷裂屬于脆性斷裂中的“穿晶斷裂”。典型的解理斷口形貌：1) 臺(tái) 階：裂紋擴(kuò)展時(shí)，在晶界處形成臺(tái)階；2) 河流花樣：解理臺(tái)階連接的結(jié)果；3) 舌狀花樣：解理裂紋與形變孿晶相交形成的。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院29材料斷口及斷裂分析解理斷裂的微觀特征潘春旭，Dr. & Prof.，物

15、理學(xué)院30材料斷口及斷裂分析準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)?；鼗甬a(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。準(zhǔn)解理斷裂時(shí)，其解理面除(001)面外，還有(110)、(112)等晶面。解理小平面間有明顯的撕裂棱。河流花樣已不十分明顯。撕裂棱的形成過程：它是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院31材料斷口及斷裂分析aIbcdeIWeld metalHAZBase metala50 m50 mc50 mb50 me50 md潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院32材料斷口及斷裂分析準(zhǔn)解理與解理斷裂的不同準(zhǔn)解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，向四周放射狀

16、地?cái)U(kuò)展，而解理裂紋則自晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸；準(zhǔn)解理斷口有許多撕裂棱；準(zhǔn)解理斷口上局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂。準(zhǔn)解理斷裂的主要機(jī)制仍是解理，其宏觀表現(xiàn)是脆性的。所以，常將準(zhǔn)解理斷裂歸入脆性斷裂。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院33材料斷口及斷裂分析沿晶斷裂的微觀特征潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院34材料斷口及斷裂分析沿晶斷裂的特點(diǎn)沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂裂紋擴(kuò)展總是沿著消耗能量最小，即原子結(jié)合力最弱的區(qū)域進(jìn)行的。一般情況下，晶界不會(huì)開裂。發(fā)生沿晶斷裂，勢(shì)必由于某種原因降低了晶界結(jié)合強(qiáng)度潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院35材料斷口及斷裂分

17、析沿晶斷裂的原因沿晶斷裂的原因大致有：晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相，微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚，由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷鋼的高溫回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子間的結(jié)合力，從而大大降低了裂紋沿晶界擴(kuò)展的抗力，導(dǎo)致沿晶斷裂潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院36材料斷口及斷裂分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院37材料斷口及斷裂分析脆性韌性轉(zhuǎn)變工程上總是希望構(gòu)件在韌性狀態(tài)下工作，避免危險(xiǎn)的脆性斷裂。航空航天事業(yè)，安全第一。構(gòu)件或材料是韌性或脆性狀態(tài)，取決材料本身的組織結(jié)構(gòu)，還取決于應(yīng)力狀

18、態(tài)，溫度和加載速率等因素，并不是固定不變的，而是可以互相轉(zhuǎn)化的潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院38材料斷口及斷裂分析由材料力學(xué)可知，任何復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)都可以用切應(yīng)力和正應(yīng)力表示。切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，對(duì)塑性韌性有利；拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，不利于塑性和韌性。最大切應(yīng)力max=（1-3）與最大當(dāng)量正應(yīng)力Smax（Smax=1-（2+3）之比稱為應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)(亦叫軟性系數(shù))，即=max/Smax (5-21)值愈大，應(yīng)力狀態(tài)愈“柔”，愈易變形而較不易開裂，即愈易處于韌性狀態(tài)。值愈小，則相反，愈易傾向脆性斷裂。應(yīng)力狀態(tài)及其柔度系數(shù)潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院39材料斷口及斷裂分析佛里

19、德曼()力學(xué)狀態(tài)圖潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院40材料斷口及斷裂分析溫度和加載速率的影響表面能和彈性模量E是決定斷裂強(qiáng)度的主要因素。溫度對(duì)表面能和彈性模量E的影響不大，所以對(duì)斷裂強(qiáng)度影響不大。溫度對(duì)屈服強(qiáng)度影響很大，主要是因?yàn)闇囟扔兄诩せ頕-R位錯(cuò)源，有利于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使滑移易于進(jìn)行。所以，普通碳鋼在室溫或高溫下，斷裂前有較大的塑性變形，是韌斷。但低于某一溫度，位錯(cuò)源激活受阻，難以產(chǎn)生塑性變形，斷裂便可能變?yōu)榇嘈缘牧?。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院41材料斷口及斷裂分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院42材料斷口及斷裂分析提高加載速率起著與溫度相似的作用。加載速率

20、提高，則相對(duì)形變速率增加，相對(duì)形變速率超過某一限度(如10-1s)會(huì)限制塑性變形發(fā)展，使塑性變形極不均勻，結(jié)果變形抗力提高了，并在局部高應(yīng)力區(qū)形成裂紋。潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院43材料斷口及斷裂分析影響韌性-脆性轉(zhuǎn)變的組織因素很多，也比較復(fù)雜，主要有：(1)晶格類型的影響面心立方晶格金屬塑性、韌性好，體心立方和密排六方金屬的塑性、韌性較差。面心立方晶格的金屬，如銅、鋁、奧氏體鋼，一般不出現(xiàn)解理斷裂而處于韌性狀態(tài)，也沒有韌-脆轉(zhuǎn)變，其韌性可以維持到低溫。體心立方晶格的金屬，如鐵、鉻、鎢和普通鋼材，韌脆轉(zhuǎn)變受溫度及加載速率的影響很大，因?yàn)樵诘蜏睾透呒虞d速率下，它們易發(fā)生孿晶，也容易激發(fā)解理斷裂。材料的微觀結(jié)構(gòu)的影響潘春旭，Dr. & Prof.，物理學(xué)院44材料斷口及斷裂分析(2)成分的影響鋼中含碳量增加，塑性變形抗力增加，不僅沖擊韌性降低，而且韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯提高，轉(zhuǎn)變的溫度范圍也加寬了。鋼中的氧、氮、磷、硫、砷、銻和錫等雜質(zhì)對(duì)韌性也是不利的。磷降低裂紋表面能，硅可限制交滑移，促進(jìn)出現(xiàn)孿生，都起著提高韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的不利作用。合金元素的影響比較復(fù)雜，鎳、錳以固溶狀態(tài)存在，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，這可能