金属断口机理及分析

名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。其形状类似地图上的河流。断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构。氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。第一章断裂的分类及特点1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45º.2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。应力腐蚀断口，氢脆断口。3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45º交角（平面应力条件下的撕裂）根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型）裂纹尺寸与断裂强度的关系Kic：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K准则相似）aYKcc1：断裂应力（剩余强度）a：裂纹深度（长度）Y：形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关）脆性材料K准则：KI是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量；KIC是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法：T型法（脆断判别主裂纹），分差法（脆断判别主裂纹），变形法（韧断判别主裂纹），氧化法（环境断裂判别主裂纹），贝纹线法（适用于疲劳断裂判别主裂纹）。断口的试样制备：截取，清洗，保存。断口分析技术设备：1.宏观断口分析技术（用肉眼，放大镜，低倍率光学显微镜观察分析）2.光学显微断口分析（扫描电子显微镜光学显微镜，透射电子显微镜），3.电镜断口分析。第三章延性断裂：1．特点：材料断裂前发生明显的塑性变形，也可以说塑性变形是韧断的前奏，而韧断是大量塑性变形的结果。2.过程：显微空洞形成，扩展，连接，断裂。3．类型：韧窝-微孔聚集型断裂、滑移分离断裂。韧窝断口的宏观和微观形貌特征：1宏观形貌特征（1）纤维区：a.表面颜色灰暗，无金属光泽b.粗糙不平c.无数纤维状小峰组成，小峰的小斜面和拉伸轴线大约成45度角（2）放射区（3）剪切唇:和拉伸轴线大约成45度角注意：塑性较高材料的冲击断口一般具有两个纤维区2微观形貌特征：大小不等的圆形或椭圆形的凹坑（即韧窝）。韧窝内一般可看到夹杂物或者第二相粒子。注意：并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子韧窝的形状等轴韧窝（拉伸正应力，圆形微坑，均匀分布于断口表面）剪切韧窝（剪切应力，抛物线形状，通常出现的位置：拉伸、冲击断口的剪切唇部位）撕裂韧窝（撕裂应力，抛物线形状）卵形韧窝（卵形）剪切韧窝与撕裂韧窝微观形状无区别，怎么区分？对材料断口的两个表面进行作对比研究：韧窝凸向一致为撕裂韧窝；反之为剪切韧窝韧窝裂纹的萌生与扩展（以拉伸正应力为例）1.韧窝裂纹的萌生应力超过材料的屈服强度→发生塑性变形→变形部位产生三向应力状态→在沉淀相、夹杂ICcKaK物与金属界面处分离产生微孔，或夹杂物本身破碎形成裂纹，或滑移位错塞积产生孔洞2.韧窝裂纹的扩展（1）内颈缩扩展：质点大小、分布均匀，韧窝在多处形核（裂纹萌生），随变形增加，微孔壁变薄，以撕裂方式连接（2）剪切扩展：材料中具有较多夹杂物，同时具有细小析出相时，微孔之间可能以剪切方式相连接。注意：内颈缩扩展与剪切扩展在同一韧窝断口上可能同时发生。影响韧窝的形貌因素：夹杂物或第二相粒子，基体材料的韧性，试验温度，应力状态。第四章解理断口宏观和微观形貌特征：1．宏观形貌特征：放射状条纹，人字纹，小刻面（发亮的小晶面）2．微观形貌特征：河流花样、舌状花样、扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳线、解理台阶解理台阶的形成：（1）解理裂纹与螺位错交截形成台阶（2）二次解理或撕裂相互连接形成台阶解理台阶的性质：1.台阶扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小）2.相同方向的台阶合并后高度增加3.相反方向的台阶合并后高度减少或消失4.台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间有一定关系河流花样：1．形成机理：河流花样实际上是解理台阶的一种标志。当裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台阶，而较大的台阶又汇合成更大的台阶，其结果就形成河流花样。2．起源：（1）晶界、亚晶界、孪晶界（2）夹杂物或析出相（3）晶粒内部（解理面与螺形位错交截的地方）。3．影响因素：（1）小角度晶界：倾斜晶界（影响不大，延伸至相邻晶界）扭转晶界（在亚晶界处产生新的裂纹，河流激增）（2）大角度晶界（河流不能通过，在晶界处产生新的裂纹，向外扩展，形成扇形。）解理断裂的萌生和扩展1.裂纹萌生机制：（1）位错塞积极制位错运动→运动受阻（晶界、孪晶界、第二相夹杂物）→位错堆积→（理论断裂强度）→产生微裂纹（2）位错反应机制：位错运动→位错相遇→产生新位错（不动位错）→阻碍随后的位错运动→位错堆积→产生微裂纹（3）滑移解理机制位错运动→排列成小角度晶界→部分晶界被阻碍→产生拉应力→微裂纹2.裂纹的扩展：根据格里菲斯表达式来解释CEc2解理断裂的影响因素1.试验温度T↓，裂纹尖端塑性变形区↓→裂纹扩展阻力↓→解理断裂发生的容易程度上升；2.应变速率↑→解理断裂发生的容易程度↑；3.hcp、bcc类型金属、合金易发生解理断裂，fcc类型金属、合金不易发生解理断裂（滑移系）；4.晶粒尺寸↑发生解理断裂的可能性↑；5.显微组织不同，解理断裂路径不同。断口形貌不同；6.第二相粒子越粗大越容易发生解理断裂。准解理断裂宏观特征：宏观断口较平整，少或无宏观塑性变形，结晶状小刻面，亮但不发光，较明显的放射状花样解理断裂与准解理断裂的区别：区别解理断裂准解理断裂裂纹源解理面边界(晶界）准解理平面内部扩展路径比较连续不连续（常在局部形成并局部扩展）撕裂少多位向100晶面严格对应不存在确定的位向关系第五章疲劳断裂：1.定义：由于交变应力或循环载荷作用下的脆断。2.分类：（1）按负载和环境条件分类：高周疲劳，低周疲劳，接触疲劳，热疲劳，腐蚀疲劳。（2）依载荷类型特点分类：弯曲疲劳，轴向疲劳，扭转疲劳。疲劳断裂的一般特征：（1）断裂应力比静载下的抗拉强度，屈服强度低，断裂前无明显塑性变形，是低应力脆断破坏现象。（2）疲劳断裂是损伤积累过程的结果，是与时间相关的破坏方式。它包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段。（3）工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。（4）微观上一般是穿晶断裂，也属一种脆性穿晶。疲劳裂纹的萌生和扩展：1.萌生：表面（次表面，内部）2.扩展：第一阶段裂纹起源于材料表面，向内部扩展，扩展速度慢。第二阶段断面与拉伸轴垂直，凹凸不平。扩展途径为穿晶，扩展速度快。（显微特征：疲劳辉纹）疲劳断口形貌特征：1疲劳源：光滑、细洁扇形小区域。位于材料表面、次表面或者内部。2裂纹扩展区形状：一条条同心的圆弧颜色：因为氧化或者腐蚀，成黑色或褐色变化规律：年轮间距小，表示裂纹扩展慢，材料韧性好3瞬断区形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征对于塑性材料，断口为纤维状，暗灰色对于脆性材料，断口为结晶状瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大；反之越小。疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：贝纹线：宏观特征因交变应力幅度变化或载荷停歇造成的。辉纹：微观特征，是一次交变应力循环裂纹尖端钝化形成的。辉纹四要素：１．辉纹相互平行且垂直于裂纹局部扩展方向。２．辉纹间距随应力强度因子振幅而变化。３．辉纹个数等于负载循环次数４．通常断面上的一组辉纹是连续的，相邻断面上的辉纹不连续。疲劳辉纹：1.形成机理：裂纹扩展的连续模型和不连续模型。2.类型：韧性辉纹，脆性辉纹3.产生的必要条件：（1）张开型平面应变，即正断时才出现（2）延性材料比较容易出现（3）真空中不出现辉纹影响疲劳断口形貌的因素：1载荷类型与应力大小2材质3晶界4夹杂物或第二相5环境介质。腐蚀疲劳：1定义：材料在循环应力和腐蚀介质共同作用下产生的断裂。2裂源：材料的腐蚀坑或表面缺陷部位。3特征：（1）多起源于腐蚀坑处或表面缺陷部位，为多源疲劳（2）断口上具有较模糊的疲劳辉纹（3）断口上具有沿晶断裂形貌，也可能有穿晶断口形貌（4）断口中二次裂纹较多第七章环境应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断引起表面膜局部断裂的原因：环境因素，冶金因素，力学因素，机械破损。蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。（蠕变断裂为沿晶断裂）第六章环境断裂：金属材料在腐蚀介质和温度环境等条件影响下产生的沿晶或穿晶低应力脆断现象应力腐蚀断裂断裂过程：裂纹的形成、裂纹的扩展氧化膜破坏-腐蚀坑形成-应力腐蚀裂纹萌生和亚临界扩展-机械失稳破坏引起表面氧化膜局部破裂的因素：环境因素、冶金因素、力学因素、机械破损SCC断口形貌特征：1.宏观：（1）呈现脆性特征（2）多源，裂纹形成区成暗色或灰黑色（3）最终断裂区具有金属光泽，常有放射性花样或人字纹。2.微观：沿晶断口，晶面有撕裂脊等SCC影响因素和预防措施：1.影响因素：应力、环境介质、成分、热处理工艺2.预防措施：降低应力、表面处理、改变腐蚀介质、选材、电化学保护氢脆的分类及其宏微观形貌特征：分为内部氢脆和环境氢脆内部氢脆形貌特征：1宏观：白点（发裂白点、鱼眼型白点）2微观：穿晶解理断口或准解理断口环境氢脆形貌特征：1宏观：与脆性断口相似2微观：沿晶断口和准解理断口SCC与氢脆的关系1联系：通常共同存在，形貌也相似2区别：（1）电化学反应：SCC为阳极溶解控制过程，氢脆为阴极反应控制过程（2）裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉；氢脆从次表面或内部开始，裂纹基本不分叉影响氢脆外部因素：温度、氢浓度、置放时间蠕变可由蠕变曲线描述，一般分为三个阶段：1初始蠕变阶段（蠕变速率随时间不断降低）2稳态蠕变阶段（蠕变速率保持不变）3加速蠕变阶段（蠕变速率随时间加快直至断裂）材料蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散、晶界滑动按照断裂时塑性变形量大小的顺序，可将蠕变断裂分为如下三个类型：沿晶蠕变断裂（高温、低应力）、穿晶蠕变断裂（高应力）、延缩性断裂（高温）沿晶断裂：类型：韧性沿晶断裂、脆性沿晶断裂产生的原因：1脆性沉淀相沿晶界析出2晶界弱化3环境4热应力5晶体粗大断口宏观形貌特征：结晶状、冰糖快状、灰色石状第七章断裂形式：1按裂纹产生部位：表面开裂、内部开裂2按塑性加工方式：轧制开裂、挤压开裂、锻造开裂断裂原因：1塑性变形不均匀2铸锭质量差3加工工艺不合理失效分析的一般程序：外部观察—试验检查—综合分析1金属的断裂综述断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多