金屬斷裂機(jī)理完整版

1、金屬斷裂機(jī)理1 金屬的斷裂綜述斷裂類(lèi)型根據(jù)斷裂的分類(lèi)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(lái)分類(lèi)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(méi)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?jiàn)，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(lái)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(shí)，裂紋擴(kuò)展的路徑可能是不同的。沿晶斷裂一般為脆性

2、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(shí)沿晶斷裂和穿晶斷裂可以混合發(fā)生。按斷裂機(jī)制又可分為解理斷裂與剪切斷裂兩類(lèi)。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(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)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(duì)于面心立方金屬來(lái)說(shuō)（比如鋁），在一般情況下不發(fā)生解理斷裂

3、，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，兩者不是同義詞，它們不是一回事。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，它又分為滑斷（又稱切離或純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純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正斷型或切斷型兩類(lèi)。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

4、塑性變形受較大約束下的斷裂，后者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(lèi)方法及其特征見(jiàn)下表：分類(lèi)方法名 稱特 征根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類(lèi)脆性斷裂斷裂前沒(méi)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(lèi)正斷斷裂的宏觀表面垂直于max方向切斷斷裂的宏觀表面平行于max方向根據(jù)裂紋擴(kuò)展途徑分類(lèi)穿晶斷裂裂紋穿過(guò)晶

5、粒內(nèi)部沿晶斷裂裂紋沿晶界擴(kuò)展根據(jù)斷裂機(jī)理分類(lèi)解理斷裂無(wú)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(guò)縮頸導(dǎo)致最終斷裂（多晶體、高純金屬）2 微孔聚合斷裂機(jī)制2.1 相關(guān)概念定義：微孔聚合型斷裂過(guò)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、孿晶帶、相界、大量位錯(cuò)塞積處形成微裂紋，因相鄰微裂紋的聚合產(chǎn)生可見(jiàn)微孔洞，以后孔洞長(zhǎng)大、增殖，最后連接形成斷裂。微孔萌生的時(shí)間：若材料中第二相與基體結(jié)合強(qiáng)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(shí)效鋼斷裂過(guò)程的主要環(huán)節(jié)。微孔聚合型

6、斷裂形成的韌窩有三種： 1）拉伸型等軸狀韌窩； 2）剪切型伸長(zhǎng)韌窩； 3）拉伸撕裂型伸長(zhǎng)韌窩。韌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(qiáng)，那么韌窩大而深；若基體的加工硬化能力很強(qiáng)，韌窩大而淺。2.2 斷口形貌特征 A種(15 mA cm2)變體鋼斷裂面的形貌-兼有微孔聚合斷裂和解理斷裂B (30 mA cm2)種變體鋼斷裂面形貌-兼有韌窩和二次裂紋以上圖片是對(duì)“800 CMnSi超強(qiáng)度鋼（TRIP 800 steels）”的A、B兩種變體鋼試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的斷口形貌，括號(hào)中標(biāo)注的是實(shí)驗(yàn)具體使用的電流密度值。本實(shí)驗(yàn)研究氫含量對(duì)TR

7、IP 800 steels性質(zhì)和斷口形貌的影響，上面圖2-1說(shuō)明氫含量高使得斷口表現(xiàn)出了較多較淺的韌窩，韌窩淺因?yàn)闅浯嘈?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(jìn)劑之后的斷裂形貌，除了有韌窩出現(xiàn)，還有了二次斷裂，并且產(chǎn)生于夾雜物（即氫吸收促進(jìn)劑）旁邊。2.3 微孔聚合斷裂機(jī)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“韌窩”，微孔聚集斷裂過(guò)程包括微孔形核、長(zhǎng)大、聚合直至斷裂。微孔聚合斷裂過(guò)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韌窩有三種類(lèi)型：(1)拉伸型的等軸狀

8、韌窩。裂紋擴(kuò)展方向垂直于最大主應(yīng)力max，max是均勻分布于斷裂平面上，拉伸時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)韌窩。產(chǎn)生這種韌窩的加載方式有些和等軸狀韌窩類(lèi)似，但是等軸狀韌窩可以認(rèn)為是在試樣中心加拉伸載荷的，而拉伸型韌窩是在試樣邊緣加載的，因而max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(kāi)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(lèi)型。

9、這種類(lèi)型的韌窩，韌窩小而淺，裂紋擴(kuò)展快，故在宏觀上常為脆斷，所以不要把微孔聚合型的微觀機(jī)制都?xì)w之為韌斷，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 700×上圖為拉伸斷口形貌，斷裂全部為韌性斷裂，斷口呈韌窩狀，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?？梢钥闯?，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(qiáng)體附件韌窩相對(duì)較深且較細(xì)小，這主要是因?yàn)閷悠M織對(duì)源自增強(qiáng)體斷裂的裂紋具有很好的阻礙作

10、用。同樣，從斷口來(lái)看，層片組織的TMC2 較等軸組織的延性要略好，這些結(jié)果與力學(xué)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(zhǎng)大，故表現(xiàn)出的相對(duì)細(xì)小的韌窩。不同組織的復(fù)合材料室溫拉伸的掃描電鏡斷口形貌 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(tái)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)生的一種穿晶斷裂，斷裂面沿一定的晶面發(fā)生的，這個(gè)平面叫做解理面。解理臺(tái)階是沿兩個(gè)高度不同的

11、平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的。形成過(guò)程有兩種方式：通過(guò)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相交形成；通過(guò)二次解理或撕裂形成。第一種，當(dāng)解理裂紋與螺型位錯(cuò)相遇時(shí)，便形成一個(gè)臺(tái)階，裂紋繼續(xù)向前擴(kuò)展，與許多螺型位錯(cuò)相交便形成眾多臺(tái)階，他們沿裂紋前端滑動(dòng)而相互交匯，同號(hào)臺(tái)階相互匯合長(zhǎng)大，異號(hào)臺(tái)階相互抵消，當(dāng)匯合臺(tái)階足夠大的時(shí)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(kuò)展的兩個(gè)互相平行解理面間距較小時(shí)產(chǎn)生的，但若解理裂紋的上下兩個(gè)面間距遠(yuǎn)大于一個(gè)原子間距時(shí)，兩解理裂紋之間的金屬會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，結(jié)果由于塑性撕裂而形成臺(tái)階，稱為撕裂棱晶界。舌狀花樣是由于解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)散留下的舌頭狀凹坑或

12、凸臺(tái)，故在匹配斷口上“舌頭”為黑白對(duì)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(duì)應(yīng)著一個(gè)不同高度的相互平行的解理面之間的臺(tái)階。解理裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，眾多的臺(tái)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(tái)階匯合成較大的臺(tái)階，到“下游”，較大的臺(tái)階又匯合成更大的臺(tái)階。河流的流向恰好與裂紋擴(kuò)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(kuò)展方向。3.3.2 舌狀裂面解理裂紋與孿晶(見(jiàn)孿生)相遇時(shí)可沿孿晶面形成局部裂紋，它發(fā)

13、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(tái)階狀解理裂紋不能直接通過(guò)晶界擴(kuò)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?cè)趥鞑ミ^(guò)程中匯集成河流狀花樣并形成扇面形向四周擴(kuò)展?！昂恿鳌鄙嫌渭唇饫砩龋缺幨橇鸭y源，扇面下游即裂紋擴(kuò)展方向。 3.4 準(zhǔn)解理準(zhǔn)解理斷裂介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，它是兩種機(jī)制的混合。準(zhǔn)解理與解理的共同點(diǎn)：都是穿晶斷裂；有小解理面；有臺(tái)階或撕裂棱及河流狀花樣。不同點(diǎn)：準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面；真正解理裂紋常源于晶界，而準(zhǔn)解理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)

14、發(fā)源的放射狀河流花樣。它是另一種型式的準(zhǔn)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(gè)地方的小裂紋分別擴(kuò)展相遇發(fā)生塑性撕裂而形成的撕裂嶺。準(zhǔn)解理斷裂面不是一個(gè)嚴(yán)格準(zhǔn)確的解理面，有人認(rèn)為準(zhǔn)解理斷裂是解理和微孔聚合的混合機(jī)制，它常見(jiàn)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(kuò)展的斷裂形式。金屬材料中的裂紋沿晶界擴(kuò)展而產(chǎn)生斷裂。當(dāng)沿晶斷裂斷口形貌呈粒狀時(shí)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(dāng)晶界受到損傷，其變形能力被削弱，不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形

15、時(shí)，便形成晶界開(kāi)裂。裂紋擴(kuò)展總是沿阻力最小的路徑發(fā)展，遂表現(xiàn)為沿晶斷裂。鉬的沿晶斷裂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、Sn等元素。有害元素沿晶

16、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(duì)溫度和加載速率的敏感性，在低溫或動(dòng)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(guò)程中，因加熱溫度過(guò)高，造成晶界熔化，嚴(yán)重減弱了晶界結(jié)合力和晶界處的強(qiáng)度，在受載時(shí)，產(chǎn)生早期的低應(yīng)力沿晶斷裂。由于淬火工藝不當(dāng)，產(chǎn)生淬火裂紋，使彈簧在使用時(shí)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(shí)，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?yàn)槠趨^(qū)。4.2.4 環(huán)境作用環(huán)境因素與晶界相互作用造成

17、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錳鋼固溶處理后，再加熱時(shí)沿晶界析出非常細(xì)小的碳化物，從而改變了晶界層材料的性質(zhì)，這也屬于晶界受損傷的情況，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(kāi)裂。4.3 斷裂過(guò)程沿晶斷裂的過(guò)程包括裂紋的形成與擴(kuò)展。晶界受損的材料受力變形時(shí)，晶內(nèi)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)受阻于晶界，在晶界處造成應(yīng)力集中，當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到晶界強(qiáng)度時(shí)，便將晶界擠裂。這個(gè)集中應(yīng)力與位錯(cuò)塞積群中的位錯(cuò)數(shù)目和滑移帶長(zhǎng)度有關(guān)，因此沿晶斷裂強(qiáng)度與

18、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(lèi)：(1)晶粒特別粗大時(shí)形成石塊或冰糖狀斷口；(2)晶粒較細(xì)時(shí)形成結(jié)晶狀斷口。沿晶斷裂的結(jié)晶狀斷口比解理斷裂的結(jié)晶狀斷口反光能力稍差，顏色黯淡。4.5 預(yù)防方法預(yù)防沿晶斷裂的方法：將金屬進(jìn)行提純、凈化晶界、防止雜質(zhì)原子在晶界偏聚或脫溶(見(jiàn)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(guò)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。在靜載單向拉升的變形條件下，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

19、布，只有在較大變形量時(shí)，變形才集中于試樣某一局部區(qū)域。在交變荷載作用下，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)該材料的疲勞極限（小于屈服點(diǎn)）時(shí)，應(yīng)力循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后，通過(guò)金相顯微鏡和X-射線的實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(jiàn)無(wú)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(guò)程導(dǎo)致?lián)p傷的滑移條紋，而且也是疲勞過(guò)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(guò)程可以分為疲勞裂紋的形成、疲勞裂紋的擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三

20、個(gè)階段。金屬疲勞破壞的起源常在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(jìn)而形成微裂紋，這就是疲勞破壞的第一個(gè)階段。接著，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，微裂紋緩慢斷續(xù)地?cái)U(kuò)展，這是疲勞破壞的第二個(gè)階段。最后，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，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(jì)能減少表面應(yīng)力集中點(diǎn)，也能有效防止或延遲裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。5.2 疲勞裂紋的形成疲勞裂紋最容易在應(yīng)力最高、強(qiáng)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

21、紋的方式有：滑移帶開(kāi)裂、夾雜物和基體界面開(kāi)裂和孿晶、晶界開(kāi)裂。5.2.1 滑移帶開(kāi)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(dú)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(gè)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(rèn)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(kuò)展，從而形成最初的疲勞裂紋，然后裂紋沿滑移帶方向擴(kuò)展，并穿過(guò)晶粒，直至轉(zhuǎn)化成宏觀裂紋。由滑移引起的疲勞斷裂擠入、擠出示意圖5

22、.2.2 夾雜物和基體晶面開(kāi)裂機(jī)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(qiáng)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。此外，夾雜物和第二相質(zhì)點(diǎn)本身在交錯(cuò)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(kāi)裂過(guò)程示意圖夾雜物造成斷裂實(shí)物圖5.2.3 晶界開(kāi)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(dāng)滑移帶到達(dá)晶界時(shí)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(cuò)塞積。當(dāng)這種位錯(cuò)塞積形成的應(yīng)力增大

23、到斷裂強(qiáng)度時(shí)，晶界即開(kāi)裂而形成微裂紋。金屬的晶粒越粗，晶界上的應(yīng)變量越大，位錯(cuò)塞積也大，應(yīng)力集中增高，易于形成裂紋。晶界開(kāi)裂機(jī)理示意圖5.3 疲勞裂紋的擴(kuò)展紋萌生時(shí)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一定條件下的不斷擴(kuò)展，直到發(fā)生瞬時(shí)斷裂為止的整個(gè)過(guò)程，一共可以分成微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段。第I階段：微觀裂紋擴(kuò)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(kuò)展。不過(guò)這一階段的擴(kuò)展速度很低，深度很淺，只有當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后，才轉(zhuǎn)入第II階段。第II階段：宏觀裂紋擴(kuò)展。在這一階段中，裂紋將向垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展，它的擴(kuò)展速度和深度都大于第I階段。第III階段：瞬時(shí)斷裂。隨著

24、裂紋的不斷擴(kuò)展，殘留的截面積不斷縮小，應(yīng)力則不斷增大。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的靜強(qiáng)度指標(biāo)，即強(qiáng)度極限時(shí)，最終發(fā)生瞬時(shí)斷裂。疲勞斷裂的宏觀斷口具有脆性特性，無(wú)明顯的塑性變形。疲勞擴(kuò)展過(guò)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(gè)區(qū)，即源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)與瞬時(shí)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(kuò)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(lèi)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(shí)留下的裂紋前沿線痕跡。最后是瞬時(shí)斷裂區(qū)，它是由于疲勞裂紋擴(kuò)展至臨界長(zhǎng)度后，剩余截面上的真實(shí)應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度而發(fā)生

25、的靜載斷裂，它的斷口特征和存在嚴(yán)重應(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(guò)程和斷口形狀，與零件的工作載荷類(lèi)型、應(yīng)力大小和應(yīng)力集中條件等有很大關(guān)系。不同工作載荷對(duì)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)力下的位壓6 防止金屬脆性斷裂失效的途徑6.1 材料的設(shè)計(jì)與制造防止脆性斷裂應(yīng)控制下列因素來(lái)進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(lèi)型及環(huán)境因素

26、等。溫度是引起構(gòu)件脆斷的重要因素之一，設(shè)計(jì)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）。若所設(shè)計(jì)的構(gòu)件工作溫度低于Tc時(shí)，則必須降低設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，使應(yīng)力低于不會(huì)發(fā)生裂紋的擴(kuò)展。若其設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)保證材料具有良好的強(qiáng)韌性，良好的工藝性能。從減少構(gòu)件脆性斷裂上，在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)深的刀痕等缺陷。焊接時(shí)要防止裂紋、焊瘤、未焊透等缺陷，減小和消除鋼結(jié)構(gòu)

27、中的殘余應(yīng)力，尤其在條件允許的情況下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量消除焊接殘余應(yīng)力，這對(duì)于防止低溫脆斷具有非常重要的意義。6.2 調(diào)整化學(xué)成分鋼的化學(xué)成分中的有益元素含量在合金設(shè)計(jì)中應(yīng)給以重視，而C、N、H、O、P等有害夾雜含量增加均會(huì)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(duì)脆斷事故進(jìn)行分析，首先應(yīng)該要看是否含量超標(biāo)，不超標(biāo)時(shí)也要考慮合金配比是否合適，因?yàn)槌煞致湓谂铺?hào)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(dá)不到要求并引起失效的事例是很多的，如在設(shè)計(jì)鋼的成分時(shí)應(yīng)盡可能地控制一些對(duì)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(guò)大，以及向回火脆性敏感性較大的鋼中添加鉬和鎢，

28、對(duì)回火脆性敏感性較大的鉻鎳鋼，鉻錳鋼、硅錳鋼、鉻釩鋼等加鉬便是如此。鎳被認(rèn)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)變溫度因鎳量增加而降低，淬火后低溫回火的鎳鋼含4.5%鎳，高溫回火的鋼含2.5鎳時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度可降到最低。在合金結(jié)構(gòu)鋼中，銅的作用與鎳相似。錳對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響因含量不同而異。低碳鋼含錳在1.5以下時(shí)可使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，所以，降碳增錳可以減少鋼中的碳化物、細(xì)化晶粒，有利于低碳鋼獲得較高的低溫沖擊韌性，但含錳高時(shí)又使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度提高。此外，鋼中偏析、夾雜物。白點(diǎn)、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，鎳、少量錳、銅等

29、元素有利于鋼獲得較高的低溫沖擊韌性。由于合金元素對(duì)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{(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(xì)化晶粒細(xì)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(xì)晶粒的為高，如粗晶粒的中碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，可較細(xì)晶粒的鋼高40。細(xì)晶粒強(qiáng)化符合Hall-Petch關(guān)系，當(dāng)晶粒越細(xì)，晶界面積就越大，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙也越大，從而使強(qiáng)度升高。此外，晶粒越細(xì)，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(jìn)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(duì)來(lái)說(shuō)引

30、起應(yīng)力集中減小，使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?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，晶界的曲折越多，越不利于裂紋的傳播。從而在斷裂過(guò)程中可吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性；當(dāng)晶粒細(xì)小時(shí)，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(guò)加大過(guò)冷度，在鑄鐵中加入硅鐵或硅鈣合金，在鋁合金中加入鈦、鋯、釩等或在合金鋼中加入碳化物形成元素（Ti、V等)，阻止加熱時(shí)對(duì)晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒提高韌性。7 斷裂實(shí)例分析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(shí)驗(yàn)使用過(guò)程中，僅加熱了30分鐘，便發(fā)生了斷裂；用其他樣品測(cè)試也發(fā)生了類(lèi)似情況。這是其中的一個(gè)樣

31、品，對(duì)其進(jìn)行分析，以確定開(kāi)裂的原因。化學(xué)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，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)良好的耐磨性。分析過(guò)程如下：圖1是拉模板的俯視圖，從圖中可以看出，這個(gè)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1圖2是拉模板的側(cè)面度，顯示了斷裂的寬度，這一寬度說(shuō)明了這部分有著很大的殘余應(yīng)力圖2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(kāi)始的。圖3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(duì)其他加熱孔和螺絲孔的觀察，得到其低

32、倍的放大圖像，發(fā)現(xiàn)全部的窄帶部分都出現(xiàn)了不同程度的裂縫。因?yàn)閿嗫诘谋砻嬉呀?jīng)被嚴(yán)重氧化，為了方便下一步的分析，特地將其從橫斷面拋開(kāi)。圖7標(biāo)注出了窄帶的位置圖7剛剖開(kāi)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(duì)其進(jìn)行觀察和分析 圖8是低倍SEM像，原始的裂紋輪廓被標(biāo)記了出來(lái)。斷裂面是由于實(shí)驗(yàn)室中為剖開(kāi)試樣，而應(yīng)力過(guò)載造成的圖8通過(guò)使用背散射電子（BSE）來(lái)增加SEM的放大倍數(shù)，從而得到了圖9，顯示了原始裂紋表面已被氧化 圖9圖10是繼續(xù)增大SEM的放大倍數(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(duì)其進(jìn)行形貌分析，得出結(jié)論，裂紋是由右上方的V型角開(kāi)始，這個(gè)角由于不完整的螺紋牙底（應(yīng)力集中最高處）  圖10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?dú)獗谎趸?，這正是斷口的真正特征。圖12滲氮層的內(nèi)側(cè)也已經(jīng)