失效分析技術及其應用第六講韌性與脆性斷裂的顯微形貌特征_吳連生

1、vol- 31 No 6 (1995)理化檢驗一物理分冊57vol- 31 No 6 (1995)理化檢驗一物理分冊58失效分析技術及其應用第六講韌性與脆性斷裂的顯微形貌待征吳連生(機檢工業(yè)部上禪材料研究所200437)方向的長大連率為帰大，同時將使顯徼空穴拉長，形成 拋物線狀韌窩。圖3為20談鋼剪切斷口上的剪切韌窩花 樣的電子圖象。(c)撕裂切貫當金屬材料中的裂紋在平面應變 條件F進行擴展時，形成的新口其顯微形貌特征亦可 觀察到拋物線狀韌窩。它與剪切刼窩形貌相似,不易區(qū) 分，也是由于受力不均勻所致。因為撕裂時林料是受到 力矩作用，顯微空穴各部所受的應力不同，沿著受力較 大的方向，即撕裂方向，

2、韌窩被拉長呈現(xiàn)拋物線狀。撕 裂甸窩與剪切韌窩的區(qū)別方法是觀察兩個相匹配的韌 性斷口上的牠物線韌窩花樣的方向變化;若兩個斷口 上的拋物線韌窩方向相同，屬撕裂韌窩類狙;若兩個斷 仃上的拋物線韌窩方向用反，同剪切韌裁類型;請參閱 圖1示意圖中的(b與(c);其電子圖象如圖4所示.在通常情況F，各種形狀的韌窩是混合在一起的. 在實際的金屬材料中，等軸韌窩與拋物線韌窩是規(guī)則 而交替分布的，且常常勸察到小籾関包圍著大的等軸 切窩，圖5所示為2013鋼韌性斷口的籾零花樣電子圖 象.韌性與脆件斷裂失效的顯微形荻特征即斷1的 高倍觀察,基本上是應用電子顯微鏡來實現(xiàn)的在失效 分析中經(jīng)常便用的電子顯微鏡，主要有兩種

3、類型：(1) 透射電子顯微鏡M2)掃描電子顯徵鏡。利用透射電子 顯微鏡研究斷口形貌待征時，必須掌握斷口試樣的復 型技術、經(jīng)常使用的倍率為200030000X，使用掃描 電子顯微鏡觀察斷口形規(guī)掙征時不必使用復型技術 可直接觀察斷口試樣;經(jīng)常使用的倍率為205000 X 通常將用電子顯微鏡來分析研究斷口的顯微形規(guī)特征 技術稱Z為電子顯微斷門學,簡稱為電子斷口學.1韌性斷裂的顯徹形貌特征韌性斷裂在沒有使用電子顯微鏡觀察之前對斷 口的顯做鏡形貌掙征的研究是不夠全面的。通過電子 顯微鏡的觀察，發(fā)現(xiàn)韌性斷口是由于顯微空穴或顯微 扎隙的曲生及聚集而形成的，其顯微形貌特征為“韌窩 花樣" bl韌窩韌

4、戔形或的機理比較復雜(有些冋題尚待 進一步研究)，大致可認為退由于顯微空穴在塑性變形 過程中不斷的長大或聚集，使顯微空穴與顯微空穴之 間的自由表面的厚度逐漸減薄當塑性變形達到一定 程度眄，嚴后導致破裂分離這樣，每個顯微空穴，就形 成-個韌窩在電子顯微鏡中所觀察到的韌窩，實際上 就是顯微空穴的一半.切勒創(chuàng)誓弐韌窩花樣的形狀主要是由所受 的應力狀東袖iKk定的，一般可出現(xiàn)三種不同形狀 的韌窩花樣，如圖1所示，其中(a)為正交切窩;(b)為剪 切韌窩;(c)為撕裂飯窩。(a) 正交韌窩正交韌窩是在正交條件F斷啜所 產(chǎn)生的韌窩，又稱為等軸刼窩形成等軸的原因是由于 應力垂宜于斷裂表面，并且應力在整個斷口

5、表面上的 分布是均勻的，而裂紋擴展速度是較緩慢因此在垂直 于應力平面上，顯微空穴在各個方向上的長大速率是 相等的，故形成圓形畀軸韌窩。圖2為低合金鋼斷口上 的等軸韌窩花樣的電子圖象.(b) 剪切韌窩它是在剪切條件下所產(chǎn)生的剪切脣，其顯微形貌掙征屬于剪切韌究，其形狀呈拋物線 狀。這是由于顯微空穴在形成過程中，其塑性形變主要 是剪切應力起作用，塑性形變使顯微空穴沿剪切應力.?19942014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:”(2)切率於木q、am的尺寸，通常是用韌窩的 寬度

6、和深由東說&角窩的寬度，指等軸球體或拋物線 旋轉體的大圓直徑的大水；韌窩的深度,常以斷面到韌 禽底部之間的距離為標崔.韌窩的大小取決于；(i成核岀現(xiàn)的顯微空穴大 小;(G在顯微空穴聚集之前發(fā)生的切性變形慎。當由卜OO”圖】顯微空穴大和聚集形曲三呻不同形狀的韌窩花樣示意圖G0正交協(xié)窩(b)W切籾爲(c)撕裂韌會Vol. 31 No. 6 (1995)理化檢驗一物理分冊 60 102低合金鋼斷口 上的鈴軸韌翕花樣 的電子圖象 RTEI* 5000 X圖5 2Crl3鋼切性斷 口上的大與小不均 勻的花樣的 電子圖象SEI 25OOX圖3 20碳鋼剪切斷 U匕的勢切切爲花 樣的電子圖象 RTE

7、1 5000 X圖 6HWB-36 軸切妄及夾雜 物分布在切賽底 部熙色轅粒為從 斷口上萃取下來 的Mn3夾朵RTEI 5000 X圖4 35CrM。鋼快 速擁製斯口上的 拶裂韌線的電子 圖鏡RTEI 2500 X衣示碳刻料二次復熨透射電子圖彖。圖7 20g制斷口 等 岫協(xié)窩花樣其中 箭頭指示處為卵形 韌猶，還可見到底 部存在若夬雜物 RTEI 5000X夾雜物成核出現(xiàn)空隙時起始的顯微空穴尺寸主翌取 決于夾雜物的尺寸.間隔及材料的塑性變形能力等。顯 微空穴聚集所需要的理性變形曲在某種程度上與成 核位總密度有關在給定的材料中當成核位氏密度增 大時塑性變形程度和韌窩尺寸均減小。在金園材料的 韌窩斷

8、口中通常垠常見的足尺寸各不相同的韌窩花 樣$但是也可看到僅由尺寸較大而又均勻的韌窩或者 是比校大的韌妄的周圍密集若尺寸較小的韌窩的情 況。當斷口中只有尺寸較均勻的韌窩時則形成韌窩的 夾雜物或第二相粒子只有一種類型！而且顯微空穴Z 間的連結是靠材料內部的刻性變形來實現(xiàn)的。當斷口 中存在善大小不同的切窩尤其是均勻的大韌窩周圍 有小韌窩時首先是由較大尺寸的夾雜物或第二相粒 子作為刼窩的核形成顯微空穴當址微空穴長大到一 定尺寸后較小的夾雜物或第二相粒子將形成顯微空 穴并隨后長大與先前形成的顯微空穴在長大過程中 發(fā)生聯(lián)結產(chǎn)生了大小不一的韌窩形貌。通常，對于同一種材料當斯裂條件相同或相近 時韌突尺寸愈大則

9、材料的加性愈好。(3)切寧於藝単 韌窩的數(shù)晟取決于顯微空穴的 數(shù)目。當?shù)v戀事石紊二相粒子或夾雜物時則在形成韌 窩的過程屮第二相粒子或夾雜物往往存在于切窩的 底部如圖6所示其中黑色質點為被萃取卜來的夾雜 物白色小圓環(huán)表水夾雜物未被萃取下來其次韌窩的數(shù)雖還依賴于裂紋的擴展速度，當裂 紋擴展速度增加時其斷口上的韌窩數(shù)冃亦增加.此外當韌妄底部沒有夾雜物或第二相粒子時則 將是由于材料中原有的軌微空穴或在塑性變形過程中 產(chǎn)生切窗;或者是由于位錯的堆積等原因形成的於微 空穴。(4)卵爭切率所謂卵形韌卸是指在大韌窩的 自由表面處小切窩或二次韌箒它的形成。 是曲較大的夾雜物或第：相粒子先形成人韌禽核，當 大韌窩

10、在氏大過程中其自由表面與個小切窩相遇. 這時小切窩完全附著在大韌窩之上其形貌類似卵形. 如圖7所示其中箭頭指示處為卵形韌匡的電子形貌持 征.(5單葩切率 韌窩花樣除了穿晶形之外還冇 沿晶也£前診曲主要是顯微空穴和空位優(yōu)先在晶界 處聚集與氏大使材料沿晶斷裂，具斷I形貌呈現(xiàn)沿晶 切窩形貌特征。例如圖8所示PCrNi3Mo鋼由于過熱 產(chǎn)生的沿晶切窩斷裂的顯微形貌持征.L2蛇行滑移對于多晶休金屬林料，由于受到較大的塑性變形， 產(chǎn)生交滑移，導致沿滑移面分離形成起伏彎曲的條 紋通常稱蛇行滑移花樣。蛇行花樣的形成是由于滑移面分離而形成新的表 面這個新表面的誠微特征常呈現(xiàn)蛇行滑移形態(tài)如 圖9e所示。

11、若變形繼續(xù)作用時，則晶體材料產(chǎn)生了額 外的滑移結果使蛇行滑移表面顯得較光滑這些衣面 呂成新的顯微形貌持征通常稱為波狀或漣波狀花樣. 如圖9d所示與此同時材料表面的中心部分再次產(chǎn) 生新的滑移面分離即形成/丹的蛇行滑移顯微形貌。 若變形繼續(xù)作用時則使波狀花樣的痕跡完全變得光 滑,其顯徽形貌呈現(xiàn)無持征形態(tài)通常稱為無持征區(qū), 如圖9c所示。與此同時,新的蛇行花樣變?yōu)樾碌臐i波 狀花樣與更新的蛇行花樣。蛇行花樣常常在純金'風材料中或韌性較好的合 金鋼中或材料的缺口底部均可產(chǎn)生。(a)圖10表示奧氏體不銹鋼在塑性變形時產(chǎn)生的蛇行 滑移花樣、漣波狀花樣及無特征區(qū)的電子圖象如箭頭所指示的區(qū)域。圖 8 P

12、CrNi3Mo 鋼 的過熱斷裂的沿 晶切窩花樣的電 子圖象箭頭指示 處為夾雜物粒子RTEI 5000 X圖9淆移變形所產(chǎn)生的蛇行滑移、漣破及無待征區(qū)的示意圖 ("品體試樣(b)單晶滑移(c)蛇行花樣(d)漣淡花憚無將征區(qū)3圖10奧氏體不鐫 鋼在塑性變形時產(chǎn) 生的蛇行滑移漣 波狀及無特征區(qū)花 樣的電子圖象如 箭頭所示RTEI 10000X2脆性斷裂的顯微形貌特征脆性斷裂包括穿晶脆性斷裂與沿晶腕性斷裂兩種 類型。勺關沿晶葩性斷裂形貌持征將在第八講中敘述. 本講座主要介紹穿晶型腕性斷裂的顯微形貌持征亦 即解理斷裂的顯做形貌特征。21解理臺階金屬及合金的解理斷裂很少是沿一個晶面發(fā)生 開裂的。

13、多數(shù)情況下，解理裂紋跨越若干個相耳平行的 解理面并以不連續(xù)的方式開裂。如果解理裂紋足沿蔭 個互相平行的解理面擴展則在兩個平行的解理面之 間可能產(chǎn)生解理臺階。另外當解理裂紋由個晶粒向 另個晶粒擴展時在兩個晶粒的交界處也將形成臺 階。圖11表示解理臺階形成機理的最簡單的模它 表示解理裂紋與踝位錯相交而產(chǎn)生一個原子間距的臺 階。這個臺階的形成與刃電位錯和螺型位錯相交而產(chǎn) 生的割階的原因相同形成解理臺階的另個機理是由于兩個不在同 一個晶面上的解理裂紋,產(chǎn)生二次解埋所形成的解理 臺階如圖12所示。如果兩個不在同一個晶面上的解理裂紋之間產(chǎn)生 較大的舉性變形其結果將導致塑性撕裂將這時形成 的兩個解理面之間的

14、連線稱之為撕裂脊線，如圖13所 示。另外在實際的解理面上即使足最初形成的解理 臺階隨君解理裂紋的匯熹其解理臺階的髙度也不斷 地降低解理臺階逐漸被撕裂脊線所代替，如圖14所 示。這時要把解理臺階與撕裂脊線明眾地分開是很難 的。冇關解理臺階、撕裂脊線等斷口形貌持征的電子 圖象如圖15所示。其中口色箭頭指示處為解理臺階，黑 色箭頭指示處為撕裂脊線.2.2河流花樣解理臺階及局部塑性形變形成的撕裂脊線所組合 的條紋其形狀類似地圖上的河流，因而被禰之為“河 流花樣”。它是解理斷口的最突岀的顯微形貌持征，如 圖16所示，其上具有明顯的河流花樣形貌待征,黑色箭 頭表示解理裂紋局部擴展方向。在通常悟況下河流花樣

15、起源丁晶界或李晶界處, 如圖17所示。河流花樣在裂紋擴展時傾向丁合并并指 出了解理裂紋的局部擴展方向其相反方向為河流裂 源的位暨.由于金屬和合金的結構只有在一個晶粒圍內才 是連續(xù)的，所以較平的解理面只能在一個晶粒內出現(xiàn), 并且以此反映岀晶粒的大小。當解理裂紋由個晶粒 向另個晶粒擴展穿過晶界時，若相鄰兩晶粒的位向 相澄不大時,則解理裂紋詢沿穿過晶界無扶改變，除非 在晶界上出現(xiàn)一些較大的臺階'若兩晶粒有較大的位 向差時則解理裂紋前沿常順若晶界擴展-段距離，以 ? 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. Al

16、l rights reserved. http:/人 61 理化檢驗一物理分冊Vol. 31 No. 6 (1995)便由一個解理方向轉向另一個解理方向.當解理裂紋越過傾斜品界時河流花樣呈現(xiàn)連續(xù) 變化由前一個晶粒的解理平面延伸到卜一個解理平 面如圖18所示,當解理裂紋越過扭轉晶界時河流花 樣呈現(xiàn)不連續(xù)變化，則在晶粒邊界上岀現(xiàn)許多小裂紋 或小臺階并在裂紋擴展過程中結合較大的裂紋或臺 階如圖19所示。小角度晶界與扭轉晶界無截然的不 同，因此在晶界或亞晶界處經(jīng)常可以觀察到河流花樣 的穿過或停止的兩種混合形態(tài)同時存在的現(xiàn)象如圖 20.21所示。2.3舌狀花樣解理斷口的另一個突出的顯微形貌特征,戲是舌

17、狀花樣。舌狀花樣般在鋼鐵材料的解理面上均可觀 察到其形狀象舌頭如圖22所示。舌狀花樣的形成是 由于解理裂紋沿著學品面112產(chǎn)生二次解理及局部 塑性形變撕裂或滑移的結畏如示意圖23所示當裂紋沿壬解理面100擴展時與學晶面相遇即解理裂 紋的擴贋方向發(fā)生偏離由原來在100晶面上擴展, 偏離到112晶面上擴展這時在100與仃12晶面之 間發(fā)生局部撕裂、或滑移、或二次解理所出現(xiàn)的相交 痕跡即形成舌狀花樣.圖15低合金鋼脆性 斷口上的解理臺階 如白色箭頭所示. 及撅裂脊線如用色 箭頭所示SEI 2500 X圖16解理斷口上的 討流花樣的電于圖 絞黑色箭頭發(fā)示 僻理裂紋場部擴展 方向RTEI 5000 X7

18、1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, # 理化檢驗一物理分冊Vol. 31 No. 6 (1995)71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 62 理化檢驗一物理分冊Vol. 31 No. 6 (1995)圖11解理臺階形成機理與付錯交割示意圖 C-S解理臺階S-D掾型位館dp裂紋擴羅方向p-c擴展平曲M17解理斷口上的 河流花樣起源于晶 界或

19、學品界上的電 子圖象暢頭拆示 方向為河流合并方 向即裂咬擴展方向 SEI 2500 X圖12兩個平行鮮理裂紋之間產(chǎn)生的 二次解理所形成的解理臺階圖18傾斜晶界與河花樣之間的關系圖14解理臺階MAS紋的擴展長漸向擴裂 脊線變化示童圖b解理面2.戰(zhàn)紋擴展方向3羽毛花樣4隼理臺階5晶界或學晶界71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Vol. 31 No 6 (1995)理化檢驗一物理分冊 63 71994-2014 China Academic Journal Electr

20、onic Publishing House. All rights resented, Vol. 31 No 6 (1995)理化檢驗一物理分冊 64 圖20 30Mn鋼解理 斷口，河瀝花樣合 并方向為裂紋擴毀 方向如箭頭所示 河流花樣通過品界 連續(xù)擴樓RTEI 5000 X圖24勢板用鋼解理 斷口 其上貝冇兩 組相互乘宜的舌狀 花樣如術頭所示 RTEI 8000 X圖 21 !8Cr2Ni4W iW斛理斷門河漫 花樣通過品界時. 呈現(xiàn)不連續(xù)擴晨. 河淹花樣合并方 向為裂紋擴展方 向如箭頭所示 RTEI 1000X圖25低合金銅解理 斯門其上具有凸 與凹型兩類舌狀花 佯如箭頭所示白 色為凸51

21、黑色為 凹型 RTEI 2500 X由于解理面100與李晶面間裂紋的擴展 方式不同因此形成了幾種不同類取的舌狀花樣。在鋼 鐵材料中，經(jīng)常觀察到的舌狀花樣為100與112>它 們之間夾角為35T&另外還有（112與（100-（*號 者李晶晶面描數(shù)）之間夾角為48。12'和112與 100V之間夾角為1252$的舌狀花樣。舌狀花樣在鋼鐵材料中往往成組出現(xiàn)例如24所 示 X兩組舌狀花樣相瓦垂點。舌狀花樣可能呈現(xiàn)凸狀 或凹狀兩種形式在兩個匹配斷口上的舌狀花樣的凸 凹情況是相對應的。舌狀花樣往往與河流花樣撕裂脊 線羽毛狀花樣等形貌持征同時出現(xiàn)如圖2527所 示.24其它花樣（1）扇

22、形花樣 僻理斯口的顯微形貌持征還有一 種被稱為“扇形”花樣或“羽毛狀”花樣。由于在很多的圖26 21Crl3鋼僑理 斷口 其上具有舌 狀花樣及河流花樣 兩種顯徽形獲特 征如箭頭所示 RTEI 2500 X圖27 42Mn2鋼解理斷 口 其上貝仔羽毛狀 花樣和舌狀花樣兩種 顯微彫覘符征如箭 頭指示部位RTEI 10000X圖22低碳鋼的解理 斯口的電子形規(guī). 其上具有舌狀花樣 形規(guī)掙征 RTEI 5000X圖23舌狀花樣形成機理示意fflUlOO與門】2之間先圖28低合金鋼解理 斷【1其上具有羽 毛狀或用形花樣顯 徽形錠持征SE1 2500 X圖 29 Fe-Cr-AI 合 金解理斷口 其上 具

23、有青角仔花樣 見徽形規(guī)特征SEI 25OOX材料中解理面并不是等軸的，而是沿著裂紋擴展方向伸長形成橢圓或狹長形的持征梵外觀類似扇形或羽毛狀，如圖28所示。角為35T6SABCDE方向為解理裂紋產(chǎn)生局部個離（下轉第47頁71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights resented, Vol. 31 No. 6 (1995)理化檢驗一物理分冊 47 網(wǎng)秋£«計欽馬氏休Q氏體 上臥氏體L化竊區(qū)+我余臭氏休區(qū)罰氏體區(qū)乜林1111111112111_I 1丄0246810)214)

24、618顯散硬皮測魚點(點何柜200pm)圖4齒部址微硬度分布曲線2結果分析從化學分析結果看蝸桿的實際碳含量偏高于 20Cr鋼近似于30Cr鋼但仍符合蝸桿的選材標準。 根據(jù)以上檢測結果分析，造成齒崩的主耍原因是，蝎桿 在滲碳時未根據(jù)蝸桿的兒何形狀和材質的性質等待點 嚴格制定滲碳工藝。由于蝸桿齒部齒頂寬僅2mm齒 高3mm加上30Cr材料中的Cr和Mn都是促進碳元 素吸收的合金元素。如果滲碳爐內碳勢過高或滲碳 時間未嚴格控制勢必造成蝸桿齒部表面滲碳濃度過 離滲層過深。滲碳時間長奧氏體晶粒粗大而Mn元 素的存在更加速了晶粒長大的速度。蝸桿滲破后，在隨后的淬火加熱過程中齒頂部表 面的網(wǎng)狀碳化物未能消除

25、。而次表層中的碳濃度又較 高齒部在淬火時冷速又快,即形成粗針狀馬氏體馬 氏體針的快速生長使針與針之間相互撞擊而導致大駅的馬氏體顯微裂紋蝸桿在工作狀態(tài)時齒部的工作面與滾珠的結合部 位應力集中持別是汽車在低速急轉彎時齒部會受到 較大的交變壓應力在反復的交變壓應力作用下馬氏 體中的顯微裂紋即會擴展'當裂紋擴展到網(wǎng)狀碳化物 時就會形成崩塊并卡入工作面造成轉向器操作失靈。3結論與措施滲碩時爐內碳勢偏島或滲淡時間太氏造成蝸桿 齒部滲碳濃度過奇滲層太深，晶粒粗大強切性下降。建議批嚴生產(chǎn)前對原材料進行化學成分檢驗，根 據(jù)原材料中合金元索的差異合理制定滲碳工藝。嚴格 控制滲碳爐內的碳勢濃度和滲碳時間悴火處理時應 適半延長保溫時間控制淬火加熱溫度使匸件內部碳 化物均勻化。精磨加工時應減少砂輪進給量防止工件 喪面過熱、激冷而產(chǎn)生工件表面徴裂紋.參考文獻1中國汽車技術研究中心標準化研究所中國汽車技術 標準第三冊2上海機械制適研究所金相分析技術上海科學技術 文獻岀版社.1987:4773谷南駒李 蘭理化檢険物理分冊，1980.16(4人2收稿日期：1995. 1.26.71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,