金屬斷裂分析
作者：發(fā)布時(shí)間 : 2024-12-27 類型：權(quán)威檢測標(biāo)簽： 認(rèn)證證書為了闡明斷裂的全過程（包括裂紋的生核和擴(kuò)展，以及環(huán)境因素對(duì)斷裂過程的影響等），提出種種微觀斷裂模型,以探討其物理實(shí)質(zhì),稱為斷裂機(jī)制。在斷口的分析中，各種斷裂機(jī)制的提出主要是以斷口的微觀形態(tài)為基礎(chǔ)，并根據(jù)斷裂性質(zhì)、斷裂方式以及同環(huán)境和時(shí)間因素的密切相關(guān)性而加以分類。
屬于不同斷裂機(jī)制的斷裂，其斷口微觀結(jié)構(gòu)各具有獨(dú)特的形貌特征。屬于不同基本斷裂機(jī)制的斷口所觀察到的典型微觀形貌，其物理本質(zhì)和斷口特征為：
沿晶脆性
沿晶脆性斷裂是指斷裂路徑沿著不同位向的晶界(晶粒間界)所發(fā)生的一種屬于低能吸收過程的斷裂。根據(jù)斷裂能量消耗最小原理，裂紋的擴(kuò)展路徑總是沿著原子鍵合力最薄弱的表面進(jìn)行。晶界強(qiáng)度不一定最低，但如果金屬存在著某些冶金因素使晶界弱化（例如雜質(zhì)原子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脫溶，或脆性相在晶界析出等等），則金屬將會(huì)發(fā)生沿晶脆性斷裂。沿晶脆性斷裂的斷口特征是:在宏觀斷口表面上有許多亮面,每個(gè)亮面都是一個(gè)晶粒的界面。如果進(jìn)行高倍觀察，就會(huì)清晰地看到每個(gè)晶粒的多面體形貌，類似于冰糖塊的堆集，故有冰糖狀斷口之稱；又由于多面體感特別強(qiáng)，故在三個(gè)晶界面相遇之處能清楚地見到三重結(jié)點(diǎn)。
沿晶脆性斷裂的發(fā)生在很大程度上取決于晶界面的狀態(tài)和性質(zhì)。實(shí)踐表明，提純金屬,凈化晶界,防止雜質(zhì)原子在晶界上偏聚或脫溶，以及避免脆性第二相在晶界析出等，均可以減少金屬發(fā)生沿晶脆性斷裂的傾向。因此,應(yīng)用X射線能譜分析法和俄歇電子能譜分析法確定沿晶斷裂面的化學(xué)成分，對(duì)從冶金因素來認(rèn)識(shí)材料的致脆原因，提出改進(jìn)工藝措施有指導(dǎo)意義。
解理斷裂
屬于一種穿晶脆性斷裂，根據(jù)金屬原子鍵合力的強(qiáng)度分析，對(duì)于一定晶系的金屬，均有一組原子鍵合力最弱的、在正應(yīng)力下容易開裂的晶面，這種晶面通常稱為解理面。例如：屬于立方晶系的體心立方金屬,其解理面為{100}晶面；六方晶系為{0001}；三角晶系為{111}。一個(gè)晶體如果是沿著解理面發(fā)生開裂,則稱為解理斷裂。面心立方金屬通常不發(fā)生解理斷裂（見晶體結(jié)構(gòu)）。
解理斷裂的特點(diǎn)是:斷裂具有明顯的結(jié)晶學(xué)性質(zhì),即它的斷裂面是結(jié)晶學(xué)的解理面{hkl},裂紋擴(kuò)展方向是沿著一定的結(jié)晶方向〈uvw〉。為了表示這種結(jié)晶學(xué)性質(zhì),通常用解理系統(tǒng){hkl}〈uvw〉來描述。對(duì)于體心立方金屬，已觀察到的解理系統(tǒng)有{100}<001>，{100}〈011〉等。解理斷口的特征是宏觀斷口十分平坦，而微觀形貌則是由一系列小裂面(每個(gè)晶粒的解理面)所構(gòu)成。在每個(gè)解理面上可以看到一些十分接近于裂紋擴(kuò)展方向的階梯，通常稱為解理階。解理階的形態(tài)是多種多樣的，同金屬的組織狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的變化有關(guān)。其中所謂“河流花樣”是解理斷口的最基本的微觀特征。河流花樣解理階的特點(diǎn)是：支流解理階的匯合方向代表斷裂的擴(kuò)展方向；匯合角的大小同材料的塑性有關(guān)，而解理階的分布面積和解理階的高度同材料中位錯(cuò)密度和位錯(cuò)組態(tài)有關(guān)。因此，通過對(duì)河流花樣解理階進(jìn)行分析，就可以幫助我們尋找主斷裂源的位置，判斷金屬的脆性程度，和確定晶體中位錯(cuò)密度和位錯(cuò)容量。
準(zhǔn)解理斷裂
也是一種穿晶斷裂。根據(jù)蝕坑技術(shù)分析表明，多晶體金屬的準(zhǔn)解理斷裂也是沿著原子鍵合力最薄弱的晶面（即解理面）進(jìn)行。例如：對(duì)于體心立方金屬（如鋼等），準(zhǔn)解理斷裂也基本上是{100}晶面,但由于斷裂面上存在較大程度的塑性變形（見范性形變），故斷裂面不是一個(gè)嚴(yán)格準(zhǔn)確的解理面。
準(zhǔn)解理斷裂首先在回火馬氏體等復(fù)雜組織的鋼中發(fā)現(xiàn)。對(duì)于大多數(shù)合金鋼（如Ni-Cr鋼和Ni-Cr-Mo鋼等），如果發(fā)生斷裂的溫度剛好在延性－脆性轉(zhuǎn)變溫度的范圍內(nèi)，也常出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂。從斷口的微觀形貌特征來看,在準(zhǔn)解理斷裂中每個(gè)小斷裂面的微觀形態(tài)頗類似于晶體的解理斷裂，也存在一些類似的河流花樣，但在各小斷裂面間的連結(jié)方式上又具有某些不同于解理斷裂的特征，如存在一些所謂撕裂嶺等。撕裂嶺是準(zhǔn)解理斷裂的一種最基本的斷口形貌特征。準(zhǔn)解理斷裂的微觀形貌的特征，在某種程度上反映了解理裂紋與已發(fā)生塑性變形的晶粒間相互作用的關(guān)系。因此，對(duì)準(zhǔn)解理斷裂面上的塑性應(yīng)變進(jìn)行定量測量，有可能把它同斷裂有關(guān)的一些力學(xué)參數(shù)如：屈服應(yīng)力、解理應(yīng)力和應(yīng)變硬化參數(shù)等聯(lián)系起來。
韌窩斷裂
金屬多晶材料的斷裂，通過空洞核的形成、長大和相互連接的過程進(jìn)行,這種斷裂稱為韌窩斷裂(dimple fracture)。韌窩斷裂是屬于一種高能吸收過程的延性斷裂。其斷口特征為：宏觀形貌呈纖維狀，微觀形態(tài)呈蜂窩狀,斷裂面是由一些細(xì)小的窩坑構(gòu)成,窩坑實(shí)際上是長大了的空洞核，通常稱為韌窩，它是韌窩斷裂的最基本形貌特征和識(shí)別韌窩斷裂機(jī)制的最基本依據(jù)。系統(tǒng)的觀察表明，韌窩的尺寸和深度同材料的延性有關(guān)，而韌窩的形狀則同破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。由于應(yīng)力狀態(tài)不同，相應(yīng)地在相互匹配的斷口偶合面上，其韌窩形狀和相互匹配關(guān)系是不同的。a為等軸型韌窩，韌窩形成的應(yīng)力狀態(tài)為均勻應(yīng)變型；b為同向伸長韌窩，伸長方向平行于斷裂方向,其應(yīng)力狀態(tài)為拉伸撕裂型；c為異向伸長型韌窩，伸長方向平行于斷裂方向，其應(yīng)力狀態(tài)為刃滑動(dòng)型；d為同向伸長韌窩,但伸長方向垂直于斷裂方向，其應(yīng)力狀態(tài)為螺滑動(dòng)型。除了上述四種基本的韌窩形狀外,還存在混合應(yīng)力狀態(tài)下所形成的韌窩,理論分析表明，最低限度有14種,其中8種已從實(shí)驗(yàn)觀察到。斷口分析
由于韌窩的形狀與應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，故對(duì)斷口耦合面上相嚙合部位的韌窩形狀、尺寸和深度進(jìn)行分析，就可以確定斷裂時(shí)所在部位的應(yīng)力狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展的方向，并對(duì)材料的延性進(jìn)行評(píng)價(jià)。還有其他斷裂的機(jī)制如：疲勞、蠕變和應(yīng)力腐蝕斷裂等。
