沿晶脆性断裂
裂纹沿晶粒界面扩展而造成金属材料的脆断称为沿晶脆性断裂。金属学理论通常认为晶界是强化因素，即晶界的键合力高于晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶脆断。通常情况下造成晶界弱化的基本原因有两方面，一是材料本身的原因，另一方面是环境介质或高温的促进作用。
一、沿晶脆性断裂的特征
这类脆断的特征为其断口在宏观上呈细颗粒状，有时能观察到放射条纹，断口微观形貌呈冰糖状，如图一所示。
图一沿晶断裂形貌
二、常见沿晶断裂按其引起晶界弱化的原因分为以下这几种。
1）晶界沉淀相造成的沿晶断裂这类沿晶断裂是由晶界的夹杂和第二相沉淀所造成的，晶界上的析出相通常是不连续的，呈球状、棒状或树枝状，有时覆盖面可达50%以上的晶界面积，晶界沉淀相越多，断裂应力越低。结构钢的过热断口就是一个典型的例子。在钢的热处理过程中，如奥氏体加热温度极高（约1300℃）时，钢中的MnS夹杂融入固溶体中，在随后的缓慢冷却时，细小的硫化锰在原奥氏体晶界上析出，使晶界强度下降。用铝脱氧的钢中含有较多的氮化铝，当从高于1300℃温度慢冷，氮化铝夹杂将在奥氏体晶界上沉淀，导致韧性降低，产生沿晶脆断。马氏体时效钢的热脆现象，主要是钛的碳氮化物在晶界沉淀析出所引起。不锈钢中的晶界碳化物（如Cr23C6）也会导致沿晶断裂。
2）杂志元素在晶界偏聚造成沿晶脆断杂质元素在晶界上偏聚造成晶界弱化，主要有元素周期表中的Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ族的主族元素，如Si、Ge、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te等。低合金钢的第二类回火脆性是杂质元素偏聚导致晶界弱化的一个典型实例，合金钢在回火后慢冷或在375-560℃保温会产生晶界脆化和沿晶断裂，目前较公认的机理是在回火过程中，杂质元素P、S向晶界处扩散而偏聚，导致晶界弱化。另外，某些金属元素在晶界偏聚也可引起沿晶脆断，如铜脆、镉脆等。
3）环境介质浸蚀而引起的沿晶断裂这类断裂主要有高强度钢的氢脆、应力腐蚀。
4）高温下的沿晶断裂常见的高温下引起的沿晶开裂，主要有焊接热裂纹、磨削裂纹、蠕变断裂等。对于蠕变断裂，在等强温度（晶界强度=晶内强度）以上产生沿晶断裂，在等强温度以下由于外应力较大，断裂时间短，常为穿晶断裂。
金属断裂机理完整版Newly compiled on November 23, 2020
金属断裂机理 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种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。 根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。 多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。 按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属、合金处于低温或冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说（比如铝），在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。 通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。
金属的断裂条件及断口 金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和发展的过程。 1. 断裂的类型 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。 韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。 2. 断裂的方式 根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。 3. 断裂的形式 裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
机器零件断裂后不仅完全丧失服役能力，而且还可能造成不应有的经济损失及伤亡事故。断裂是机器零件最危险的失效形式。按断裂前是否产生塑性变形和裂纹扩展路径做如下分类。 韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色纤维状，有大量塑性变形的痕迹。脆性断裂则相反，断裂前从宏观来看无明显塑性变形积累，断口平齐而发亮，常呈人字纹或放射花样。 宏观脆性断裂是一种危险的突然事故。脆性断裂前无宏观塑性变形，又往往没有其他预兆，一旦开裂后，裂纹迅速扩展，造成严重的破坏及人身事故。因而对于使用有可能产生脆断的零件，必须从脆断的角度计算其承载能力，并且应充分估计过载的可能性。. 金属材料产生脆性断裂的条件 （1）温度任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。 （2）缺陷材料韧性裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。裂纹长度裂纹越长，越容易发生脆性断裂。缺陷尖锐程度越尖锐，越容易发生脆性断裂。 （3）厚度钢板越厚，冲击韧性越低，韧-脆性转变温度越高。原因：（A）越厚，在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大，
金属断裂机理 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种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。 根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。 多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。 按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属、合金处于低温或冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说（比如铝），在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。 通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。 剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。 根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂。
金属断裂机理 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种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。 根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂 与脆性断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%为脆性断裂；大于5%为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。 多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。 按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属、合金处于低温或冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说（比如铝），在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。 通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。 剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。 根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂; 断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂。 按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为静载断裂（如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等）、冲击断裂、疲劳断裂;根据环境不同又分为低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀和氢脆断裂；而磨损和接触疲劳则为一种不完全断裂。
金属断裂的微观机制及显微特征 金属断裂的微观机制为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素 对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。 属于不同断裂机制的断裂，其断口微观结构各具有独特的形貌特征。 基本脱落机制的典型微观形貌：a沿晶脆性断裂b霰石脱落c科东俄霰石脱落d韧窝 脱落]属相同基本脱落机制的断口所观测至的典型微观形貌，其物理本质和断口特征为： 沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸 收过程的断裂。根据断裂能量消耗最小原理，裂纹的扩展路径总是沿着原子键合力最薄弱 的表面进行。晶界强度不一定最低，但如果金属存在着某些冶金因素使晶界弱化（例如杂 质原子p、s、si、sn等在晶界上偏聚或脱溶，或脆性相在晶界析出等等），则金属将会 发生沿晶脆性断裂。沿晶脆性断裂的断口特征是:在宏观断口表面上有许多亮面,每个亮面 都是一个晶粒的界面。如果进行高倍观察，就会清晰地看到每个晶粒的多面体形貌类似于 冰糖块的堆集，故有冰糖状断口之称；又由于多面体感特别强，故在三个晶界面相遇之处 能清楚地见到三重结点。 沿晶脆性断裂的出现在非常大程度上依赖于晶界面的状态和性质。课堂教学说明，纯 化金属,净化晶界,避免杂质原子在晶界上偏聚或退溶，以及防止脆性第二相在晶界划出等，均可以增加金属出现沿晶脆性断裂的女性主义。因此,应用领域x射线能谱分析法和俄歇 电子能谱分析法确认沿晶脱落面的化学成分，对从冶金因素去重新认识材料的致脆原因， 明确提出改良工艺措施存有指导意义。 微观形态：在沿晶脆性断口上，几乎没有塑性变形的痕迹或仅看到极少的韧窝。例如，过烧后的断口，就是沿晶界氧化物薄膜发生的一种沿晶脆性断裂。另外，18-8奥氏体不锈钢沿晶界大量析出碳化物后，也易产生沿晶脆断；沿晶界化学腐蚀和应力腐蚀（包括氢脆）后产生的断口，也都是沿晶脆性断口。属于这类断口的还有层状断口和撕痕状断口等。 霰石脱落属一种穿着晶脆性断裂，根据金属原子键合力的强度分析，对于一定晶系的 金属，均存有一组原子键合力最强的、在也已形变下难脱落的晶面，这种晶面通常称作解 理面。比如：属立方晶系的体心立方金属,其解理面为{100}晶面；六方晶系为{0001}；三 角晶系为{111}。一个晶体如果就是沿着解理面出现脱落,则称作霰石脱落。面心立方金属 通常不出现霰石脱落（见到晶体结构）。霰石脱落的特点就是:脱落具备显著的结晶学性质,即为它的脱落面就是结晶学的解理面{},裂纹拓展方向就是沿着一定的结晶方向〈〉。 为了则表示这种结晶学性质,通常用霰石系统{}〈〉去叙述。对于体心立方金属，已观测 至的霰石系统存有{100}，{100}〈011〉等。霰石断口的特征就是宏观断口十分平缓，而 微观形貌则就是由一系列小裂面(每个晶粒的解理面)所形成。在每个解理面上可以看见一 些十分吻合于裂纹拓展方向的阶梯，通常称作霰石阶。
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理 按断裂的途径，断口可分为穿晶断裂和沿晶断裂两大类。穿晶断裂又分为穿晶韧性断裂和穿晶解理断裂（其中包括准解理断裂）。沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂。下面分别加以讨论。 1.穿晶断口 （1）穿晶韧窝型断口断裂穿过晶粒内部，由大量韧窝的成核、扩展、连接而形成的一种断口。 宏观形貌：在拉伸试验情况下，总是先塑性变形，引起缩颈，然后在缩颈部位裂纹沿与外力垂直的方向扩展，到一定程度后失稳，沿与外力成45°方向快速发展至断裂。众所周知，这种断口称为杯锥状断口。断口表面粗糙不平，无金属光泽，故又称为纤维状断口。 微观形态：在电子显微镜和扫描电镜下观察，断口通常是由大量韧窝连接而成的。每个韧窝的底部往往存在着第二相（包括非金属夹杂）质点。第二相质点的尺寸远小于韧窝的尺寸。韧窝形成的原因一般有两种形成情况： 1）韧窝底部有第二相质点的情况。由于第二相质点与基体的力学性能不同（另外，还 有第二相质点与基体的结合能力、热膨胀系数、第二相质点本身的大小、形状等的影响），所以在塑性变形过程中沿第二相质点边界（或穿过第二相质点）易形成微孔裂纹的核心。在应力作用下，这些微孔裂纹的核心逐渐长大，并随着塑性变形的增加，显微孔坑之间的连接部分逐渐变薄，直至最后断裂。图3-41是微孔穿过第二相质点的示意图。若微孔沿第二相点边界成核、扩展形成韧窝型裂纹后，则第二相质点留在韧窝的某一侧。 2）在韧窝的底部没有第二相质点存在的情况。韧窝的形成是由于材料中原来有显微孔穴或者是由于塑性变形而形成的显微孔穴，这些显微孔穴随塑性变形的增大而不断扩展和相互连接，直至断裂。这种韧窝的形成往往需要进行很大的塑性变形后才能够实现。因此，在这类断口上往往只有少量的韧窝或少量变形状韧窝，有的甚至经很大的塑性变形后仍见不到韧窝。当变形不大时，断口呈波纹状或蛇形花样，而当变形很大时，则为无特征的平面。 韧窝的形状与应力状态有较大关系。由于试样的受力情况可能是垂直应力、切应力或由弯矩引起的应力，这三种情况下韧窝的形状是不一样的。 （2）解理与准解理断口 1）解理断口。断裂是穿过晶粒、沿一定的结晶学平面（即解理面）的分离，特别是在低温或快速加载条件下。解理断裂一般是沿体心立方晶格的｛100｝面，六方晶格的｛0001｝面发生的。 宏观形貌：解理断裂的宏观断口叫法很多，例如称为“山脊状断口”、“结晶状断口”、以及“萘状断口”等（见图片3-53）。山脊状断口的山脊指向断裂源，可根据山脊状正交曲线群判定断裂起点和断裂方向。萘状断口上有许多取向不同、比较光滑的小平面，它们象条晶体一样闪闪发光。这些取向不同的小平面与晶粒的尺寸相对应，反映了金属晶粒的大小。微观形态：在电子显微镜下观察时，解理断口呈“河流花样”和“舌状花样”。 2）准解理断口。这种断口在低碳钢中最常见。前述的结晶状断口就是准解理断口，它在宏
断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。 根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。 多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。 按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。 剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。 根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂。 按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为静载断裂(如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等)、冲击断裂、疲劳断裂；根据环境不同又分为低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀和氢脆断裂；而磨损和接触疲劳则为一种不完全断裂。 常用的断裂分类方法及其特征见下。 由于脆性断裂是一种“爆发病”，常导致灾难性后果，而绝大多数的断裂又因疲劳而引起。 断裂分类及其特征
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种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。 根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。 多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。 按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。 通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。 剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是
典型的金属沿晶断裂的微观断口 一、概述 金属材料是工程材料中的重要一类，其力学性能与微观结构密切相关。在金属材料断裂过程中，沿晶断裂是一种常见现象，其微观断口形貌 对材料的力学性能和断裂机制有重要影响。本文将围绕典型的金属沿 晶断裂的微观断口展开讨论。 二、金属沿晶断裂的基本概念 1. 沿晶断裂是指金属材料在断裂过程中，裂纹沿晶粒界面扩展，而不 是穿过晶粒内部。沿晶断裂通常发生在结构不均匀、晶粒尺寸较大的 金属材料中。 2. 在金属沿晶断裂的过程中，裂纹先经过晶粒边界处的位错团聚区， 由于位错堆积和局部应力集中，导致裂纹继续沿晶粒界面扩展。 三、金属沿晶断裂的特征 1. 微观断口形貌 典型的金属沿晶断裂的微观断口呈现出沿晶晶粒界面扭曲、剥离的特征。在断口上可以观察到明显的晶粒边界和晶界气孔。 2. 显微组织观察 通过金相显微镜等手段观察金属沿晶断裂的微观结构，可以发现断口
附近晶粒边界处的位错裙积、晶界气孔等特征。 3. 断口形貌分析 沿晶断裂的断口形貌具有一定的规律性，可以通过扫描电镜等手段对 其进行形貌分析和特征识别。 四、金属沿晶断裂的影响因素 1. 晶界特征 金属晶界的取向、结构和清晰度等特征对沿晶断裂的发生和扩展起着 重要作用。 2. 应力状态 外界加载条件对金属沿晶断裂的影响很大，尤其是在动态加载条件下，应力波的传播对沿晶裂纹的扩展有重要影响。 3. 化学成分 金属材料的化学成分会影响晶界的稳定性和塑性变形行为，进而影响 沿晶裂纹的扩展路径和形貌。 五、典型案例分析 通过对金属材料沿晶断裂的典型案例进行分析，可以更深入地理解其 微观断口特征和力学性能表现。
金属断裂的微观机制为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。 属于不同断裂机制的断裂，其断口微观结构各具有独特的形貌特征。 基本断裂机制的典型微观形貌：a沿晶脆性断裂 b 解理断裂c 准解理断裂 d 韧窝断裂] 属于不同基本断裂机制的断口所观察到的典型微观形貌，其物理本质和断口特征为： 沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸收过程的断裂。根据断裂能量消耗最小原理，裂纹的扩展路径总是沿着原子键合力最薄弱的表面进行。晶界强度不一定最低，但如果金属存在着某些冶金因素使晶界弱化（例如杂质原子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脱溶，或脆性相在晶界析出等等），则金属将会发生沿晶脆性断裂。沿晶脆性断裂的断口特征是:在宏观断口表面上有许多亮面,每个亮面都是一个晶粒的界面。如果进行高倍观察，就会清晰地看到每个晶粒的多面体形貌类似于冰糖块的堆集，故有冰糖状断口之称；又由于多面体感特别强，故在三个晶界面相遇之处能清楚地见到三重结点。 沿晶脆性断裂的发生在很大程度上取决于晶界面的状态和性质。实践表明，提纯金属,净化晶界,防止杂质原子在晶界上偏聚或脱溶，以及避免脆性第二相在晶界析出等，均可以减少金属发生沿晶脆性断裂的倾向。因此,应用X射线能谱分析法和俄歇电子能谱分析法确定沿晶断裂面的化学成分，对从冶金因素来认识材料的致脆原因，提出改进工艺措施有指导意义。 微观形态：在沿晶脆性断口上，几乎没有塑性变形的痕迹或仅看到极少的韧窝。例如，过烧后的断口，就是沿晶界氧化物薄膜发生的一种沿晶脆性断裂。另外，18-8奥氏体不锈钢沿晶界大量析出碳化物后，也易产生沿晶脆断；沿晶界化学腐蚀和应力腐蚀（包括氢脆）后产生的断口，也都是沿晶脆性断口。属于这类断口的还有层状断口和撕痕状断口等。 解理断裂属于一种穿晶脆性断裂，根据金属原子键合力的强度分析，对于一定晶系的金属，均有一组原子键合力最弱的、在正应力下容易开裂的晶面，这种晶面通常称为解理面。例如：属于立方晶系的体心立方金属,其解理面为{100}晶面；六方晶系为{0001}；三角晶系为{111}。一个晶体如果是沿着解理面发生开裂,则称为解理断裂。面心立方金属通常不发生解理断裂（见晶体结构）。 解理断裂的特点是:断裂具有明显的结晶学性质,即它的断裂面是结晶学的解理面{ },裂纹扩展方向是沿着一定的结晶方向〈〉。为了表示这种结晶学性质,通常用解理系统{ }〈〉来描述。对于体心立方金属，已观察到的解理系统有 {100} <001>，{100}〈011〉等。解理断口的特征是宏观断口十分平坦，而微观形貌则是由一系列小裂面(每个晶粒的解理面)所构成。在每个解理面上可以看到一些十分接近于裂纹扩展方向的阶梯，通常称为解理阶。 解理阶的形态是多种多样的，同金属的组织状态和应力状态的变化有关。其中所谓“河流花样”是解理断口的最基本的微观特征。河流花样解理阶的特点是：支
沿晶脆性断裂 裂纹沿晶粒界面扩展而造成金属材料的脆断称为沿晶脆性断裂。金属学理论通常认为晶界是强化因素，即晶界的键合力高于晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶脆断。通常情况下造成晶界弱化的基本原因有两方面，一是材料本身的原因，另一方面是环境介质或高温的促进作用。 一、沿晶脆性断裂的特征 这类脆断的特征为其断口在宏观上呈细颗粒状，有时能观察到放射条纹，断口微观形貌呈冰糖状，如图一所示。 图一沿晶断裂形貌 二、常见沿晶断裂按其引起晶界弱化的原因分为以下这几种。 1）晶界沉淀相造成的沿晶断裂这类沿晶断裂是由晶界的夹杂和第二相沉淀所造成的，晶界上的析出相通常是不连续的，呈球状、棒状或树枝状，有时覆盖面可达50%以上的晶界面积，晶界沉淀相越多，断裂应力越低。结构钢的过热断口就是一个典型的例子。在钢的热处理过程中，如奥氏体加热温度极高（约1300℃）时，钢中的MnS夹杂融入固溶体中，在随后的缓慢冷却时，细小的硫化锰在原奥氏体晶界上析出，使晶界强度下降。用铝脱氧的钢中含有较多的氮化铝，当从高于1300℃温度慢冷，氮化铝夹杂将在奥氏体晶界上沉淀，导致韧性降低，产生沿晶脆断。马氏体时效钢的热脆现象，主要是钛的碳氮化物在晶界沉淀析出所引起。不锈钢中的晶界碳化物（如Cr23C6）也会导致沿晶断裂。 2）杂志元素在晶界偏聚造成沿晶脆断杂质元素在晶界上偏聚造成晶界弱化，主要有元素周期表中的Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ族的主族元素，如Si、Ge、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te等。低合金钢的第二类回火脆性是杂质元素偏聚导致晶界弱化的一个典型实例，合金钢在回火后慢冷或在375-560℃保温会产生晶界脆化和沿晶断裂，目前较公认的机理是在回火过程中，杂质元素P、S向晶界处扩散而偏聚，导致晶界弱化。另外，某些金属元素在晶界偏聚也可引起沿晶脆断，如铜脆、镉脆等。 3）环境介质浸蚀而引起的沿晶断裂这类断裂主要有高强度钢的氢脆、应力腐蚀。
沿晶断裂和穿晶断裂的定义和特点 沿晶断裂和穿晶断裂是材料力学中常见的两种断裂行为，它们在材料科学和工程领域具有重要意义。本文将重点探讨沿晶断裂和穿晶断裂的定义和特点，并对其进行深入分析。 一、沿晶断裂的定义和特点 1. 定义： 沿晶断裂是指在金属晶体中发生断裂时，断裂沿晶界的方向扩展。晶体中的晶界是相邻晶粒之间的界面，其结构和性质通常与晶粒内部有所不同。沿晶断裂常常发生在多晶材料中，特别是那些具有细小晶粒的材料。 2. 特点： （1）断裂路径：沿晶断裂具有跨越多个晶粒的特点，断裂路径主要沿着晶界走向扩展。相邻晶粒之间的晶界可以作为裂纹传播的路径，因为晶界往往是材料中的弱点之一。 （2）断裂模式：晶体的性质通常在晶界处发生变化，这可能导致断裂行为的变化。沿晶断裂往往伴随着晶界附近的局部剪切变形或晶界滑移等变形机制。 （3）裂纹行为：沿晶断裂通常与裂纹的扩展有关。裂纹在晶粒内部扩
展到晶界处时，会沿着晶界扩展，形成沿晶裂纹。沿晶裂纹的扩展路径可能会受到晶界的制约，从而影响断裂的传播路径和方式。 二、穿晶断裂的定义和特点 1. 定义： 穿晶断裂是指在金属晶体中发生断裂时，断裂裂纹穿过晶粒而不沿晶界扩展。与沿晶断裂相比，穿晶断裂更多地发生在具有大晶粒的材料中。 2. 特点： （1）断裂路径：穿晶断裂的断裂路径主要穿越晶粒内部，而不经过晶界。这意味着断裂裂纹并不受晶界的制约，可以自由扩展。 （2）断裂模式：穿晶断裂通常伴随着晶粒内部的剪切、拉伸等变形机制。裂纹在晶粒内部扩展时，可能引发晶粒内部滑移、塑性变形等变形行为。 （3）裂纹行为：穿晶断裂中的裂纹通常会在晶粒内部扩展，无论晶界的性质如何，裂纹都会穿过晶粒，形成穿晶裂纹。由于穿晶裂纹不受晶界影响，裂纹的扩展路径和方式更加自由。 三、沿晶断裂和穿晶断裂的区别 沿晶断裂和穿晶断裂在断裂行为方面有明显的区别：
沿晶断裂和穿晶断裂的定义和特点 一、引言 在材料学中，断裂是一个非常重要的概念。断裂是指材料在受到外力 作用下，发生破裂现象。在材料的使用过程中，断裂会导致材料的失效，因此对于断裂的研究具有重要意义。沿晶断裂和穿晶断裂是两种 常见的断裂形式，在本文中将对这两种断裂进行详细介绍。 二、沿晶断裂的定义和特点 1. 定义 沿晶断裂是指在晶粒内部发生的破坏现象。在沿晶断裂中，破坏一般 从晶粒边界开始，并沿着晶粒边界扩展。当外力作用导致应力集中时，会导致沿着晶界产生微小的开口或者微小的位移。这些微小的开口和 位移会随着应力增加而逐渐扩大，最终导致材料破坏。 2. 特点 (1) 沿晶断裂通常发生在高温下。这是因为在高温下，材料内部原子具有更高的扩散能力，容易形成大量位错和空位，从而导致沿晶断裂的 发生。 (2) 沿晶断裂通常发生在材料的弱点处。这是因为在弱点处，应力集中会更加明显，容易导致沿晶断裂的发生。 (3) 沿晶断裂是一种韧性破坏模式。这是因为在沿晶断裂中，破坏从晶
粒边界开始，并沿着晶粒边界扩展，可以吸收大量的能量。 三、穿晶断裂的定义和特点 1. 定义 穿晶断裂是指在材料内部发生的破坏现象。在穿晶断裂中，破坏不仅限于沿着晶粒边界扩展，还可以穿过整个晶粒。当外力作用导致应力集中时，会导致材料内部产生微小的开口或者微小的位移。这些微小的开口和位移会随着应力增加而逐渐扩大，最终导致材料破坏。 2. 特点 (1) 穿晶断裂通常发生在低温下。这是因为在低温下，材料内部原子具有更小的扩散能力，容易形成大量位错和空位，从而导致穿晶断裂的发生。 (2) 穿晶断裂通常发生在材料的强点处。这是因为在强点处，应力集中会更加明显，容易导致穿晶断裂的发生。 (3) 穿晶断裂是一种脆性破坏模式。这是因为在穿晶断裂中，破坏不仅限于沿着晶粒边界扩展，而是可以穿过整个晶粒，在短时间内释放大量能量。 四、沿晶断裂和穿晶断裂的区别 沿晶断裂和穿晶断裂的最大区别在于破坏的方式不同。沿着晶粒边界扩展的破坏属于韧性破坏，可以吸收大量能量；而穿过整个晶粒的破坏属于脆性破坏，释放大量能量。此外，在发生时间、温度等方面也
金属脆性断裂失效现象 近百年来，随着金属材料的广泛应用，曾频繁出现过不少重大的工程断裂事故，包括桥梁、储气和储油罐、管道、转子、轮船、导弹发动机壳体的断裂等，造成严重的后果和重大的经济损失。 通过对大量脆性断裂现象的分析与考查，脆性断裂的主要特征有： 1、零件断成两部分或碎成多块； 2、断裂后的残片能很好地拼凑复原，断口能很好地吻合，在断口附近没有宏观的塑性变形迹象； 3、脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，因此，人们把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”； 4、脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始； 5、温度降低，脆断倾向增加； 6、脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹； 7、一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速，因此带来的后果常常是灾难性的； 8、高强度钢可能发生脆性断裂，在比较低的温度下，中、低强度钢也可能发生脆性断裂。脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。 金属脆性断裂失效原因分析 1、应力分布 最大拉应力与最大切应力对形变和断裂起不同作用。最大切应力促进塑性变形，是位错移动的推动力，而最大拉应力则只促进脆性裂纹的扩展。当零件存在缺陷(如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等)或零件的截面突然变化，这些部位往往引起应力集中而使应力分布不均匀，即造成三向拉应力状态，极易导致脆性断裂。因此，应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是造成金属零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。材料的应力状态越严重，则发生解理断裂的倾向性越大。 2、温度 温度降低会引起材质本身的性能变化，如钢的屈服应力随温度降低而增加，韧性下降，解理应力也随着下降。对某些体心立方金属及合金，由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错，特别在低温下，这种结构的螺位错难以交滑移，使得派-纳力（在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力）随温度的降低迅速升高，这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高即对温度产生强烈依赖关系，并因此导致材料脆化的主要原因。 金属零件发生低温脆断的基本条件：一是所用材料属于冷脆金属；二是环境温度较低，即零件处在脆性转变温度T c以下的环境中工作；三是零件的几何尺寸较大，即处在平面应变状态。