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。
常用的断裂分类方法及其特征见下表：
分类方法名称特征
根据断裂前塑性脆性断裂断裂前没有明显的塑性变形，断口形貌是光亮的结晶状
变形大小分类韧性断裂断裂前产生明显的塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状
根据断裂面的取正断断裂的宏观表面垂直于σ max方向向分类切断断裂的宏观表面平行于τ max方向
根据裂纹扩展途穿晶断裂裂纹穿过晶粒内部
径分类沿晶断裂裂纹沿晶界扩展
无明显塑性变形
解理断裂
沿解理面分离，穿晶断裂
沿晶界微孔聚合，沿晶断裂
根据断裂机理分
微孔聚集型断裂
类在晶内微孔聚合，穿晶断裂
沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）
纯剪切断裂
通过缩颈导致最终断裂（多晶体、高纯金属）
2微孔聚合断裂机制
2.1 相关概念
定义：微孔聚合型断裂过程是在外力作用下，在夹杂物、第二相粒子与基体的界面处，或在晶界、孪晶带、相界、大量位错塞积处形成微裂纹，因相邻微裂纹的聚合产生可见微孔洞，以后孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂。
微孔萌生的时间：若材料中第二相与基体结合强度低，在颈缩之前；反之，
在颈缩之后。微孔萌生成为控制马氏体时效钢断裂过程的主要环节。
微孔聚合型断裂形成的韧窝有三种：
1）拉伸型等轴状韧窝；
2）剪切型伸长韧窝；
3）拉伸撕裂型伸长韧窝。
韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量、分布以及基体的塑性变形能力，如第二相较少、分布均匀且基体塑性变形能力又强，那么韧窝大而深；若基体的加工硬化能力很强，韧窝大而浅。
2.2 断口形貌特征
A 种 (15 mA cm - 2)变体钢断裂面的形貌--- 兼有微孔聚合断裂和解理断裂
B (30 mA cm - 2) 种变体钢断裂面形貌--- 兼有韧窝和二次裂纹
以上图片是对“ 800 C –Mn –Si 超强度钢（ TRIP 800 steels ）”的 A、B
两种变体钢试样进行拉伸试验的断口形貌，括号中标注的是实验具体使用的电流密度值。
本实验研究氢含量对 TRIP 800 steels 性质和断口形貌的影响，上面图 2-1 说明氢含量高使得断口表现出了较多较浅的韧窝，韧窝浅因为氢脆效应降低了材料的塑性变形能力。另外，图 2-2 是在加入了氢吸收促进剂之后的断裂形貌，除了有韧窝出现，还有了二次断裂，并且产生于夹杂物（即氢吸收促进剂）旁边。
2.3 微孔聚合断裂机制
微孔聚集断裂为剪切断裂的一种形式，微孔聚集断裂是材料韧性断裂的
普遍形式，其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微断口特征花样则是端
口上分布大量“韧窝”，微孔聚集断裂过程包括微孔形核、长大、聚合直至
断裂。
微孔聚合断裂过程
由于应力状态或加载方式的不同，微孔聚合型断裂所形成的韧窝有三种类型：
(1)拉伸型的等轴状韧窝。裂纹扩展方向垂直于最大主应力σmax，σmax是均匀分布
于断裂平面上，拉伸时呈颈缩的试样中心部分就显示这种韧窝状。
(2)剪切型的伸长韧窝。在拉伸试样的边缘，两侧均由剪应力切断，显示这种韧
窝形状，韧窝很大如卵形，其上下断面所显示的韧窝，其方向是相反的。
(3)拉伸撕裂的伸长韧窝。产生这种韧窝的加载方式有些和等轴状韧窝类似，但
是等轴状韧窝可以认为是在试样中心加拉伸载荷的，而拉伸型韧窝是在试样边缘加
载的，因而σ max不是沿截面均匀分布的，在边缘部分应力很大，裂纹是由表面逐渐
向内部延伸的，好像我们把粘着的两张纸，从一端把它们逐渐撕开一样故称拉伸撕裂型。表面有缺口的试样或者裂纹试样，其断口常显示这种类型。这种类型的韧窝，韧窝小而浅，裂纹扩展快，故在宏观上常为脆断，所以不要把微孔
聚合型的微观机制都归之为韧断，这也是宏观和微观不能完全统一之处。
SPA-H集装箱板断口形貌700×
上图为拉伸断口形貌，断裂全部为韧性断裂，断口呈韧窝状，夹杂物少。
2.4 断口形貌分析
图 4 与图 5 分别给出了复合材料室温和高温拉伸后试样的断口形貌。可以看出，室温条件下，TMC1为韧性断裂，其断口有许多较浅的韧窝，而TMC2为典型脆性断裂，其断口存在河流花样以及脆性解离面。与等轴组织较浅的韧窝相比，
TMC1的层片状组织的增强体附件韧窝相对较深且较细小，这主要是因为层片组
织对源自增强体断裂的裂纹具有很好的阻碍作用。同样，从断口来看，层片组织
的TMC2较等轴组织的延性要略好，这些结果与力学性能是一致的。高温条件下，两种热处理下的 TMCs 都表现出明显的延性断裂特征，并且温度越高韧窝越深。
而由于层片组织不利于协调变形，因而塑性韧窝不易聚集长大，故表现出的相对
细小的韧窝。
不同组织的复合材料室温拉伸的扫描电镜断口形貌
不同组织的复合材料高温拉伸的扫描电镜断口形貌
3解理断裂
3.1 形貌特征
解理断裂的端口形貌是河流状花样。解理台阶、河流花样以及舌状花样都是解理断裂的基本微观特征。
3.2 形成原理
解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，断裂面沿一定的晶面发生的，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂
纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。
第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。
第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台，故在匹配断口上“舌头”为黑白对应的。
42CrMo 钢的冲击试样断口的解理断口微观形貌
3.3 解理断口形貌特征
3.3.1河流花样（riverpattern）
解理断口电子图像的主要特征是“河流花样”，河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成了河流花样。在河流的“上游”，许多较小的台阶汇合成较大的台阶，到“下游”，较大的台阶又汇合成更大的台阶。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以人们可以根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。
3.3.2舌状裂面
解理裂纹与孪晶 (见孪生 )相遇时可沿孪晶面形成局部裂纹，它发展到一定程度后与解理面上的裂纹相连通，形成像躺在解理面上的舌状裂面。这种裂面在低温高速加载的条件下最易发生。
3.3.3解理扇
台阶状解理裂纹不能直接通过晶界扩展到相邻晶粒中去，只能在晶界附近相邻晶粒内某些区域形成一些新裂缝，它们在传播过程中汇集成河流状花样并形成扇面形向四周扩展。“河流”上游即解理扇，扇柄处是裂纹源，扇面下游即裂纹
扩展方向。
3.4 准解理
准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。准解理与解理的共同点：都是穿晶断裂；有小解理面；有台阶或撕裂棱及河流状花样。不
同点：准解理小刻面不是晶体学解理面；真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。
它是另一种型式的准解理断裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。
准解理断裂面不是一个严格准确的解理面，有人认为准解理断裂是解理和微孔聚
合的混合机制，它常见于淬火回火钢中。
4沿晶断裂
4.1 概念
沿晶断裂是指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式。
金属材料中的裂纹沿晶界扩展而产生断裂。当沿晶断裂断口形貌呈粒
状时又称晶间颗粒断裂。多数情况下沿晶断裂属于脆性断裂，但也可能出
现韧性断裂，如高温蠕变断裂。
在多晶体变形中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用。但当晶界受到损
伤，其变形能力被削弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成晶界开裂。
裂纹扩展总是沿阻力最小的路径发展，遂表现为沿晶断裂。
钼的沿晶断裂
4.2 形成原因
产生沿晶断裂一般有如下原因：(1) 晶界上存在有脆性沉淀相；(2) 杂质和合金元素在晶界偏析，致使晶界弱化；(3) 热应力作用；（ 4）环境引起的沿晶腐蚀；（ 5）晶界有弥散相析出。
4.2.1晶界上有脆性沉淀相
如果脆性相在晶界面上覆盖得不连续，例如AIN 粒子在钢的晶界面上的分布，将产生微孔聚合型沿晶断裂；如果晶界上的脆性沉淀相是连续分
布的，例如奥氏体 Ni — Cr 钢中形成的连续碳化物网状，则将产生脆性薄层分
裂型断裂。
4.2.2晶界有使其弱化的夹杂物
如钢中晶界上存在 P、 S、 As、 Sb、 Sn 等元素。有害元素沿晶界富集，
降低了晶界处表面能，使脆性转变温度向高温推移，明显提高了材料对温度和加
载速率的敏感性，在低温或动载条件下发生沿晶脆断。
Ni 原本是穿晶断裂，加入S 元素后就变为沿晶断裂
4.2.3热应力作用
材料在热加工过程中，因加热温度过高，造成晶界熔化，严重减弱了
晶界结合力和晶界处的强度，在受载时，产生早期的低应力沿晶断裂。
由于淬火工艺不当，产生淬火裂纹，使弹簧在使用时发生断裂。断口经扫描电镜观察，裂源区为具有沿晶断裂特征的淬火裂纹。弹簧在工作时，淬火裂纹的尖端成为应力集中区，疲劳裂纹起始于淬火裂纹的尖端。图中具有冰糖状特征区为淬火裂纹区，其余区域为疲劳区。
4.2.4环境作用
环境因素与晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化，例如高温蠕变条
件下的晶界弱化，应力腐蚀条件下晶界易于优先腐蚀等，均促使沿晶断裂产
生。
A7075-(a)和A7050-(b)的穿晶断裂
4.2.5晶界上有弥散相析出
如奥氏体高锰钢固溶处理后，再加热时沿晶界析出非常细小的碳化物，从而改变了晶界层材料的性质，这也属于晶界受损伤的情况，虽尚
有一定的塑性变形能力，但一经变形后，沿晶界形成微孔型开裂。
4.3 断裂过程
沿晶断裂的过程包括裂纹的形成与扩展。晶界受损的材料受力变形时，晶内的运动位错受阻于晶界，在晶界处造成应力集中，当集中应力
达到晶界强度时，便将晶界挤裂。这个集中应力与位错塞积群中的位错
数目和滑移带长度有关，因此沿晶断裂强度与晶粒尺寸符合
Hall-Petch关系。
4.4 断口宏观形貌
沿晶脆性断裂断口宏观形貌一般有两类：(1) 晶粒特别粗大时形成石块或冰糖状断口； (2) 晶粒较细时形成结晶状断口。沿晶断裂的结晶状断口比
解理断裂的结晶状断口反光能力稍差，颜色黯淡。
4.5 预防方法
预防沿晶断裂的方法：将金属进行提纯、净化晶界、防止杂质原子在
晶界偏聚或脱溶( 见固溶处理 ) 、防止第二相在晶界上析出、改善环境因素
等，均可减少金属发生沿晶脆性断裂的倾向。
5金属疲劳性断裂
5.1 疲劳原理
金属疲劳过程的应力状态和应变状态决定了金属材料的组织和性能的变化
规律。在静载单向拉升的变形条件下，金属在宏观上呈现均匀变形，滑移线沿金
属试样表面均匀分布，只有在较大变形量时，变形才集中于试样某一局部区域。
在交变荷载作用下，当应力超过该材料的疲劳极限（小于屈服点）时，应力循环达
到一定次数后，通过金相显微镜和 X-射线的实验观察，可以发现在试样表面上应力
水平较高的区域或较软的部位，产生了集中滑移，形成了式样的不均匀塑性形变。这种不均匀的塑性变形形成了通常所说的表面挤出峰和挤入槽。挤出峰和挤入槽是
金属弱化部位滑移层见无规则滑移构成的滑移带。挤入槽构成了试样的表面裂纹。
所以挤出峰和挤入槽是金属疲劳过程导致损伤的滑移条纹，而且也是疲劳过程中组
织结构变化的典型特征。
5.1 金属的疲劳断裂
金属的疲劳断裂过程可以分为疲劳裂纹的形成、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂
三个阶段。
金属疲劳破坏的起源常在于它的自由表面或它内部的缺陷处，例如表面刀痕或夹杂物等，这种区域的应力较高，常引起不均匀的塑性变形，进而形成微裂纹，这就是疲劳破坏的第一个阶段。接着，在循环应力的作用下，微裂纹缓慢断续地扩展，这是疲劳破坏的第二个阶段。最后，当裂纹扩展到一定程度时，留下的连续截
面已不胜所加的载荷，就出现突发性断裂。
起源于金属自由表面的疲劳破坏比源于金属内部缺陷的可能性大。因此，除了合理的设计能减少表面应力集中点，也能有效防止或延迟裂纹的产生和扩展。
5.2 疲劳裂纹的形成
疲劳裂纹最容易在应力最高、强度最弱的部位，以及存在应力集中的地方形成。例如键槽、刀痕、变断面处和油孔等。
形成疲劳裂纹的方式有：滑移带开裂、夹杂物和基体界面开裂和孪晶、晶界开裂。
5.2.1滑移带开裂
在交变载荷作用下，金属表面将产生滑移线，随着循环次数增加，滑移线逐渐变粗而形成滑移带的独特结构与静载荷条件下的不同，它的分布极不均匀，随着塑性应变的增大，滑移带数目不是在所有的晶面上平均增加，只是其中个别滑移带逐渐变宽而成为粗大的滑移带，在金相显微镜下，可以明显看到这些滑移带。
由滑移引起的疲劳裂纹，可以认为是驻留滑移带上的挤入和挤出现象的结果。在交变荷载的继续作用下，挤入部分向滑移带纵深扩展，从而形成最初的疲劳裂纹，然后裂纹沿滑移带方向扩展，并穿过晶粒，直至转化成宏观裂纹。
由滑移引起的疲劳断裂——挤入、挤出示意图
5.2.2夹杂物和基体晶面开裂
机械工程使用的金属材料中，都存在非金属杂物。另一方面，为了提高材料强度的目的，又常引入第二相。这样的非金属夹杂物或第二相，将与基体形成界
面。在交变应力作用下，夹杂物和第二相微粒在界面处与基体分离。此外，夹杂物
和第二相质点本身在交错应力下也可能发生断裂。这两种情况都能导致疲劳断裂。
夹杂物与基体界面开裂过程示意图
15
夹杂物造成断裂实物图
5.2.3晶界开裂
多晶金属的晶界常数是疲劳裂纹成核的区域。在低应力循环荷载下，裂纹很容易在晶界上形成。当滑移带到达晶界时受阻，在交变荷载继续作用下，滑移带在晶界上引起的应变将不断增加，从而在晶界前造成位错塞积。当这种位错塞积形成的应力增大到断裂强度时，晶界即开裂而形成微裂纹。金属的晶粒越粗，晶
界上的应变量越大，位错塞积也大，应力集中增高，易于形成裂纹。
晶界开裂机理示意图
5.3 疲劳裂纹的扩展
纹萌生时开始，经过一定条件下的不断扩展，直到发生瞬时断裂为止的整个
过程，一共可以分成微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。
第 I 阶段：微观裂纹扩展。疲劳裂纹形成后，能沿着与拉应力成45°角的
最大切应力方向扩展。不过这一阶段的扩展速度很低，深度很浅，只有当裂纹扩展到一定程度后，才转入第 II 阶段。
第II 阶段：宏观裂纹扩展。在这一阶段中，裂纹将向垂直于拉应力的方向
扩展，它的扩展速度和深度都大于第 I 阶段。
第III 阶段：瞬时断裂。随着裂纹的不断扩展，残留的截面积不断缩小，应力则不断增大。当应力超过材料的静强度指标，即强度极限时，最终发生瞬时断裂。疲劳断裂的宏观断口具有脆性特性，无明显的塑性变形。
疲劳扩展过程示意图
5.4 金属疲劳断裂宏观断口
疲劳断裂宏观疲劳断口可以分为三个区，即源区、扩展区与瞬时断裂区。源区一般位于试样表面，尤其是存在应力集中的部位，一般比较光亮。疲劳扩展区紧靠源区，也很光亮、平滑，而且可看到呈贝纹线或海滩花样，即存在一些类似
同心圆的弧线包围源区，它是应力发生突变和材料组织变化使裂纹改变方向时留下的裂纹前沿线痕迹。最后是瞬时断裂区，它是由于疲劳裂纹扩展至临界长度后，剩余截面上的真实应力超过材料抗拉强度而发生的静载断裂，它的断口特征和存在严重应力集中的低应力脆性断口相似，多出现放射花样。
疲劳断口示意图
疲劳破坏过程和断口形状，与零件的工作载荷类型、应力大小和应力集中条件等有很大关系。
不同工作载荷对断口的影响
1. 高应力下的反复弯曲；
2. 低应力下的反复弯曲；
3. 高应力下的旋转弯曲；
4. 低应力下的旋
转弯曲； 5. 高应力和低应力集中系数下的旋转弯曲； 6. 低应力和低应力集中系数下的旋转弯
曲； 7. 高应力和高应力集中系数下的旋转弯曲；8. 抵应力下的位—压
6防止金属脆性断裂失效的途径
6.1 材料的设计与制造
防止脆性断裂应控制下列因素来进行合理结构设计，即材料的断裂韧性水平、
构件的工作温度和应力状态、载荷类型及环境因素等。
温度是引起构件脆断的重要因素之一，设计者必须考虑使构件的工作温度高于
材料的脆性转变温度（ Tc）。若所设计的构件工作温度低于 Tc 时，则必须降低设计应力水平，使应力低于不会发生裂纹的扩展。若其设计应力不能降低，则应更换
材料，选择韧性更高， Tc 更低的材料。在选择材料时，应保证材料具有良好的强韧性，良好的工艺性能。
从减少构件脆性断裂上，在进行构件设计时，应使缺陷所产生的应力集中减
少到最低限度，如减少尖角及结构尺寸的不连续性，合理布置焊缝的位置。冶金
生产方面要减少钢中的夹杂物、气孔及钢材的表面缺陷。结构加工后不应存在缺口、凹槽、过深的刀痕等缺陷。焊接时要防止裂纹、焊瘤、未焊透等缺陷，减小
和消除钢结构中的残余应力，尤其在条件允许的情况下焊接结构应尽量消除焊接
残余应力，这对于防止低温脆断具有非常重要的意义。
6.2 调整化学成分
钢的化学成分中的有益元素含量在合金设计中应给以重视，而C、N、H、O、
P等有害夹杂含量增加均会提高脆性转变温度，降低冲击韧性，所以应减少其含量。要对脆断事故进行分析，首先应该要看是否含量超标，不超标时也要考虑合
金配比是否合适，因为成分落在牌号规范内，但配比不合适（如Mn/C比），其工
艺性能或使用性能上达不到要求并引起失效的事例是很多的，如在设计钢的成分时
应尽可能地控制一些对钢的回火脆性影响较大元素的配比，使钢的回火脆性不致过大，以及向回火脆性敏感性较大的钢中添加钼和钨，对回火脆性敏感性较大的铬镍钢，铬锰钢、硅锰钢、铬钒钢等加钼便是如此。
镍被认为是降低钢的脆性转变温度作用最大的元素。低碳钢的脆性转变温度因镍量增加而降低，淬火后低温回火的镍钢含4.5%镍，高温回火的钢含2.5 ％镍时，脆性转变温度可降到最低。在合金结构钢中，铜的作用与镍相似。
锰对钢的脆性转变温度的影响因含量不同而异。低碳钢含锰在 1.5 ％以下时可
使脆性转变温度降低，所以，降碳增锰可以减少钢中的碳化物、细化晶粒，有利于
低碳钢获得较高的低温冲击韧性，但含锰高时又使钢的脆性转变温度提高。
此外，钢中偏析、夹杂物。白点、微裂纹等缺陷越多，韧性越低。
综上所述，碳、氮、磷。硅等元素增大钢的冷脆性倾向，镍、少量锰、铜等
元素有利于钢获得较高的低温冲击韧性。由于合金元素对钢的冷脆性的影响很复
杂，加之还要受其他方面因素的影响，还需具体分折。总之，调整合金元素，降
低杂质含量，提高钢的纯净度是降低材料脆断的有效途径。
6.3 细化晶粒
细化晶粒是控制材料韧性．避免脆断的重要手段。粗晶粒的钢脆性转变温度
较细晶粒的为高，如粗晶粒的中碳钢的脆性转变温度，可较细晶粒的钢高 40℃。细晶粒强化符合 Hall-Petch 关系，当晶粒越细，晶界面积就越大，晶界对位错运动的
阻碍也越大，从而使强度升高。此外，晶粒越细，在一定体积内的晶粒数
目越多，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近的应变度相差较小，变形较均匀，相对来说引起应力集中减小，使材料在断裂之前能承受较大的变形量，因而有较好的塑性；又因为晶粒越细，晶界的曲折越多，越不利于裂纹的传播。从而在断裂过程中可吸收更多的能量，表现出较高的韧性；当晶粒细小时，晶界面积增加。又使晶界杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。
在铸造生产中可通过加大过冷度，在铸铁中加入硅铁或硅钙合金，在铝合金中加
入钛、锆、钒等或在合金钢中加入碳化物形成元素（Ti 、V 等) ，阻止加热时对晶
粒长大，从而细化晶粒提高韧性。
减小金属热处理变形 介绍
如何减小金属热处理变形 摘要：金属热处理在改善材料各种性能的同时，热处理变形是不可避免的，并且会直接影响到工件的精度、强度、噪声和寿命，因此对于精度要求较高的零件要尽可能减小其变形量，着重分析温度是控制变形的关键因素的同时罗列几点次要因素。 关键词：金属热处理变形温度 一、引言 金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，有时并兼之以化学作用和机械作用，使金属合金内部的组织和结构发生改变，从而获得改善材料性能的工艺。热处理工艺是使各种金属材料获得优良性能的重要手段。很多实际应用中合理选用材料和各种成形工艺并不能满足金属工件所需要的力学性能、物理性能和化学性能，这时热处理工艺是必不可少的。 但是热处理工艺除了具有积极的作用之外，在处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是机械加工中必须避免的，两者之间是共存而又需要避免的关系，只能采用相应的方法尽量把变形量控制在尽量小的范围内。 二、温度是变形的关键因素 工业上实际应用的热处理工艺形式非常多，但是它们的基本过程都是热作用过程，都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。整个工艺过程都可以用加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度以及热处理周期等几个参数来描述。在热处理工艺中，要用到各种加热炉，金属热处理便在这些加热炉中进行（如基本热处理中的退火、淬火、回火、化学热处理的渗碳、渗氨、渗铝、渗铬或去氢、去氧等等）。因此，加热炉内的温度测量就成为热处理的重要工艺参数测量。每一种热处理工艺规范中，温度是很重要的内容。如果温度测量不准确，热处理工艺规范就得不到正确的执行，以至造成产品质量下降甚至报废。温度的测量与控制是热处理工艺的关键，也是影响变形的关键因素。 （1）工艺温度降低后工件的高温强度损失相对减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗淬火变形、抗高温蠕变的综合能力增强，变形就会减少； （2）工艺温度降低后工件加热、冷却的温度区间减少，由此而引起的各部位温度不一致性也会降低，由此而导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少； （3）如果工艺温降低、且热处理工艺时间缩短，则工件的高温蠕变时间减少，变形也会减少。
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、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） a Y K c c πσ?=1
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，
金属材料热处理变形原因及防止变形的技术措施 摘要：在金属加工制造行业中，对热处理技术进行应用，能够从根本上实现对金属物理性质、化学性质的提升，满足了当前各项工业生产、制造事宜。在调查中发现，当前金属材料的热处理工作，主要山金属加热、保温和冷却等儿项工作流程所构成，但山于金属热处理工艺对于整体的工作环境、技术应用有着较高标准的要求，所以在实际操作的过程中，材料时常会发生变形的问题，这就需要相关工作人员在传统金属加工制造的基础上，实现热处理工艺技术的高效化应用，提升我国金属材料加工制造的整体质量与水平，进而推动社会的发展。 关键词：金属材料；热处理变形原因；防止变形 对于金属工件而言，基本的变形问题主要集中在尺寸变形以及形状变形两方面，但是，无论是哪种变形情况，都和热处理过程导致的工件内部应力息息相关。结合内应力的相关因素对问题因素进行分析，从而制定具有针对性的监督和管控措施，就能从根本上减少金属材料热处理变形和开裂导致的工件质量缺失性问题。 1金属材料性能分析 在当前的社会生产生活中，金属材料的应用范圉十分的广泛。曲于金属材料具有韧性强、塑性好以及高强度的特点，因此其在诸多行业中均有所应用。当前常用的金属材料主要包括两种：即多孔金属材料以及纳米金属材料。纳米金属材料：一般情况下，只有物质的尺寸达到了纳米的级别，那么该物质的物理性质和化学性质均会发生改变。在分析与研究金属材料性能的过程中，主要分析金属材料的如下两种性能：其一，硬度。一般情况下，金属材料的硬度主要指的是金属材料的抗击能力。其二，耐久性。耐久性能和腐蚀性是金属材料需要着重考虑的一对因素。在应用金属材料的过程中不可避免的会受到各种物质的腐蚀，山此就会导致金属材料出现缝隙等问题。 2金属材料热处理变形的影响因素 在对金属材料热处理变形的影响因素进行探究时，工作人员需要对金属材料热处理过程中各项工艺技术特点，进行全面化的掌握，并在此基础上，釆取一些具有针对性的改善措施，进而才能实现对金属材料变形的有效控制，也为金属材料热处理过程中变形控制工作的开展，起到了一定的促进作用。在对金属材料进行热处理的过程中，山于材料自身的密度构成、结构特点，以及在外界因素的影响下，材料本身可能会出现不等时性、冷热分布不均匀的问题。在金属材料受热的过程中，温度会发生较为明显的变化，这就会使金属材料内部结构的受力情况发生改变，金属材料变形的儿率增大，而这种山于内部应力分布所导致的变形，被称之为是内应力塑性变形。这种变形的特征性较为明显，会表现岀一定的方向性，且发生的频率较高，每一次对金属材料进行热加工，都会对其内部应力结构造成改变，进行热处理的频率越高，内部应力的变化情况越明显。在一般情况下, 金属材料的内应力一般被分成热应力和组织应力变形着两类，在相应的温度条件下，对金属材料展开加热、冷却操作后，可以获得纯热应力变形，组织应力变形和金属材料自身的性能、形状，以及加热冷却方式有着紧密的关联。从实际的操作流程中可以了解到，要想对金属材料的使用性能进行高效化的提升，整个热处理工序将会包含较多的工艺内容，并且在操作过程中，需要根据金属材料的种类、操作规范展开适当的调整，收集各项参数内容。但是在实际执行过程中，山于我国在温度控制、监测精度方面具备局限性，所以温度监测精度难以得到有效的把控，一旦在热处理过程中对温度的控制未能合理实现，那么就会导致比容变形的问题发生，增加金属材料变形儿率。 3金属材料热处理变形控制时需要遵循的原则
金属热处理变形原因及改善的技术措施分析 摘要：随着社会科技及工业的不断发展与进步，各种金属在不断被广泛应用于我们实际生活及生产的同时，人们在金属的使用的质量方面也提出了更高的要求。然而金属材料在进行热处理的过程中产生的变形现象却严重影响的金属使用功效的有效发挥。如何提升在金属热处理变形方面的改善技术水平，也已成为摆在相关技术人员面前的一道重要课题。本文首先就金属热处理变形的原因进行了简要分析，然后提出了金属热处理变形改善的技术措施，希望能为实际工作起到一定的指导作用。 关键词：金属热处理；变形原因；改善技术措施 引言 金属的热处理即是指为了满足金属加工工艺需要，在金属材料加工过程中，对材料进行加热、保温以及冷却的处理，以改变金属材料的内部结构，增强金属实用性的过程。然而在具体的金属热处理过程中，往往会由于材料自身的性质及各种外界因素的影响，致使金属材料变形的产生，进而影响到金属材料的使用寿命与使用效率，达不到使用者的质量要求。为此，对应对金属热处理过程中金属变形的技术进行研究则显得尤为必要与迫切。 1.金属热处理变形原因分析 内应力塑性变形，内应力的产生一般情况下是由金属热处理过程中的加热不均或相变不同时所造成或引起的，同时在一定塑性条件的配合下，还会导致内应力塑性变形的产生。内应力塑性变形由于影响因素的不同，又可分为热应力塑性变形以及组织应力塑性变形。其中，前者是由于金属工件在热处理过程中由受热不均，在内外部温度上未能保证一致，使其热胀冷缩的程度存在一定差异而产生的。而后者则是由于金属工件内部组织转变发生时间不同而产生的。 2.金属热处理变形改善的技术措施 科学、合理的金属热处理变形改善技术是有效降低热处理过程中金属变形发生率的重要手段，现对金属热处理变形改善的技术措施进行具体分析如下 2.1 做好热处理之前的预处理工作 温度过高的正火会加剧金属内部的变形，为此，在金属热处理之前进行正火处理来对温度进行控制，则显得尤为必要。具体而言，即是在金属热处理之前做好正火处理工作来控制好温度，并在完成正火处理的基础上运用等温淬火的处理方法来对金属材料内部结构的均匀性进行提升，从而一定程度上减少金属变形的发生。另外需要注意的是，要根据金属结构的特点来对热处理工序进行合理选择，这不仅减少了热处理过程中的变形，还能让热处理过程中的变形相互抵消，能够
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。
金属塑性变形与断裂集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。
第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因： （1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的组织，回火温度低，易产生此类断裂。 （2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。 （3）、构件的薄弱环节处处于平面应变状态。 （4）、材料的尺寸比较粗大。 （5）、回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出。 准解理断裂往往开始是因为碳化物，析出物或者夹杂物在外力作用下产生裂纹，然后沿某一晶面解理扩展，之后以塑性变形方式撕裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准解理断裂面不是一
<<金属热处理缺陷分析及案例>>试题 一、填空题 1、热处理缺陷产生的原因是多方面的，概括起来可分为热处理前、热处理中、热处理后三个方面的原因。 2、热处理缺陷分析方法有：断口分析、化学分析、金相检验、力学性能试验、验证试验、综合分析。 3、断裂可分为两种类型：脆性断裂和韧性断裂。 4、金属断裂的理论研究表明：任何应力状态都可以用切应力和正应力表示，这两种应力对变形和断裂起着不同的作用，只有切应力才可以引起金属发生塑性变形，而正应力只影响断裂的发展过程。 5、热处理变形常用的校正方法可分为机械校正法和热处理校正法。 6、热应力是指由表层与心部的温度差引起的胀缩不均匀而产生的内应力。 7、工程上常用的表面淬火方法主要有高频感应加热淬火和火焰淬火两种。 8、热处理中质量控制的关键是控制加热质量和冷却质量。 9、过热组织晶粒粗大的主要特征是奥氏体晶粒度在3级以下。 10、真空热处理常见缺陷有表面合金元素贫化、表面不光亮和氧化色、表面增碳或增氮、粘连、淬火硬度不足、表面晶粒长大。 11、低温回火温度范围是（150－250）℃，中温回火温度范围是（350－500）℃，高温回火温度范围是（500－6 50）℃。
12、工件的形状愈不对称，或冷却的不均匀性愈大，淬火后的变形也愈明显。 13、马氏体片越长，撞击能量越高，显微裂纹密度会越大，撞击应力会越大，显微裂纹的数目和长度也会增加。 14、合金元素通过对淬透性的影响，从而影响到淬裂倾向，一般来说，淬透性增加，淬裂性会增加。合金元素对M S的影响较大，一般来说，M S越低的钢，淬裂倾向越大。 15、一般来说，形状简单的工件，可采用上限加热温度，形状复杂、易淬裂的工件，则应采用下限加热温度。 16、对于低碳钢制工件，若正常加热温度淬火后内孔收缩，为了减小收缩，要降低淬火加热温度；对于中碳合金钢制的工件，若正常加热温度淬火后内孔胀大，为了减小孔腔的胀大，需降低淬火加热温度。 17、工件的热处理变形分为尺寸变化和形状畸变两种形式。 二、单项选择题 1、淬火裂纹通常分为 A 四种。 A、纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、剥离裂纹 B、纵向裂纹、横向裂纹、剥离裂纹、显微裂纹 C、纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、表面裂纹 D、纵向裂纹、横向裂纹、剥离裂纹、应力集中裂纹 2、第一类回火脆性通常发生在淬火马氏体于 B 回火温度区间，这类回火脆性在碳钢和合金钢中均会出现，它与回火后的冷却速
金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。 第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因：
金属材料的断裂韧性 摘要不同的金属材料的断裂韧性是不一样的，对不同金属材料的断裂韧性进行研究并找出影响的因素对提高金属材料断裂韧性具有非常重要的意义。根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。 关键词金属材料；失效；断裂韧性；影响因素 0引言 随着现代社会经济的不断发展，对金属材料的使用也大大的增加，在工程构件设计和使用的过程中，最为严重的就是金属材料的断裂，金属材料一旦发生断裂就会发生生产安全事故，同时也会造成一定的经济损失。通过对以往发生的大量的金属材料的断裂事件的分析，得出构件的低应力脆断是由宏观裂纹扩展引起的，其中最为主要的是金属材料的断裂纹，裂纹一般是在金属加工和生产的过程中引起的[1]。 根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。 1影响金属材料断裂韧性的外部因素 1.1几何因素的影响 几何因素是影响金属材料断裂韧性的一个最为重要的外部因素。几何因素主要包括两个方面的内容，分别是试样厚度和试样取向等因素，下面对这两个因素进行分析： 1）试样厚度 目前在对金属材料的断裂韧性进行研究的过程中发现，不同厚度的金属材料会对会对裂纹前端的应力约束产生较大的影响，同样也会对金属材料的断裂韧性有一定的影响，所以我们分别用不同厚度的同一个金属材料进行断裂韧性的实验，在实验的过程中发现厚试样的断裂韧性值明显的比薄试样的断裂韧性值要低，换而言之，不同厚度的金属材料，其自身的断裂韧性也不同，厚度也是影响金属材料断裂韧性的一个重要的因素[2]。 2）试样的取向 在对金属材料进行取样测试的时候，试样的去向业余金属材料的断裂韧性之
浅谈影响金属热处理变形的因素及改善措施 在金属材料的加工处理过程中，都需要对金属进行热处理，从而改变其内部的结构和组织，提高其机械和化学作用，改善性能的使用性能。但是在金属材料的热处理过程中，常常会出现一定的变形，因此为了减少热处理所导致的变形对于材料的性能影响，应当采取积极的改善来预防和改善变形。 标签：金属热处理；变形；措施 在金属材料的加工过程中，为了改善材料的物理和化学性能，使其能够更好的满足加工工艺的需要，常常要进行热处理。金属材料的热处理是通过一定的方式进行加热、保温以及冷却的过程，通过热处理可以有效地改变金属材料的内部结构，从而增强其使用性能。在热处理的过程中，常常还伴随着金属材料的变形，因此应当加强其变形的研究。 1 影响金属热处理变形的相关因素分析 在金属的热处理过程中由于材料的性质和外界因素的影响，导致了其加热和冷却不均匀、不等时性等特点，热处理中的温度梯度变化都会引起金属材料内部应力的作用。金属材料在一定条件下，就会产生内应力变形的情况。内应力变形常常具有比较明显的特征，例如内应力变形常常不会改变工件的体积，但是却常常影响工件的形状和结构，而且具有比较明显的方向性。同时内应力所导致的变形中工件每一次进行热处理之后，都会产生应当的表现，而且其变形量随着热处理次数的增加而增加。 在金属的热处理中基本由加热、保温以及冷却三个阶段组成，在实际的热处理中包含了正火、淬火、回火、退火等多种加工工艺。但是在热处理的过程中常常需要到各种参数，例如加工的周期、温度等。如果其中的温度测量不准确，那么就难以进行正确的热处理，从而导致其变形过大，甚至产品报废的情况。因此温度成为了影响金属热处理效果的关键，也是热处理工艺的关键参数。 2 降低金属热处理变形的措施和方法 为了有效地减少热处理所导致的变形，其关键在于选择合适的热处理工艺。通过将不同的热处理工艺进行有效的结合，既能够达到改善性能同时又能够达到减少变形的目的。为了有效的保证工件在热处理后的精度，可以通过研究金属工件热处理变形规律的方法，在加工时进行干预处理，从而使工件在热处理之后的尺寸每个满足设计的要求。这对于工件的变形规律提出了比较高的要求，同时工件的变形也应当满足一致性的要求。这种方式等于金属的热处理要求比较高，是一种比较理想的方法。为了改善金属热处理的变形情况，可以采取以下几个方面的措施： 2.1 做好热处理之前的预处理。金属热处理的不同工艺，例如正火、退火等
金属材料的断裂 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。 4. 断口分析 断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。 （1）宏观断口分析 断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。 （2）微观断口分析（需要深入研究） 5. 脆性破坏事故分析 脆性断裂有以下特征： （1）脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。（2）一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。（3）脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。（4）发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。
第六章： 1. 理解概念：形变强化，细晶强化，滑移，滑移系，滑移面， 滑移方向，临界分切应力，取向因子，软位向，硬位向，孪生，纤维组织，形变织构，临界变形度，回复，再结晶，冷加工，热加工，超塑性 2. 掌握塑性变形的特点及对组织和性能的影响 3. 掌握冷变形金属在加热时组织和性能的变化 滑移的位错机制 软位相：最容易出现滑移 硬位相：不能产生滑移 φ λστcos cos s k =
6.3多晶体的塑性变形 1、特点： 不同时性：只有处在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移系才能首先开动 不均匀性：每个晶粒的变形量各不相同，而且由于晶界的强度高于晶内，使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的。 协调性：多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性。根据理论推算，每个晶粒至少需要有五个独立滑移系。 2、晶粒大小对塑性变形的影响 6.4塑性变形对金属组织与性能的影响 组织的影响 1.形成纤维组织： 2.形成变形织构：晶体的择优选择 3.亚结构细化：随着变形量的增加，位错交织缠结，在晶粒内形成胞状亚结构，叫形变胞 4残余应力：残余内应力和点阵畸变. 宏观内应力： 微观内应力： 点阵畸变：金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷（空位、间隙原子、位错等），使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，而造成的晶格畸变。 1.各向异性：形成了纤维组织和变形织构 2.形变强化：变形过程中，位错密度升高，导致形变胞的形成和不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用 组织结构：形成纤维组织和变形织构;亚结构细化;点阵畸变 机械性能：各向异性;形变强化/加工硬化;形成残余内应力 6.5冷变形金属的回复与再结晶 形变金属与合金退火过程示意图 21- +=Kd o s σσ
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。
关于金属热处理变形原因及改善的技术措施 【摘要】工业化的发展有效的促进了我国国家整体实力的提升，在当今世界的发展过程中，工业实力的强弱影响着一个国家的经济发展以及整体实力。在我国各行业不断更新技术措施，改革现有施工环境的过程中，我们发现各种金属的运用以及加工都成为了部分工业不可避免要使用的一项措施。在金属的使用加工过程中，对现有金属进行提炼处理，并对其进行金属热处理加工，已经成为了在使用的必备措施。在金属使用的过程中，由于力学性质的影响，金属在使用过程中必然会出现变形，影响金属部件的使用效率，降低其有效的使用寿命，所以在进行金属加工过程中要提高其质量的锻造，虽然在加工过程中依旧面临各种因素的影响，会导致其变形的出现，但是只要能够找到原因，改善技术措施，势必能够解决问题的出现。 【关键词】金属热处理；形变；改善技术 前言 金属在加工制造的过程中由于自身物理因素的影响，难免会出现一些变形的现象，随着在工业领域人们对金属部件的使用质量要求的不断提高，在进行金属零件使用加工的过程中，相关的制造单位会通过金属热处理的方式改善金属的结构，使其在应用过程中达到新的刚度以及韧性，提高在使用过程中技术部件的质量。在进行金属热处理的过程中，由于金属部件长相各不相同的原因，在实际的进行热处理时，会出现金属受热不均、冷却不均致使受力不均发生变现的现象，这种问题的出现使得在金属热处理面技术临了前所未有的困难，为了强化金属部件制品的质量，提高其使用的性能，在进行技术热处理的过程中我们要合理的分析出问题出现的原因。通过科学有效的手段制定并改善技术措施的应用。 1、金属热处理变形的原因 在工业发展的过程中，金属原件的使用涉及的范围十分的广阔。在我国制造业不断兴起的今天，各种金属部件的加工使用已经成为了一种势不可挡的趋势。在我国汽车、轮船、飞机、建筑、五金水暖、等相关单位不断强化自身素质以及产品质量的今天，在进行金属部件的热处理过程中，都提高了相应的技术质量标准。对相应的金属部件提出了严格的管控要求。相关金属部件制造部门在进行技术热处理加工过程中，往往会出现金属在热处理过程中变形等现象。以下我就简析一下金属热处理变形的原因。 1.1内应力塑性变形 金属热处理过程中加热冷却的不均匀和相变的不等时性，都会产生内应力，在一定塑性条件的配合下，就会产生内应力塑性变形。在加热和冷却过程中，零件的内外层加热和冷却速度不同造成各处温度不一致，致使热胀冷缩的程度不同，这样产生的应力变形叫热应力塑性变形。在加热和冷却过程中，零件的内部
金属材料热处理变形原因及防止变形的技术措施李东洋 发表时间：2018-08-14T11:27:36.063Z 来源：《基层建设》2018年第20期作者：李东洋[导读] 摘要：热处理能改善工件的综合机械机能，但热处理过程引起工件的变形是不可避免的。 中国第一重型机械股份公司黑龙江齐齐哈尔 161042摘要：热处理能改善工件的综合机械机能，但热处理过程引起工件的变形是不可避免的。任何因素的变化都或多或少地影响工件的变形倾向和形变大小。在热处理过程中，能够把握工件热处理过程中导致工件变形的主要因素和关键点。通过分析和实践，改进热处理工艺技术，一定能够在热处理工件的形变问题上得到突破，制定出合理的技术措施，保证热处理产品的质量和合格率。 关键词：金属材料；热处理；变形原因；防止变形技术引言 实际工业生产中，仅凭选择材料和成形工艺并不能满足工件所需要的性能，通过对金属材料进行热处理而获得优良的综合性能是必不可少的。但金属材料的热处理除改善材料的综合性能的积极作用外，在热处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是工件生产过程中极力消除和避免的。因此，需要找出工件热处理过程中发生形变的原因，采取技术措施把变形量控制在符合要求范围内。 1金属材料性能分析 在当前的社会生产生活中，金属材料的应用范围十分的广泛。由于金属材料具有韧性强、塑性好以及高强度的特点，因此其在诸多行业中均有所应用。当前常用的金属材料主要包括两种：即多孔金属材料以及纳米金属材料。纳米金属材料：一般情况下，只有物质的尺寸达到了纳米的级别，那么该物质的物理性质和化学性质均会发生改变。在分析与研究金属材料性能的过程中，主要分析金属材料的如下两种性能：其一，硬度。一般情况下，金属材料的硬度主要指的是金属材料的抗击能力。其二，耐久性。耐久性能和腐蚀性是金属材料需要着重考虑的一对因素。在应用金属材料的过程中不可避免的会受到各种物质的腐蚀，由此就会导致金属材料出现缝隙等问题。 2金属热处理变形的原因分析在工业生产过程中，各种金属零件早已成为机械制造的必要部分。在零件的设计、选材中，对综合性能方面也提出了更高要求。特别是生产过程中，对产品热处理加工后的品质提出了新要求。但在热处理过程中出现形变等质量问题，一直是热处理过程中难以克服的。以下就金属材料的热处理变形原因进行简要分析。 2.1金属热处理的内应力塑性变形 金属工件进行热处理时，通常经历加热、保温和冷却三个阶段。由于加热和冷却的不均匀性，金属组织在固态相变时的不同时等因素，致使工件在热处理过程中产生一定的内应力。在内应力的作用下，金属工件产生塑性变形。根据应力产生的不同原因，一般分为热应力塑型变形和组织应力变形。热应力塑型变形是由于金属工件在加热和冷却过程中，零件的内外温度不一致，致使热胀冷缩的程度不同产生的。组织应力变形是由于金属工件在热处理时内部组织发生相变的时间不同而产生的。内应力塑性变形与工件的结构和形状有直接关系，变形具有明显的方向性，体积变化并不明显。内应力导致工件的塑性变形量与热处理次数成正比。 2.2 金属热处理的比容变形 在热处理过程中，由于金属内部组织的相不同，相变时出现体积、尺寸等微小变化就是比容变形。比容变形一般与奥氏体中合金元素含量、渗碳体和铁素体的含量、残余奥氏体的多少以及金属材料本身的淬透性等因素有关。比容变形与内应力变形相比，具有变形方向不确定性。一般组织结构较均匀时，其比容形变在不同方向上的变化是相同的。另外，材料的比容变形与其经历的热处理工艺和次数无明显的关联性。 3金属材料热处理变形控制时需要遵循的原则 3.1易操作原则 为了提升工艺精度，在应用热处理技术的过程中，要就金属材料的热变形问题，提出控制方案的容错率，尽可能降低环境对热处理变形控制工作造成的影响，还有，在对金属材料热处理变形问题进行控制的时候，要尽可能简化处理流程，降低控制的难度，确保各项工作能够有序展开。 3.2科学性原则 要想达成金属材料热变形控制的目的，必须要在执行过程中遵循相关的科学性原则，对金属材料热处理变形的影响因素、热处理工艺要求，以及金属材料之间的属性关系展开系统化的分析，尽可能确保金属材料热处理变形控制工作能够符合相关的基础标准，借助科学性的指导原则，基础人员在现有的基础条件上，对金属材料热处理变形控制策略，展开科学化的控制与升级。 4金属材料热处理变形的控制策略 4.1对淬火工艺合理应用 在金属热处理工作中，淬火工艺是最为核心化的一项工作步骤，且其发挥着极为重要的作用。不合理的淬火介质，很容易导致金属材料内部出现应力失调。所以在实际的处理过程中，要降低淬火阶段的操作失误情况，工作人员要在原有的工作基础上，对淬火工艺进行合理化的创新，调节冷却的速度，降低材料的变形量，像油和水是常用的淬火介质，为了提升淬火速度，保证冷却效果，当使用水作为淬火介质时，其温度应该被控制在60℃左右；而使用油作为淬火介质的时候，其温度则应该被控制在70℃左右。选择合理的淬火介质，能够降低热处理对材料内部应力产生的影响，对金属材料的变形情况进行控制。 4.2冷却介质和冷却方式 热处理冷却介质的冷却能力，特别是金属工件淬火过程中，淬火介质的淬火烈度对工件热处理后的变形及开裂具有直接影响，是导致金属工件变形的重要因素之一。实践证明，冷却能力越强的介质冷却后变形的倾向越大。油类介质的冷却速度比水性介质的冷却速度慢，油淬后的变形量要相对小。在保证淬火硬度下，尽量采用冷却能力相对小的介质。 在冷却过程中，通常要对介质进行搅拌或通过循环泵对其进行循环冷却，降低介质的温度不均匀对工件变形的影响。金属工件在热处理的冷却过程中，入液的方式对冷却后的变形影响较为明显。杆类、棒类、管类等细长类工件以垂直方式入液进行冷却，变形相对较小。板条状、框架类的工件入液冷却的原则是以工件最小截面积入液。一些薄厚不均，形状较复杂的零件，在尖棱尖角或薄厚过渡明显部位，应采取石棉绳缠绕等缓冷措施。
金属断裂与失效分析（刘尚慈编） 第一章概述 失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。 第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序 一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究 （一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二）无损检测 （三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四）断口分析 （五）断裂力学分析 以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝ Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y
（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC/Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs)不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据为： J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析 分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。
五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路 一、强度分析思路 二、断裂失效的统计分析 三、断裂失效分析的故障树技术 第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类 裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。 发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。 裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。 一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与