金属断口机理及分析
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锻件的层状断口
锻件的层状断口是指在金属材料的拉伸、压缩或弯曲等力学加工过程中,材料发生断裂时,断口呈现出层状结构。
这种断口形貌类似于木材的剖面,由多条平行的层状裂缝组成。
锻件的层状断口形成的原因主要有以下几点:
1.金属材料在受到外力作用时,会在应力集中区域发生局部塑性变形。
当应力超过材料的屈服强度时,就会形成裂纹。
随着外力的继续作用,裂纹会逐渐扩展,形成层状断口。
2.金属材料的微观结构和组织也会影响层状断口的形成。
如果材料的结晶粒度较大,裂缝扩展路径较长,就容易形成层状断口。
3.材料的纯度、含气等也会影响层状断口的形成。
锻件的层状断口会导致钢的横向力学性能严重下降,特别是延伸率和断面收缩率。
这种层状断口在形变结构钢中经常出现,会显著降低钢的强度和韧性。
因此,在金属材料的加工过程中,应采取措施避免层状断口的形成,如优化加工工艺、控制材料纯度和组织结构等。
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。
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。
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。
精心整理名词解释延性断裂: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纹。
正断韧性: 河流花样 氢脆:卵形韧窝等轴韧窝1.2.34裂纹张开型、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) :断裂应力(剩余强度)a :裂纹深度(长度)Y :形状系数(与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关) 脆性材料K 准则:KI 是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量,是表征裂纹尖端应力场强度的计算量; KIC 是材料固有的机械性能参量,是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法:T型法(脆断判别主裂纹),分差法(脆断判别主裂纹),变形法(韧断判别主裂纹),氧化法(环境断裂判别主裂纹),贝纹线法(适用于疲劳断裂判别主裂纹)。
断口的试样制备:截取,清洗,保存。
断口分析技术设备:1.宏观断口分析技术(用肉眼,放大镜,低倍率光学显微镜观察分析)2.光学显微断口分析(扫描电子显微镜光学显微镜,透射电子显微镜),3.电镜断口分析。
第三章延性断裂:12.3.1(1约成45(2(321.2.(1)内颈缩扩展:质点大小、分布均匀,韧窝在多处形核(裂纹萌生),随变形增加,微孔壁变薄,以撕裂方式连接(2)剪切扩展:材料中具有较多夹杂物,同时具有细小析出相时,微孔之间可能以剪切方式相连接。
注意:内颈缩扩展与剪切扩展在同一韧窝断口上可能同时发生。
影响韧窝的形貌因素:夹杂物或第二相粒子,基体材料的韧性,试验温度,应力状态。
金属断裂的微观机理与典型形貌金属断裂是指金属材料在受到应力作用下发生破裂现象。
金属断裂的微观机理和典型形貌是金属材料断裂过程中所呈现出的微观变化和破裂形态。
本文将从金属断裂的微观机理和典型形貌两个方面进行探讨。
一、金属断裂的微观机理在金属断裂的微观机理中,主要涉及到晶体的变形、晶界滑移和裂纹扩展等过程。
1. 晶体的变形金属材料的断裂是由于晶体内部发生了塑性变形。
当金属受到外力作用时,晶体内的原子会发生位移和重排,导致晶体的形状发生变化。
晶体的变形过程中,会产生位错,即晶格中的原子出现错位。
位错的运动和积累是金属材料塑性变形和断裂的基础。
2. 晶界滑移金属材料由多个晶粒组成,晶粒之间存在晶界。
晶界是晶粒内部晶格的不连续区域。
当金属受到应力作用时,晶界处的原子会沿着晶界面滑移,从而使晶粒发生形变。
晶界滑移是金属材料塑性变形和断裂的重要机制之一。
3. 裂纹扩展裂纹是金属材料中的缺陷,是断裂的起始点。
当金属受到应力作用时,应力集中在裂纹处,导致裂纹的扩展。
裂纹扩展的机理主要包括塑性扩展和脆性扩展两种形式。
塑性扩展是指裂纹周围发生塑性变形,裂纹沿着塑性区域扩展;脆性扩展是指裂纹周围没有发生塑性变形,裂纹直接沿着晶体的晶面或晶界扩展。
二、金属断裂的典型形貌金属断裂的典型形貌是指金属材料断裂后所呈现出的形态特征。
根据金属断裂的不同性质和机理,金属材料的断裂形貌可以分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等。
1. 韧性断裂韧性断裂是指金属材料在受到较大应力时,发生大量的塑性变形和能量吸收,最终以拉伸断裂为主。
韧性断裂的断口面平滑,有明显的塑性变形迹象,断口两侧呈现出韧带状的纹理。
韧性断裂通常发生在具有良好延展性的金属材料中,如钢材、铝合金等。
2. 脆性断裂脆性断裂是指金属材料在受到较小应力时,发生较少的塑性变形和能量吸收,最终以断裂为主。
脆性断裂的断口面光洁平整,没有明显的塑性变形迹象,断口两侧呈现出晶粒状的纹理。
脆性断裂通常发生在具有较低延展性的金属材料中,如铸铁、高碳钢等。
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。
河流把戏: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构造。
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。
均匀分布于断口外表,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:材料外表、内部的缺陷、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:裂纹穿过晶粒内部、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:裂纹张开型、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〕:断裂应力〔剩余强度〕 a :裂纹深度〔长度〕Y:形状系数〔与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关〕脆性材料K准则:KI是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量,是表征裂纹尖端应力场强度的计算量;KIC是材料固有的机械性能参量,是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法:T型法〔脆断判别主裂纹〕,分差法〔脆断判别主裂纹〕,变形法〔韧断判别主裂纹〕,氧化法〔环境断裂判别主裂纹〕,贝纹线法〔适用于疲劳断裂判别主裂纹〕。
金属材料的断裂行为分析金属材料在实际应用中经常面临着受力情况,而断裂行为是其中一个重要的因素。
本文将对金属材料的断裂行为进行分析,探讨其原因和影响因素。
一、断裂行为的定义金属材料的断裂行为指的是在外部作用力的作用下,材料发生断裂的过程。
断裂是材料失去载荷传递能力的结果,其破坏表现为断口形成。
二、断裂行为的原因1. 内部缺陷:金属材料内部可能存在各种缺陷,如气孔、夹杂物、晶界、位错等。
这些缺陷会集中应力,导致断裂的发生。
2. 外部影响:金属材料在使用过程中,承受着多种外部作用力,如拉伸、压缩、弯曲、挤压等。
这些作用力会引起金属的应力集中,进而导致断裂。
三、断裂行为的影响因素1. 材料的强度:金属材料的强度越高,其抵抗断裂的能力也就越强。
因此,金属的强度是断裂行为的一个重要影响因素。
2. 温度:温度对金属材料的断裂行为有着显著的影响。
在高温下,金属易于软化和熔化,从而导致断裂;而在低温下,金属脆性增加,也容易发生断裂。
3. 加载速率:加载速率是指外部作用力施加的速度。
在较高的加载速率下,金属材料容易发生动态断裂;而在较低的加载速率下,金属更容易发生静态断裂。
四、断裂行为的分析方法1. 断裂力学:通过断裂力学的理论和方法,可以定量分析金属材料的断裂行为。
其中,最常用的方法包括线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学和韧性断裂力学。
2. 断口分析:通过观察金属材料的断口形貌,可以初步判断断裂的类型和原因。
常见的断口形貌有韧性断口、脆性断口等。
3. 数值模拟:利用有限元方法等数值模拟手段,可以模拟金属材料在受力下的断裂行为。
通过数值模拟可以更加准确地分析和预测金属材料的断裂行为。
五、断裂行为的应用对金属材料的断裂行为进行分析可以为材料的选用、设计和使用提供重要的依据。
通过了解材料的断裂性能,可以避免在实际应用中出现断裂导致的事故和损失。
六、结论金属材料的断裂行为是一个复杂而重要的问题。
内部缺陷和外部作用力是断裂行为的主要原因,而材料的强度、温度和加载速率是断裂行为的关键影响因素。
金属断口观察实验报告引言金属断口观察实验是一种常见的金属材料性能测试方法,通过对金属断口形貌的观察和分析,可以了解金属的断裂行为、断裂模式以及材料的强度、韧性等性能。
本次实验我们选取了不同类型的金属材料进行了断口观察,并进行了定性分析。
实验目的1. 理解金属材料的断裂行为和断裂模式;2. 掌握金属材料断口观察的方法和步骤;3. 分析不同类型金属材料的断裂特点,比较它们的强度和韧性。
实验材料和设备1. 实验材料:铁、铜、铝等金属棒材;2. 实验设备:金属切断机、砂纸、显微镜等。
实验步骤与结果1. 选取铁、铜、铝三种金属棒材进行实验。
2. 使用金属切断机将金属棒材切割成相同尺寸的试样。
3. 使用砂纸将试样的断口打磨平整,以便观察。
4. 将试样放置在显微镜下,观察并记录断口形貌,并拍摄照片。
铁的断口观察铁的断口呈现出灰黑色,在显微镜下可以清晰地看到断口面呈现出韧突状的形态。
黏附在断口上的颗粒状物质表明铁发生了韧突断裂。
这种断口表明铁具有较高的韧性和可塑性。
铜的断口观察铜的断口呈现出金黄色,在显微镜下可以看到断口表面十分光滑,没有很明显的韧突形态。
铜的断口表明其具有较低的韧性,容易发生脆断。
铝的断口观察铝的断口呈现出银白色,在显微镜下可以观察到断口呈现出类似海浪的波纹状形态。
这种断口表明铝具有较高的韧性,同时也表现出一定的可塑性。
结果分析与讨论通过对不同金属材料的断口观察,我们发现铁的断裂模式是韧突断裂,表现出较高的韧性和可塑性;铜的断裂模式是脆断,表现出较低的韧性;而铝的断裂模式表现出较高的韧性和一定的可塑性。
金属材料的断裂行为与其晶粒结构、材料强度和韧性有关。
铁的断口呈现韧突断裂是因为其晶粒较大,能够发生滑移,同时还具有较高的韧性和可塑性;而铜的断口呈现脆断是因为其晶粒结构较细且收敛,不易发生滑移,导致其强度较高但韧性较低;铝的断口呈现波纹形态是因为其具有良好的可塑性,能够发生较多的滑移带。
铝合金解理断口铝合金是一种常见的金属材料,具有较高的强度和良好的耐腐蚀性能。
在工程应用中,铝合金常被用作结构材料,用于制造飞机、汽车、船舶等各种工业产品。
在铝合金的加工和使用过程中,经常会出现断裂现象,即铝合金的断口。
本文将以铝合金解理断口为题,探讨铝合金断口的特点、成因和分析方法。
一、铝合金断口的特点铝合金的断口通常呈现出以下几种特点:1. 断口形状多样:铝合金的断口形状可以是平整的、粗糙的、呈现韧突的或者呈现韧性断裂的样貌。
2. 断口颜色明显:铝合金的断口颜色通常呈现出银白色或者灰黑色,有时也会有一些氧化物的颜色。
3. 断口表面有特征:铝合金的断口表面上常常可以观察到沿晶断裂、穿晶断裂或者韧突的特征。
4. 断口有裂纹:铝合金的断口上通常可以观察到裂纹的存在,有时甚至可以发现一些疲劳裂纹或者应力腐蚀裂纹。
二、铝合金断裂的成因铝合金的断裂通常有以下几个成因:1. 力学性质:铝合金的断裂与其力学性质有关,包括材料的强度、韧性、硬度等特性。
2. 加工工艺:铝合金在加工过程中可能会出现过度加工、变形不均匀、应力集中等问题,导致断裂。
3. 缺陷存在:铝合金中可能存在一些微观或者宏观的缺陷,如夹杂物、气孔、夹层等,这些缺陷会成为断裂的起始点。
4. 应力作用:外界应力的作用也是导致铝合金断裂的原因之一,如拉伸、压缩、弯曲等应力。
三、铝合金断口的分析方法对于铝合金的断口,可以通过以下几种方法进行分析:1. 断口形貌观察:通过显微镜观察铝合金的断口形貌,分析断口的特征,判断断裂类型和断裂机理。
2. 化学分析:通过对铝合金断口的化学成分进行分析,了解铝合金中的杂质含量以及可能存在的元素偏析情况。
3. 组织分析:通过金相显微镜观察铝合金的组织结构,分析晶粒大小、相分布、孪生等组织特征。
4. 断口硬度测试:通过硬度测试仪对铝合金的断口硬度进行测试,判断断裂的韧性和强度。
在进行铝合金断口分析时,需要综合运用以上多种方法,全面了解断口的特点和成因,从而准确判断断裂的原因,为改善铝合金的性能和提高产品质量提供依据。
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。
金属断口分析实验报告通过对金属断口进行分析,了解金属的断裂形态,判断金属的断裂性质。
实验原理:金属的断裂形态受多种因素影响,包括金属的材质、加工工艺、应力状态等。
常见的金属断口形态有韧性断口、脆性断口、中间断口等。
韧性断口是指金属在拉伸过程中逐渐展开,伴随表面的细微颗粒状变形,最终形成一条明显的条纹状断口。
韧性断口的特点是具有较高的塑性变形能力和断裂韧性,常见于延性金属材料。
脆性断口是指金属在加载过程中没有明显的变形,断口很快出现,并且没有延展性,呈现出平整且光滑的特点。
脆性断口的特点是无法承受相对较大的塑性变形,并且在加载过程中存在明显的蠕变现象,常见于脆性金属材料。
中间断口是韧性断口和脆性断口之间的一种过渡形态,断口上既有韧性断口的条纹状结构,又有脆性断口的平整、光滑特点。
中间断口常见于具有一定韧性的脆性金属材料。
实验步骤:1. 准备金属试样,根据试样的材料和加工工艺,选择合适的试样形状和尺寸。
2. 对试样进行预处理,包括清洗、抛光等步骤,以保证试样表面的光滑度和清晰度。
3. 将试样固定在实验台上,利用金属试验机进行拉伸实验或冲击实验,使试样断裂。
4. 观察断口形态,可以使用裸眼观察、显微镜观察等方式进行观察和记录。
5. 根据观察结果判断金属的断裂性质,如韧性、脆性或中间性,可以结合实验数据进行进一步分析和判断。
实验结果分析:根据实验所得的断口形态,可以判断金属的断裂性质。
如果试样的断口呈现出明显的条纹状结构,并且断口表面光滑、平整,说明试样具有一定的延展性和塑性变形能力,可以判断为韧性断口,表示金属具有较好的韧性和延性。
如果试样的断口呈现平整、光滑的表面,没有明显的条纹状结构,且试样未发生明显的延展性变形,可以判断为脆性断口,说明金属具有较差的塑性能力和韧性。
如果试样的断口同时具有条纹状结构和光滑表面,可以判断为中间断口,表示金属具有一定的韧性,但同时也存在一定的脆性。
需要注意的是,金属的断裂性质不仅与材料本身的特性有关,还与加工工艺、试样形状和尺寸等因素有关,因此在判断金属的断裂性质时,需要综合考虑多个因素。
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、内部的缺陷、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:裂纹穿过晶粒内部、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: 裂纹张开型、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:断裂应力(剩余强度) a :裂纹深度(长度) Y :形状系数(与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关) 脆性材料K 准则:KI 是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量,是表征裂纹尖端应力场强度的计算量; KIC 是材料固有的机械性能参量,是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法: T 型法(脆断判别主裂纹),分差法(脆断判别主裂纹),变形法(韧断判别主裂纹),氧化法(环境断裂判别主裂纹),贝纹线法(适用于疲劳断裂判别主裂纹)。
断口的试样制备:截取,清洗,保存。
断口分析技术设备:1.宏观断口分析技术(用肉眼,放大镜,低倍率光学显微镜观察分析)2.光学显微断口分析(扫描电子显微镜光学显微镜,透射电子显微镜),3.电镜断口分析。
第三章延性断裂:1.特点:材料断裂前发生明显的塑性变形,也可以说塑性变形是韧断的前奏,而韧断是大量塑性变形的结果。
2. 过程:显微空洞形成,扩展,连接,断裂。
3.类型:韧窝-微孔聚集型断裂、滑移分离断裂。
韧窝断口的宏观和微观形貌特征: 1宏观形貌特征(1)纤维区:a.表面颜色灰暗,无金属光泽b.粗糙不平c.无数纤维状小峰组成,小峰的小斜面和拉伸轴线大约成45度角 (2)放射区(3)剪切唇:和拉伸轴线大约成45度角注意:塑性较高材料的冲击断口一般具有两个纤维区2微观形貌特征:大小不等的圆形或椭圆形的凹坑(即韧窝)。
韧窝内一般可看到夹杂物或者第二相粒子。
注意:并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子 韧窝的形状等轴韧窝(拉伸正应力,圆形微坑,均匀分布于断口表面)剪切韧窝(剪切应力,抛物线形状,通常出现的位置:拉伸、冲击断口的剪切唇部位) 撕裂韧窝(撕裂应力,抛物线形状) 卵形韧窝(卵形)剪切韧窝与撕裂韧窝微观形状无区别,怎么区分?对材料断口的两个表面进行作对比研究:韧窝凸向一致为撕裂韧窝;反之为剪切韧窝 韧窝裂纹的萌生与扩展(以拉伸正应力为例) 1.韧窝裂纹的萌生应力超过材料的屈服强度→发生塑性变形→变形部位产生三向应力状态→在沉淀相、夹杂IC c K a K =⋅=I πσ物与金属界面处分离产生微孔,或夹杂物本身破碎形成裂纹,或滑移位错塞积产生孔洞 2.韧窝裂纹的扩展(1)内颈缩扩展:质点大小、分布均匀,韧窝在多处形核(裂纹萌生),随变形增加,微孔壁变薄,以撕裂方式连接(2)剪切扩展:材料中具有较多夹杂物,同时具有细小析出相时,微孔之间可能以剪切方式相连接。
注意:内颈缩扩展与剪切扩展在同一韧窝断口上可能同时发生。
影响韧窝的形貌因素:夹杂物或第二相粒子,基体材料的韧性,试验温度,应力状态。
第四章解理断口宏观和微观形貌特征:1.宏观形貌特征:放射状条纹,人字纹,小刻面(发亮的小晶面)2.微观形貌特征:河流花样、舌状花样、扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳线、解理台阶 解理台阶的形成:(1)解理裂纹与螺位错交截形成台阶 (2)二次解理或撕裂相互连接形成台阶 解理台阶的性质:1. 台阶扩展过程中会发生合并或消失(台阶高度减小)2. 相同方向的台阶合并后高度增加3. 相反方向的台阶合并后高度减少或消失4. 台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间有一定关系 河流花样:1.形成机理:河流花样实际上是解理台阶的一种标志。
当裂纹扩展时,同号台阶汇合成较大的台阶,而较大的台阶又汇合成更大的台阶,其结果就形成河流花样。
2.起源:(1)晶界、亚晶界、孪晶界(2)夹杂物或析出相(3)晶粒内部(解理面与螺形位错交截的地方)。
3.影响因素:(1)小角度晶界:倾斜晶界(影响不大,延伸至相邻晶界)扭转晶界(在亚晶界处产生新的裂纹,河流激增)(2)大角度晶界(河流不能通过,在晶界处产生新的裂纹,向外扩展,形成扇形。
) 解理断裂的萌生和扩展 1.裂纹萌生机制:(1)位错塞积极制位错运动→运动受阻(晶界、孪晶界、第二相夹杂物)→位错堆积→(理论断裂强度)→产生微裂纹(2)位错反应机制:位错运动→位错相遇→产生新位错(不动位错)→阻碍随后的位错运动→位错堆积→产生微裂纹(3)滑移解理机制位错运动→排列成小角度晶界→部分晶界被阻碍→产生拉应力→微裂纹 2.裂纹的扩展:根据格里菲斯表达式来解释CE c πγσ2=解理断裂的影响因素1.试验温度T↓,裂纹尖端塑性变形区↓→裂纹扩展阻力↓→解理断裂发生的容易程度上升;2.应变速率↑→解理断裂发生的容易程度↑;3.hcp、bcc类型金属、合金易发生解理断裂,fcc类型金属、合金不易发生解理断裂(滑移系);4.晶粒尺寸↑发生解理断裂的可能性↑;5.显微组织不同,解理断裂路径不同。
断口形貌不同;6.第二相粒子越粗大越容易发生解理断裂。
准解理断裂宏观特征:宏观断口较平整,少或无宏观塑性变形,结晶状小刻面,亮但不发光,较明显的放射状花样第五章疲劳断裂:1.定义:由于交变应力或循环载荷作用下的脆断。
2.分类:(1)按负载和环境条件分类:高周疲劳,低周疲劳,接触疲劳,热疲劳,腐蚀疲劳。
(2)依载荷类型特点分类:弯曲疲劳,轴向疲劳,扭转疲劳。
疲劳断裂的一般特征:(1)断裂应力比静载下的抗拉强度,屈服强度低,断裂前无明显塑性变形,是低应力脆断破坏现象。
(2)疲劳断裂是损伤积累过程的结果,是与时间相关的破坏方式。
它包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段。
(3)工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。
(4)微观上一般是穿晶断裂,也属一种脆性穿晶。
疲劳裂纹的萌生和扩展:1.萌生:表面(次表面,内部)2.扩展:第一阶段裂纹起源于材料表面,向内部扩展,扩展速度慢。
第二阶段断面与拉伸轴垂直,凹凸不平。
扩展途径为穿晶,扩展速度快。
(显微特征:疲劳辉纹)疲劳断口形貌特征:1疲劳源:光滑、细洁扇形小区域。
位于材料表面、次表面或者内部。
2裂纹扩展区形状:一条条同心的圆弧颜色:因为氧化或者腐蚀,成黑色或褐色变化规律:年轮间距小,表示裂纹扩展慢,材料韧性好3瞬断区形貌:具有断口三要素(放射区、剪切唇)的特征对于塑性材料,断口为纤维状,暗灰色对于脆性材料,断口为结晶状瞬断区面积越大,越靠近中心部位,工件过载程度越大;反之越小。
疲劳辉纹与疲劳条纹(贝纹线)的区别:贝纹线:宏观特征因交变应力幅度变化或载荷停歇造成的。
辉纹:微观特征,是一次交变应力循环裂纹尖端钝化形成的。
辉纹四要素:1.辉纹相互平行且垂直于裂纹局部扩展方向。
2.辉纹间距随应力强度因子振幅而变化。
3.辉纹个数等于负载循环次数4.通常断面上的一组辉纹是连续的,相邻断面上的辉纹不连续。
疲劳辉纹:1.形成机理:裂纹扩展的连续模型和不连续模型。
2.类型:韧性辉纹,脆性辉纹3.产生的必要条件:(1)张开型平面应变,即正断时才出现(2)延性材料比较容易出现(3)真空中不出现辉纹影响疲劳断口形貌的因素:1载荷类型与应力大小2材质3晶界4夹杂物或第二相5环境介质。
腐蚀疲劳:1定义:材料在循环应力和腐蚀介质共同作用下产生的断裂。
2裂源:材料的腐蚀坑或表面缺陷部位。
3特征:(1)多起源于腐蚀坑处或表面缺陷部位,为多源疲劳(2)断口上具有较模糊的疲劳辉纹(3)断口上具有沿晶断裂形貌,也可能有穿晶断口形貌(4)断口中二次裂纹较多第七章环境应力腐蚀断裂:拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断引起表面膜局部断裂的原因:环境因素,冶金因素,力学因素,机械破损。
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。
(蠕变断裂为沿晶断裂)第六章环境断裂:金属材料在腐蚀介质和温度环境等条件影响下产生的沿晶或穿晶低应力脆断现象应力腐蚀断裂断裂过程:裂纹的形成、裂纹的扩展氧化膜破坏-腐蚀坑形成-应力腐蚀裂纹萌生和亚临界扩展-机械失稳破坏引起表面氧化膜局部破裂的因素:环境因素、冶金因素、力学因素、机械破损SCC断口形貌特征:1.宏观:(1)呈现脆性特征(2)多源,裂纹形成区成暗色或灰黑色(3)最终断裂区具有金属光泽,常有放射性花样或人字纹。
2.微观:沿晶断口,晶面有撕裂脊等SCC影响因素和预防措施:1.影响因素:应力、环境介质、成分、热处理工艺2.预防措施:降低应力、表面处理、改变腐蚀介质、选材、电化学保护氢脆的分类及其宏微观形貌特征:分为内部氢脆和环境氢脆内部氢脆形貌特征:1宏观:白点(发裂白点、鱼眼型白点)2微观:穿晶解理断口或准解理断口环境氢脆形貌特征:1宏观:与脆性断口相似2微观:沿晶断口和准解理断口SCC与氢脆的关系1联系:通常共同存在,形貌也相似2区别:(1)电化学反应:SCC为阳极溶解控制过程,氢脆为阴极反应控制过程(2)裂源:SCC从表面开始,裂纹分叉;氢脆从次表面或内部开始,裂纹基本不分叉影响氢脆外部因素:温度、氢浓度、置放时间蠕变可由蠕变曲线描述,一般分为三个阶段:1初始蠕变阶段(蠕变速率随时间不断降低)2稳态蠕变阶段(蠕变速率保持不变)3加速蠕变阶段(蠕变速率随时间加快直至断裂)材料蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散、晶界滑动按照断裂时塑性变形量大小的顺序,可将蠕变断裂分为如下三个类型:沿晶蠕变断裂(高温、低应力)、穿晶蠕变断裂(高应力)、延缩性断裂(高温)沿晶断裂:类型:韧性沿晶断裂、脆性沿晶断裂产生的原因:1脆性沉淀相沿晶界析出2晶界弱化3环境4热应力5晶体粗大断口宏观形貌特征:结晶状、冰糖快状、灰色石状第七章断裂形式:1按裂纹产生部位:表面开裂、内部开裂2按塑性加工方式:轧制开裂、挤压开裂、锻造开裂断裂原因:1塑性变形不均匀2铸锭质量差3加工工艺不合理失效分析的一般程序:外部观察—试验检查—综合分析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。