解理断裂的微观断口特征

弹簧准解理断口形貌特征

准解理断裂属于脆性穿晶断裂，宏观断口形貌比较平整，基本上 无宏观塑性变形或有极少的宏观塑性变形。断口大多呈结晶状，小刻 面亮但不发光。准解理断口也经常显示有较明显的放射状花样，可以 根据放射状花样的走向分析判断断裂起源和准解理主裂纹扩展方向， 见图5-1.

图5〃 30CrMnSi漱解理宏观断口放射状花样

由于准解理断裂是界于解理断裂与韧窝断裂之间的一种断裂方 式，因此准解理断口微观形貌特征既不同于解理断口也有别于延性韧 窝断口。 1、河流花样

准解理断裂河流花样通常起源于晶粒内部的孔洞、非金属夹杂物、 硬质点及析出物等。河流由内部向小平面的周边扩展，河流较短不连 续，汇合特征不明显。在倾斜晶界、扭转晶界和大角度晶界的界而处 没有河流的延续或激增的情况。如果准解理断裂接近解理断裂时，准 解理小平面比较平整、河流向一个方向流动并有汇合的表现。小平面 之间以撕裂方式相接，可看到明显的撕裂棱，这一特征与解理断口的 河流花样有较明显的区别。如果断裂方式接近韧窝断裂时，在断日上 也可能看不到河流花样，断口表面全部山撕裂棱组成，见图5-2。

图5∙2准解理断口

2、撕裂棱 准解理断裂断裂单元为小平面，回火马氏体组织的准解理面为 (Io0)。小平而之问发生塑性变形以撕裂的方式相连接。准解理断裂 接近解理断裂机制时撕裂棱较小，如果断裂机制接近韧窝断裂时撕裂 棱突起特别明显早花瓣状，见图5-3。

图5-3 45钢冲去断裂准解理断口 x53O

3、准解理小平面比回火马氏体尺寸大得多，它相当于淬火前的原 始奥氏体品粒尺度。准解理面的大小取决于材料成份、组织状态和试 验条件等。

4.在准解理断口上有时能看到舌状花样，但并不常见。

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。

断口学的发展及微观断裂机理研究Ξ

DEVELOPMENTOF“FRACTOGRAPHY”ANDRESEARCH

OFFRACTUREMICROMECHANISM

钟群鹏ΞΞ　赵子华 张　峥

(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083)

ZHONGQunPeng　ZHAOZiHua　ZHANGZheng

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China)

摘要　从宏观到微观、从定性到定量、从断裂失效的断口分析到机理研究的断口学,阐述断口分析在断裂失效(事

故)分析中的地位和作用,介绍断口分析的内容及其依据、基本技能和方法,着重说明断口学的发展和微观断裂机理的研

究。

关键词　断裂失效分析　断口分析　断口学　微观机理

中图分类号　TG113

Abstract　Frommacroscopicaltomicrocosmic,fromqualitativetoquantitative,fromfracturesurfaceanalysisinfracturefailureto

fractographyaboutmechanism,itstatedpositionandfunctionoffracturesurfaceanalysisinfracturefailureanalysisandintroducedthe

contents,evidence,fundamentalskillsandmethodsoffracturesurfaceanalysisandemphasizedthedevelopmentoffractographyandthe

researchonfracturemicromechanism.

Keywords　Fracturefailureanalysis;Fracturesurfaceanalysis;Fractography;Micromechanism

解理断裂

定义

解理断裂～宏观脆性断裂

解理面：

一 解理断口宏观形貌特征

结晶状小平面、“放射状”或“人字形”花样。

1）结晶状小平面：解理断口上的结晶面宏观上无规则取向。在光照下呈现许多反光小平面。

2）放射状或人字形花样

放射条纹的收敛处和人字的尖端为裂纹源。

人字型形态反映材料性质和加载速度。材料机械性能相同时，加载速度越大“人字纹”越明显。加载速度相同时，材料脆性越大，“人字纹”越明显。

二 解理断口微观形貌特征

河流花样、舌状花样、扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳纹及二次裂纹。

1河流花样

1）解理台阶产生机制

（1）两个不再同一平面的解理裂纹通过与主解理面相垂直的二次解理形成解理台阶。

（2）解理裂纹与螺位错相交截形成台阶。

（3）解理裂纹之间形成较大的塑性变形，通过撕裂方式连接形成台阶

（4）通过基体和孪晶的界面发生开裂连接形成台阶

2）河流花样的起源及在裂纹扩展中的形态变化

（1）河流花样起源于有界面的地方：晶界、亚晶界、孪晶界

（2）起源于夹杂物或析出相

（3）起源于晶粒内部～解理面与螺位错交割所致

扩展过程中：

（1）小角度晶界

现象：连续地穿过晶界，顺延至下一个晶粒

原因：偏转角度小

（2）扭转晶界（孪晶界）

现象：发生河流的激增

原因：偏转角度大，裂纹需重新形核

（3）普通大角度晶界

现象：产生大量河流，晶界两侧河流台阶的高度差大

2 舌状花样

现象：体心立方晶体在低温和快速加载时及密排六方金属材料中由于孪生是主要形变形式，断口上经常可以看到舌状花样。

形成机理：

主裂纹从A扩展至B，遇到孪晶，然后沿着孪晶界扩展至C，此时，如果孪晶发生二次解理，则裂纹沿CHK扩展，如果孪晶发生撕裂，则裂纹沿CDE扩展。

舌状花样成对出现，在一个断面上凸出，在另外一个断面上凹陷。

3 扇形花样

起源于靠近晶界的经历内部，以扇形的方式向外扩展。解理台阶为扇形的肋。

4 鱼骨状花样