最全金属材料断口分析PPT

沿晶断裂的断口形貌呈冰糖状，有时也称“萘状断 口”，上左图为18CrNiWA钢的冰糖状断口。 如晶粒很细小，则肉眼无法辨认出冰糖状形貌，此 时断口一般呈晶粒状，颜色较纤维状断口明亮，但 比纯脆性断口要灰暗些。 穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。
剪切断裂与解理断裂

(1)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，其中又 分滑断(纯剪切断裂)和微孔聚集型断裂。
(2)解理断裂




解理断裂是金属材料在一定条件下(如低温)，当外 加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体 学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故 称此种晶体学平面为解理面。 一般在体心立方、密排六方金属中发生，而面心立 方金属只在特殊情况下才发生。 解理面一般是低指数晶面或裸露后表面能最低的晶 面。 解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显 示一定的塑性变形，所以解理断裂与脆性断裂不是 同义词，解理断裂指断裂机理而言，脆性断裂则指 断裂的宏观性态。
1．甄纳－斯特罗位错塞积理论

在滑移面上的切应力作用下， 刃型位错在晶界前受阻并互 相靠近形成位错塞积,如果 塞积头处的应力集中不能为 塑性变形所松弛，当切应力 达到某一临界值时,塞积头 处的最大拉应力能够等于材 料理论断裂强度而形成高nb、 长为r的楔形裂纹。


解理裂纹的形成，并不意味着裂纹将迅速扩 展而导致金属材料完全断裂。 柯垂耳用能量分析法推导出解理裂纹扩展的 临界条件为
放射区的形成过程




纤维区中裂纹扩展是很慢的，当其达到临界尺寸后 就快速扩展而形成放射区。 放射区有放射线花样特征。放射线平行于裂纹扩展 方向而垂直于裂纹前端(每一瞬间)的轮廓线，并逆 指向裂纹源。 撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。对于几乎 不产生塑性变形的极脆材料，放射线消失。 温度降低或材料强度增加，由于塑性降低，放射线 由粗变细乃至消失。

对断口形貌有一全面了解，用于分析断裂原因， 但不能判明断口的精细结构 可确定裂纹起点及扩展途径，为微观分析确定最 重要途径 除上述功能外，利用其焦深浅和易调动焦距可测 定凹凸高度差，疲劳条纹间距，裂纹形态，但对 断口形貌难作详细观察。分辨率＞0.2μ
透射电子显微镜
1千-几十万 焦深大，能观察其一次复型或二次复型凹凸不平 的表面，分辨率高，成象质量好，不必破坏断口。 但不能在低倍下作扫描观察 5-20万 可直接扫描断口，也可以用复型法观察，放大倍 数可在一定范围内连续变化，高低倍比较具有方 便、直接快速的优点。但分辨率不如TEM，样 品尺寸受限制，有时要破坏
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一、轧制时的断裂
板材端部呈圆形 轧件通过辊缝时，沿宽向各点均有横向流动的趋势， 由于受到摩擦阻力的影响，中心部分宽展远小于边 部，此时中心部分厚度的减少将转化为长度的增加 而边部厚度的减少则有部分转化为宽展，所以板材 端部呈圆形。
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边裂：
◆ 由于轧件为一整体，边部受附加拉应力作用，产生边部周期性裂纹 ◆轧辊控制不当（凸辊型） ◆坯料形状不良（凸形横截面） 劈裂：板材两侧强烈的附加拉应力所引起 防止措施：◆适宜的良好辊型和坯料尺寸形状 ◆合理的轧制工艺规程（控制压下量、润滑、调整张力） ◆包覆侧边
预防措施：
增加L/h值，即道次压下量。随L/h增加，变形逐渐向内部深入，当达到 一定值后，轧件中间部位便由原来的纵向拉应力变为压应力
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二、挤压（拉拔）时的断裂 挤压表面裂纹
由于挤压筒和模壁摩擦力的阻碍作用，使边部金属流动滞后中心部金 属，造成了边部受拉，中心受压的附加应力分布。摩擦阻力越大，此 种现象就越严重，当摩擦力很大时，就会造成金属挤压制品的表面裂 纹，严重时会出现竹节状或棘棒状。 拉拔与挤压类似，但基本应力为拉应力，这就加剧了边部裂纹。

断口（断裂）的基本特征与机理
滑移分离
滑移的形式
波状滑移：在晶体材料中不仅有直线型的滑移线或滑移带，
而且有波状的滑移线或滑移带。尤其是体心立方材料，由于它 没有最密排的晶面，所以滑移没有一个确定的晶面，一般可能 在几个较密的低指数面滑移，如{110}、{112}、{123}。而密排 方向是<111>，它便是滑移方向。共有48个滑移系，如果有很
断口（断裂）的基本特征与机理
滑移分离
滑移的形式 滑移碎化：当一个晶粒产生滑移变形时，它受到相邻晶粒的 束缚而阻止该晶粒的滑移，这样滑动的晶粒随着滑移变形量的 增加而产生硬化现象；另一方面这个晶粒边界的应力场将促进 相邻晶粒的滑移。与此同时，这个晶粒开动了更多的滑移系来 反抗相邻晶粒的阻力，由此产生了多重滑移而引起滑移碎化。 扭折带：在晶体材料滑移变形时，有时出现滑移部分的晶体 相对于基体旋转一定的角度，滑移区域内的滑移线成S形弯曲， 称为扭折带。扭折带两端的晶体区域具有不同的去向，但扭折 带平面总是大致垂直于主要参与滑移的方向。
断口分析的作用及意义
断裂失效分析从裂纹和断口的宏观、微 观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与 材料性能、显微组织、零件受力状态及环 境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的 原因和规律。
断裂力学方法和金属物理方法之间架起 联系的桥梁。
断口（断裂）分类
1.断裂与断口 构件或试样在外力作用下导致裂纹形成扩展 而分裂为两部分（或几部分）的过程称为断 裂。包括裂纹萌生、扩展和最后瞬断三个阶 段。 各阶段的形成机理及其在整个断裂过程中所 占的比例，与构件形状、材料种类、应力大 小与方向、环境条件等因素有关。 断裂形成的断面称为断口。断口上详细记录 了断裂过程中内外因素的变化所留下的痕迹 与特征，是分析断裂机理与原因的重要依据。

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沿晶断裂
沿晶断裂的裂纹沿晶界扩 展，大多数是脆性断裂， 由晶界上的一薄层连续或 不连续脆性第二相、杂质 物，破坏了晶界的连续性 所造成，也可能时杂质元 素向晶界偏聚引起的。 应力腐蚀、氢脆、回火脆 性、淬火脆性、磨削裂纹 等大都是沿晶断裂。
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解理断裂
金属材料在一定的条件下 （如低温） ，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产 生的穿晶断裂，因与大理 石断裂类似，古城此种晶 体学平面为解理面。家里 面一般是低指数晶面或表 面能最低的晶面。 例如： 晶体结构为 bcc： Fe、 解理面为｛001｝hcp 的主 要解理面为｛0001｝ 金属材料在切应力作用下 沿滑移面分离断裂，其中 又分滑断（纯剪切断裂） 和微孔聚集性断裂。纯金 属尤其是单晶体金属常产 生纯剪切断裂，其断口呈 锋利的楔形（单晶体金属） 或刀尖形（多晶体金属的 完全韧性断裂） 。这是纯粹 由滑移流变所造成的断 裂。微孔聚集性断裂是通 过微孔形核、长大聚合而 导致材料分离的。由于实 际材料中常同时形成微 孔，通过微孔长大互相连 接而最终导致断裂。
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剪切断裂
断口形貌
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韧性断裂
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脆性断裂
脆性断裂是突然发生的断 裂，断裂前基本上不发生 塑性变形，没有任何征兆， 因而危险性很大。脆性断 裂的断裂面一般与正应力 垂直，断口平齐而光亮， 常呈放射状或结晶状。
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穿晶断裂
多晶体金属断裂时，裂纹 扩展的路径可能是不同 的。穿晶断裂的裂纹穿过 晶内。穿晶断裂可以是韧 性断裂（如韧脆转变温度 以上的穿晶断裂） ，也可以 是脆性断裂（低温下的穿 晶解理断裂）
穿晶断裂可以是韧性断裂如韧脆转变温度以上的穿晶断裂也可以是脆性断裂低温下的穿晶解理断裂4沿晶断裂沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展大多数是脆性断裂由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相杂质物破坏了晶界的连续性所造成也可能时杂质元素向晶界偏聚引起的