材料性能学：4-断口分析教学

1、材料断裂及断口分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院1材料断口及断裂分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院2材料断口及断裂分析断裂分析的意义断 裂：材料在力的作用下分成若干部分的现象，断裂是力对材料作用的最终结果，意味着材料的彻底失效与磨损、腐蚀等相比危害性最大，可能出现灾难性的后果研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。对断裂的研究，关注断裂过程的机理及其影响因素，目的在于根据对断裂过程的认识制订合理的措施，实现有效的断裂控制。潘

2、春旭，Dr. & Prof.，物理学院3材料断口及断裂分析断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院4材料断口及断裂分析断裂 潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院5材料断口及断裂分析断裂的分类材料的断裂过程：裂纹的形成与扩展两个阶段按断裂前有无宏观塑性变形分类：韧性（延性）断裂（ductile fracture）、脆性断裂(brittle fracture) ；按照断裂时裂

3、纹扩展途径分类：穿晶断裂和沿晶(晶界)断裂；按照微观断裂机理分类：解理断裂和剪切断裂；按照作用力的性质分类：正断和切断；等等在不同的场合下，用不同的术语描述断裂的特征。解理断裂、沿晶断裂和微孔聚合型的延性断裂，是指断裂的微观机制。穿晶断裂和沿晶断裂，是指裂纹扩展路线。正断和切断，是指引发断裂的缘因和断裂面的取向；潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院6材料断口及断裂分析断口分析法断 口：材料的断裂表面；断口分析法：用肉眼、放大镜或电子显微镜等手段对材料断口进行宏观及微观的观察分析，以了解材料发生断裂的原因、条件、断裂机理以及与断裂有关的各种信息的方法。断口分析法在调查机件断裂失效的原因及材料

4、科学研究中是十分重要的。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院7材料断口及断裂分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院8材料断口及断裂分析韧性（延性）断裂潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院9材料断口及断裂分析韧性（延性）断裂韧性（延性）断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的斯裂过程。特 点：1) 韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能；2)断裂前发生宏观塑性变形，使结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，有断裂的预兆，能及时发现，一般不会造成严重后果。典型材料：塑性较好的金属材料（如不锈钢、低碳钢、铜、铝合金等）、高分子材料。潘春旭，Dr. & Prof

5、.，物理学院10材料断口及断裂分析延性断裂特征及过程延性断裂的过程：“微孔形核微孔长大微孔聚合”三部曲当拉伸载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形成三向拉应力状态，且在试样的心部轴向应力最大。在三向应力的作用下，使得试样心部的夹杂物或第二相质点破裂，或者夹杂物或第二相质点与基体界面脱离结合而形成微孔。增大外力，微孔在纵向与横向均长大；微孔不断长大并发生联接而形成大的中心空腔。最后，沿450方向切断，形成杯锥状断口.潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院11材料断口及断裂分析韧性断裂的宏观特征纤维区剪切唇放射区潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院12材料断口及断裂分析韧性断口的宏观特征

6、肉眼或放大镜观察时呈暗灰色和纤维状。纤维状是塑性变形过程中，众多微细裂纹的不断扩展和相互连接造成的；暗灰色是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院13材料断口及断裂分析纤维区（裂纹源）：在颈缩前的均匀变形阶段，材料内部开始随机产生微孔和微孔聚集，尽而形成微裂纹，并缓慢扩展，在这一过程中吸收了大量的塑性功，形成的断口较平坦，成暗灰色，称为纤维状断口，断口平面与拉力轴线垂直。放射区：裂纹失稳扩展，快速撕裂。断裂吸收能量显著降低，形成具有放射状花样特征的比较光亮平坦的断口区，称为放射区。放射花样呈发散状，与裂纹扩展方向一致，收敛

7、于裂纹源。放射区特征对断裂分析很有意义，经常用它作为判断裂纹源位置的依据。剪切唇：裂纹快速扩展至接近试样表面时，在与拉伸轴线成45方向上形成剪切断口，称为剪切唇。剪切唇表面光滑，是试样表面层自由变形和快速剪切的结果。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院14材料断口及断裂分析断口三要素与材料韧性程度、应力条件、试验温度、加载速度以及试样尺寸等有关系。一般说来，材料韧性越高，纤维区尺寸越大试验温度越低，加载速度越高，试样尺寸越大，放射区面积所占断口比例越大。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院15材料断口及断裂分析延性断裂的微观特征是韧窝形貌，在电子显微镜下，可以看到断口由许多凹进或凸出的

8、微坑组成。在微坑中可以发现有第二相粒子。韧窝的形状因应力状态而异。在正应力作用下，韧窝是等轴形的；在扭转载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。韧性断口的微观特征潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院16材料断口及断裂分析韧性断口的微观特征潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院17材料断口及断裂分析韧性断口的微观特征钛合金的扫描电镜形貌潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院18材料断口及断裂分析韧性断口的微观特征“韧窝（Dimples）”的形成 ：微孔形成、长大和连结等过程。在每一个韧窝内都含有一个第二相质点或者折断的夹杂物或者夹杂物颗粒。裂纹源：材料中的非金属夹杂物和第二相或其他脆性相(统称为

9、异相)颗粒是微孔形成的核心；裂纹扩展：初始裂纹沿拉伸方向延长，形成空洞；断 裂：空洞连接的结果。等轴韧窝：空洞与作用力方向垂直（正应力作用）拉长韧窝：空洞受切向作用力或撕裂作用（切应力或扭转载荷作用）。 潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院19材料断口及断裂分析微孔形核，长大与聚合实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核的源。第二相粒子分为两大类：一类是夹杂物，如钢中的硫化物，在不大的应力作用下便与基体脱开或本身裂开而形成微孔；另一类是强化相，如钢中的弥散的碳化物， 合金中的弥散的强化相,它们本身比较坚实，与基体结合比较牢固，是位错塞积引起的应力集中或在高应变条件下，第二相与基体塑性变

10、形不协调而萌生微孔的。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院20材料断口及断裂分析微孔成核与长大的位错模型潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院21材料断口及断裂分析微孔成核并逐渐长大，有两种不同的聚合模式：一种是正常的聚合，即微孔长大后出现了“内颈缩”，使实际承载的面积减少而应力增加，起了“几何软化”作用。另一种聚合模式是裂纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间产生了局部滑移，由于这种局部的应变量大，产生了快速剪切裂开。这种模式的微孔聚合速度快，消耗的能量也较少，所以塑性韧性差。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院22材料断口及断裂分析影响韧性（延性）断裂的因素（1）基体的形变强化，基体的形

11、变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，哪里变形，哪里便强化，其结果是各处均匀的变形相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式塑性韧性低（2）第二相粒子, 钢的塑性下降；硫化物比碳化物的影响要明显得多。同时碳化物形状也对断裂应变有很大影响，球状的要比片状的好很多潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院23材料断口及断裂分析脆 性 断 裂潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院24材料断口及断裂分析脆性断裂脆性断裂：材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形（伸长和缩颈）的断裂现象。或，当应力增加到超过材料的局部内聚力时，引起原子间键合的断裂，以解理的

12、方式发生脆断。包 括：穿晶断裂的沿晶断裂。特 点：1) 没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，裂纹的扩展速度往往很快，接近音速，因而具有很大的危险性，断裂往往造成严重后果，特别受到关注；2) 主要指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断。包括与材料冶金质量有关的低温脆性，回火脆性和兰脆等。3) 脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。主要材料：体心立方和密排立方金属，淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院25材料断口及断裂分析脆性断裂的宏观特征潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院26材料断口及断裂分析解理断

13、裂脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院27材料断口及断裂分析解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子等等。解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均为解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶。在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样。河流状花样

14、是由解理台阶的侧面汇合而形成的。解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位错交割而形成；也可认为通过二次解理或撕裂而形成.解理断裂的另一个微观特征是舌状花样；它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院28材料断口及断裂分析解理断裂的微观特征解理断裂属于脆性断裂中的“穿晶断裂”。典型的解理断口形貌：1) 台 阶：裂纹扩展时，在晶界处形成台阶；2) 河流花样：解理台阶连接的结果；3) 舌状花样：解理裂纹与形变孪晶相交形成的。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院29材料断口及断裂分析解理断裂的微观特征潘春旭，Dr. & Prof.，物

15、理学院30材料断口及断裂分析准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。准解理断裂时，其解理面除(001)面外，还有(110)、(112)等晶面。解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。撕裂棱的形成过程：它是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院31材料断口及断裂分析aIbcdeIWeld metalHAZBase metala50 m50 mc50 mb50 me50 md潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院32材料断口及断裂分析准解理与解理断裂的不同准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状

16、地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；准解理断口有许多撕裂棱；准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院33材料断口及断裂分析沿晶断裂的微观特征潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院34材料断口及断裂分析沿晶断裂的特点沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院35材料断口及断裂分

17、析沿晶断裂的原因沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相，微量有害杂质元素在晶界上偏聚，由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤钢的高温回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院36材料断口及断裂分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院37材料断口及断裂分析脆性韧性转变工程上总是希望构件在韧性状态下工作，避免危险的脆性断裂。航空航天事业，安全第一。构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组织结构，还取决于应力状

18、态，温度和加载速率等因素，并不是固定不变的，而是可以互相转化的潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院38材料断口及断裂分析由材料力学可知，任何复杂的应力状态都可以用切应力和正应力表示。切应力促进塑性变形，对塑性韧性有利；拉应力促进断裂，不利于塑性和韧性。最大切应力max=（1-3）与最大当量正应力Smax（Smax=1-（2+3）之比称为应力状态的柔度系数(亦叫软性系数)，即=max/Smax (5-21)值愈大，应力状态愈“柔”，愈易变形而较不易开裂，即愈易处于韧性状态。值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。应力状态及其柔度系数潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院39材料断口及断裂分析佛里

19、德曼()力学状态图潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院40材料断口及断裂分析温度和加载速率的影响表面能和弹性模量E是决定断裂强度的主要因素。温度对表面能和弹性模量E的影响不大，所以对断裂强度影响不大。温度对屈服强度影响很大，主要是因为温度有助于激活F-R位错源，有利于位错运动，使滑移易于进行。所以，普通碳钢在室温或高温下，断裂前有较大的塑性变形，是韧断。但低于某一温度，位错源激活受阻，难以产生塑性变形，断裂便可能变为脆性的了。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院41材料断口及断裂分析潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院42材料断口及断裂分析提高加载速率起着与温度相似的作用。加载速率

20、提高，则相对形变速率增加，相对形变速率超过某一限度(如10-1s)会限制塑性变形发展，使塑性变形极不均匀，结果变形抗力提高了，并在局部高应力区形成裂纹。潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院43材料断口及断裂分析影响韧性-脆性转变的组织因素很多，也比较复杂，主要有：(1)晶格类型的影响面心立方晶格金属塑性、韧性好，体心立方和密排六方金属的塑性、韧性较差。面心立方晶格的金属，如铜、铝、奥氏体钢，一般不出现解理断裂而处于韧性状态，也没有韧-脆转变，其韧性可以维持到低温。体心立方晶格的金属，如铁、铬、钨和普通钢材，韧脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在低温和高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解理断裂。材料的微观结构的影响潘春旭，Dr. & Prof.，物理学院44材料断口及断裂分析(2)成分的影响钢中含碳量增加，塑性变形抗力增加，不仅冲击韧性降低，而且韧脆转变温度明显提高，转变的温度范围也加宽了。钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也是不利的。磷降低裂纹表面能，硅可限制交滑移，促进出现孪生，都起着提高韧-脆转变温度的不利作用。合金元素的影响比较复杂，镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度，这可能