断口分析[共103页]

1、 X射线衍射仪 JSM-6700F场发射扫描电镜场发射扫描电镜 JEM-2010透射电镜 菲利浦公司生产的 TECNAI-20 日本电子公司生产日本电子公司生产 的的JEM-2010JEM-2010 光学显微镜下的照片光学显微镜下的照片 背散射电子像背散射电子像 扫描电镜射照片扫描电镜射照片 透射电镜射照片及衍射花样透射电镜射照片及衍射花样 一、什么是断口？断口学？一、什么是断口？断口学？ 断口：断口：试样或零件在试验或使用过程中断裂后形试样或零件在试验或使用过程中断裂后形 成的相匹配的表面成的相匹配的表面。（断口是断裂失效中，两断裂分（断口是断裂失效中，两断裂分 离面的简称）离面的简称） 断

2、口学：断口学：研究断口的形貌、性质进而分析断裂类研究断口的形貌、性质进而分析断裂类 型、断裂方式、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断型、断裂方式、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断 裂原因和断裂机理的科学。裂原因和断裂机理的科学。 二、断口分类二、断口分类 1 1、宏观分类、宏观分类 (1)(1)按断口表面宏观变形按断口表面宏观变形 韧性断口、脆性断口、韧韧性断口、脆性断口、韧- -脆混合断口脆混合断口 (2)(2)按断口宏观取向分类按断口宏观取向分类 正断断口、切断端口、混合断口正断断口、切断端口、混合断口 脆性断裂脆性断裂 韧性断裂韧性断裂 2 2、微观分类、微观分类 (1)(1)按断裂路径分

3、类按断裂路径分类 沿晶断裂、穿晶断裂沿晶断裂、穿晶断裂 (2)(2)按微观形貌按微观形貌 解理断口、准解理断口、韧窝断口、疲劳断口、解理断口、准解理断口、韧窝断口、疲劳断口、 沿晶断口等沿晶断口等 三、韧性断裂三、韧性断裂 断裂前发生明显的塑性变形，韧性较好的材料所断裂前发生明显的塑性变形，韧性较好的材料所 承受的载荷超过了该材料的强度极限时，就会发生承受的载荷超过了该材料的强度极限时，就会发生 韧性断裂。韧性断裂。 宏观断口为纤维状。塑性金属光滑圆试样拉伸杯宏观断口为纤维状。塑性金属光滑圆试样拉伸杯 锥状断口是一种常见的韧性断口。锥状断口是一种常见的韧性断口。 该种类型断口通常可分为三个区域

4、，即纤维区、该种类型断口通常可分为三个区域，即纤维区、 放射区和剪切唇区。放射区和剪切唇区。 3.1 3.1 韧窝断口的微观形貌特征韧窝断口的微观形貌特征 韧窝断口的微观形貌特征是一些大小不等的圆形或椭韧窝断口的微观形貌特征是一些大小不等的圆形或椭 圆形的凹坑圆形的凹坑- -韧窝，在韧窝内经常可以看到夹杂物或第二韧窝，在韧窝内经常可以看到夹杂物或第二 相粒子。然而并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子，因相粒子。然而并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子，因 为夹杂物或粒子分布在两个匹配断口上。此外夹杂物在断为夹杂物或粒子分布在两个匹配断口上。此外夹杂物在断 裂、运输或超声清洗时也可能脱落。裂、运输或

5、超声清洗时也可能脱落。 凹坑的形状有凹坑的形状有等轴韧窝等轴韧窝、剪切韧窝剪切韧窝和和撕裂韧窝撕裂韧窝三种。三种。 其形状取决于应力状态。其形状取决于应力状态。 拉伸断裂在断口上形成等轴状的韧窝拉伸断裂在断口上形成等轴状的韧窝 等轴韧窝是在拉伸正应力的作用下形成。应力等轴韧窝是在拉伸正应力的作用下形成。应力 在整个断口表面上是均匀的，显微空洞沿空间三个在整个断口表面上是均匀的，显微空洞沿空间三个 方向均匀长大，形成等轴韧窝。方向均匀长大，形成等轴韧窝。 拉伸形成的等轴韧窝拉伸形成的等轴韧窝 剪切断裂剪切断裂 剪切韧窝呈抛物线形。在剪切应力作用下显微空洞沿剪剪切韧窝呈抛物线形。在剪切应力作用下显

6、微空洞沿剪 切方向上被拉长。剪切韧窝在两个相匹配的断面上方向相切方向上被拉长。剪切韧窝在两个相匹配的断面上方向相 反。反。 剪切方向形成的方向相反的拉长韧窝剪切方向形成的方向相反的拉长韧窝 卵形韧窝是由较大夹杂物或第二相粒子卵形韧窝是由较大夹杂物或第二相粒子 先形成韧窝核，大人在长大过程中其自先形成韧窝核，大人在长大过程中其自 由表面与一个小韧窝连通，这时小韧窝由表面与一个小韧窝连通，这时小韧窝 完全覆盖在大韧窝上，貌似卵形完全覆盖在大韧窝上，貌似卵形。 Oval Oval 拉伸撕裂拉伸撕裂 撕裂形成的方向相同的拉长韧窝撕裂形成的方向相同的拉长韧窝 撕裂韧窝也是被拉长了的韧窝，呈抛物线状，是在

7、撕裂韧窝也是被拉长了的韧窝，呈抛物线状，是在 撕裂应力作用下形成的。撕裂时材料受力的作用，显撕裂应力作用下形成的。撕裂时材料受力的作用，显 微空洞各部分受应力不同，沿着受力较大的方向韧窝微空洞各部分受应力不同，沿着受力较大的方向韧窝 被拉长。常见于尖端裂纹的尖端及平面应变条件下做被拉长。常见于尖端裂纹的尖端及平面应变条件下做 低能撕裂的断口。低能撕裂的断口。 22Cr22Cr双相不锈钢板材的冲击断口双相不锈钢板材的冲击断口 4545钢断口形貌钢断口形貌 从以上的分析可知：从以上的分析可知：剪切韧窝与撕裂韧剪切韧窝与撕裂韧 窝形状没有什么区别，只从照片上很难区分，窝形状没有什么区别，只从照片上很

8、难区分， 必须对断口两侧作对应研究，看凸向是否相必须对断口两侧作对应研究，看凸向是否相 同才能确定。同才能确定。 3.2 3.2 韧窝的尺寸韧窝的尺寸 韧窝的尺寸包括它的平均直径和深度。影响韧窝尺寸韧窝的尺寸包括它的平均直径和深度。影响韧窝尺寸 的主要因素为第二相质点的尺寸、形状、分布，材料本的主要因素为第二相质点的尺寸、形状、分布，材料本 身的相对塑性、变形硬化指数，外加应力、温度等。身的相对塑性、变形硬化指数，外加应力、温度等。 在金属的韧窝断口中，一般最常见的是尺寸大小各在金属的韧窝断口中，一般最常见的是尺寸大小各 不相等各不相等的韧窝，如不相等各不相等的韧窝，如大韧窝周围密集着小韧窝大

9、韧窝周围密集着小韧窝 的情况。的情况。 3.2.1 3.2.1 韧窝的尺寸韧窝的尺寸 SEMTEM 大韧窝周围密集着小韧窝大韧窝周围密集着小韧窝 韧窝大小、深浅及数量取决于材料断裂时夹杂物或韧窝大小、深浅及数量取决于材料断裂时夹杂物或 第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温 度。如果夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差则断度。如果夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差则断 口上形成的韧窝尺寸较小较浅。反之则韧窝较大较深。口上形成的韧窝尺寸较小较浅。反之则韧窝较大较深。 成核的密度大、间距小、则韧窝的尺寸小。在材料的成核的密度大、间距小、则

10、韧窝的尺寸小。在材料的 塑性及其他试验条件相同的情况下，第二相粒子大，塑性及其他试验条件相同的情况下，第二相粒子大， 韧窝也大；粒子小，韧窝也小。韧窝的深度主要受材韧窝也大；粒子小，韧窝也小。韧窝的深度主要受材 料塑性变相能力的影响。材料的塑性变形能力大，韧料塑性变相能力的影响。材料的塑性变形能力大，韧 窝深度大，反之韧窝深度小。窝深度大，反之韧窝深度小。 等轴韧窝（等轴韧窝（SEM）拉长韧窝（拉长韧窝（TEM） 22Cr双相不锈钢冲击微观断口形貌（双相不锈钢冲击微观断口形貌（SEM） 第二相粒子第二相粒子 第二第二 相粒相粒 子子 金属材料本身的相对塑性以及变形硬化指数的大金属材料本身的相对

11、塑性以及变形硬化指数的大 小直接影响着显微空洞的聚集、连接方式。通常，小直接影响着显微空洞的聚集、连接方式。通常， 变形硬化指数越大的材料难以发生内颈缩，将产生变形硬化指数越大的材料难以发生内颈缩，将产生 更多的显微空洞或通过剪切断裂而连接，因此导致更多的显微空洞或通过剪切断裂而连接，因此导致 韧窝变小、变浅。受材料本身微观结构和相对塑性韧窝变小、变浅。受材料本身微观结构和相对塑性 的影响，韧窝表现出完全不同的形态和大小。的影响，韧窝表现出完全不同的形态和大小。 3.2.2 3.2.2 影响韧窝的尺寸因素影响韧窝的尺寸因素 1.1.硬化指数硬化指数 弹簧钢浅的锥形韧窝弹簧钢浅的锥形韧窝马氏体钢

12、的浅韧窝马氏体钢的浅韧窝 2.2.应变速率和温度的影响应变速率和温度的影响 应变速率和温度通过对材料塑性和硬化指数发生应变速率和温度通过对材料塑性和硬化指数发生 作用而影响韧窝的尺寸；随着温度的增加，韧窝深作用而影响韧窝的尺寸；随着温度的增加，韧窝深 度增加；对于某些合金，随着应变速率的增加，韧度增加；对于某些合金，随着应变速率的增加，韧 窝的直径增加。窝的直径增加。 3.3.应变大小和应力状态的影响应变大小和应力状态的影响 应力大小和应力状态也通过对材料塑性变形能力应力大小和应力状态也通过对材料塑性变形能力 的影响间接的影响着韧窝的深度。例如：在高的静的影响间接的影响着韧窝的深度。例如：在高

13、的静 水压作用下，有利于内静缩的产生，是显微空洞间水压作用下，有利于内静缩的产生，是显微空洞间 基体的剪切断裂减少，这时韧窝的直径变化不大，基体的剪切断裂减少，这时韧窝的直径变化不大， 但是韧窝的深度有较大的增加；而在多向拉伸应力但是韧窝的深度有较大的增加；而在多向拉伸应力 作用下，显微空洞间的基体易于产生剪切断裂，同作用下，显微空洞间的基体易于产生剪切断裂，同 样韧窝的直径变化不大，而韧窝的深度却减小。样韧窝的直径变化不大，而韧窝的深度却减小。 3.2.3 3.2.3 韧性断口的诊断韧性断口的诊断 1.1.对材料塑性的判断对材料塑性的判断 柔性系数。柔性系数。一般说来，载荷的柔性系数越小，同

14、一种材一般说来，载荷的柔性系数越小，同一种材 料所表现出来的塑性就越大；应变速率越大，温度越低，同种料所表现出来的塑性就越大；应变速率越大，温度越低，同种 材料所表现出来的塑性就越小。材料所表现出来的塑性就越小。 纤维区、放射区和剪切唇三区的相对大小纤维区、放射区和剪切唇三区的相对大小。纤维区所占纤维区所占 的面积比例越大，说明材料塑性越好。的面积比例越大，说明材料塑性越好。 颈缩颈缩。颈缩越大材料的塑性越好。颈缩越大材料的塑性越好。 韧窝尺寸韧窝尺寸。韧窝的尺寸越大（平均直径越大、深度越韧窝的尺寸越大（平均直径越大、深度越 深），材料的塑性就越好深），材料的塑性就越好。 2.2.对载荷类型的

15、判断对载荷类型的判断 静拉伸应力造成的韧性断口往往呈杯锥状（圆棒试样）静拉伸应力造成的韧性断口往往呈杯锥状（圆棒试样） 或是呈或是呈4545切断断口，它的塑性变形是以颈缩的方式表现出切断断口，它的塑性变形是以颈缩的方式表现出 来。来。一旦发现颈缩的杯锥状断口或有颈缩一旦发现颈缩的杯锥状断口或有颈缩4545方向的切断断方向的切断断 口，就可以判断载荷为静拉伸载荷。口，就可以判断载荷为静拉伸载荷。 静压缩造成的韧性断口呈静压缩造成的韧性断口呈4545切断断口形状。切断断口形状。 冲击载荷下，由于加载速率很快，试样来不及充分的塑冲击载荷下，由于加载速率很快，试样来不及充分的塑 性变形，因此塑性变形不

16、是比较均匀的分布在晶粒中，而是性变形，因此塑性变形不是比较均匀的分布在晶粒中，而是 集中在局部区域。断口上通常有剪切唇区，但剪切唇在整个集中在局部区域。断口上通常有剪切唇区，但剪切唇在整个 试样周围不完整。试样周围不完整。 四、四、 解理断裂解理断裂 4.1 4.1 基本概念基本概念 定义：定义： 解理断裂指晶体材料受拉应力作用沿着某些严解理断裂指晶体材料受拉应力作用沿着某些严 格的结晶学平面发生分离的过程，其断口称为解理断格的结晶学平面发生分离的过程，其断口称为解理断 口。结晶学平面称为解理面，有时解理面兼作滑移面口。结晶学平面称为解理面，有时解理面兼作滑移面 或孪晶面。或孪晶面。 用来制造

17、金属结构、桥梁、压力容器的低碳钢用来制造金属结构、桥梁、压力容器的低碳钢 材在低温下可能出现冷脆；金属材料晶粒粗大、内材在低温下可能出现冷脆；金属材料晶粒粗大、内 部带有缺陷；试件上带有尖锐切口或裂缝，受冲击部带有缺陷；试件上带有尖锐切口或裂缝，受冲击 载荷作用等外部因素；焊接裂纹、焊缝夹杂、气孔严载荷作用等外部因素；焊接裂纹、焊缝夹杂、气孔严 重及焊后热处理条件不当；压力容器在低温或与有害重及焊后热处理条件不当；压力容器在低温或与有害 介质接触，环境介质与拉伸应力共同作用而产生的应介质接触，环境介质与拉伸应力共同作用而产生的应 力腐蚀断口；上述零件的断裂经常呈解理断口，氢脆力腐蚀断口；上述零

18、件的断裂经常呈解理断口，氢脆 断口有时也可见到解理断裂。断口有时也可见到解理断裂。 解理断裂通常是在没有觉察到的塑性变形的情况下解理断裂通常是在没有觉察到的塑性变形的情况下 发生的脆性断裂。体心立方晶系一般沿发生的脆性断裂。体心立方晶系一般沿100100面解理，面解理， 也可以沿也可以沿110110、 112112、 111111等晶面解理。密排等晶面解理。密排 六方晶体常常沿六方晶体常常沿00010001发生解理。面心立方金属由于发生解理。面心立方金属由于 有大量滑移系统一般情况不发生解理断裂，但是在特有大量滑移系统一般情况不发生解理断裂，但是在特 殊情况，例如冬季低温、腐蚀环境或材质较差条

19、殊情况，例如冬季低温、腐蚀环境或材质较差条 件也会发生解理。下面列出了常见金属的解理面。件也会发生解理。下面列出了常见金属的解理面。 4.2 4.2 宏观断口宏观断口 解理断裂前几乎没有塑性变形，断口边缘没有或解理断裂前几乎没有塑性变形，断口边缘没有或 很少有剪切纯。断口表面一般垂直于最大正应力方很少有剪切纯。断口表面一般垂直于最大正应力方 向。解理断口宏观形貌特征是结晶状小刻面、向。解理断口宏观形貌特征是结晶状小刻面、“放放 射状射状” ” 或或“人字形人字形”花样。花样。 结晶状小刻面：解理断口上的结晶面宏观上无结晶状小刻面：解理断口上的结晶面宏观上无 规则取向，在光线照射下转动断口时呈现

20、许多闪闪规则取向，在光线照射下转动断口时呈现许多闪闪 发光的小刻面。发光的小刻面。 12Cr1MoV980正火正火+720 回火回火 GH4037 GH4037钢的不同受力状态下的宏观断口钢的不同受力状态下的宏观断口 断口比较平坦，呈颗断口比较平坦，呈颗 粒状。断口主要为放粒状。断口主要为放 射区，有粗糙的放射射区，有粗糙的放射 棱，为典型脆性断口棱，为典型脆性断口。 断面平坦，断口呈颗断面平坦，断口呈颗 粒状，也是典型的脆粒状，也是典型的脆 性断口。性断口。 “放射状放射状”或或“人字形人字形”花样：解理断口另一宏观特花样：解理断口另一宏观特 征是具有放射状条纹或人字条纹。放射条纹的收敛处和

21、征是具有放射状条纹或人字条纹。放射条纹的收敛处和 人字纹的尖端为裂纹源。人字纹的尖端为裂纹源。“人字纹人字纹”形态反映材料性质形态反映材料性质 与加载速度。材料机械性能相同时加载速度越大与加载速度。材料机械性能相同时加载速度越大“人字人字 纹纹”愈明显。加载速度相同时，材料脆性越大愈明显。加载速度相同时，材料脆性越大“人字纹人字纹” 愈明显。愈明显。 生产实际中，尖锐切口或裂缝的金属制件在低温下产生生产实际中，尖锐切口或裂缝的金属制件在低温下产生 解理断裂大都是宏观的。解理断裂大都是宏观的。 人字形是宏观脆性断口诊断的重要依据。断口上是否人字形是宏观脆性断口诊断的重要依据。断口上是否 有清晰的

22、人字纹花样出现取决于构件几何形状和断裂位有清晰的人字纹花样出现取决于构件几何形状和断裂位 置的其实位置。在板材构件脆性断裂的断口上就经常出置的其实位置。在板材构件脆性断裂的断口上就经常出 现人字纹花样。如果在断口上发现人字纹花样（通过肉现人字纹花样。如果在断口上发现人字纹花样（通过肉 眼或借助放大镜或用低倍显微镜），可以说明是脆性眼或借助放大镜或用低倍显微镜），可以说明是脆性 性裂的，另外还能够找到断裂的起源性裂的，另外还能够找到断裂的起源平滑板材断口平滑板材断口 上人字纹的尖头方向指向断裂源，相反的方向为裂纹上人字纹的尖头方向指向断裂源，相反的方向为裂纹 的扩展方向。的扩展方向。 3.3 3

23、.3 解理微观形貌特征解理微观形貌特征 在实际使用的金属材料中晶阵取向是无序的，鲜理在实际使用的金属材料中晶阵取向是无序的，鲜理 裂缝沿不同取向解埋面扩展过程中裂缝会相交成具有裂缝沿不同取向解埋面扩展过程中裂缝会相交成具有 不同特征的花佯。其中最突出最常见的特征是河流花不同特征的花佯。其中最突出最常见的特征是河流花 样，另外还有舌状花样扇形花样、鱼骨状花样、瓦样，另外还有舌状花样扇形花样、鱼骨状花样、瓦 纳（纳（WallnerWallner）线及二次裂纹。）线及二次裂纹。 1.1.河流花样河流花样 解理裂纹沿晶粒内许多个互相平行的解理面扩展时解理裂纹沿晶粒内许多个互相平行的解理面扩展时 相互平

24、行的裂纹通过二次解理；与螺位错相交；撕裂相互平行的裂纹通过二次解理；与螺位错相交；撕裂 或通过基体和孪晶的界面发生开裂而相互连接，由此或通过基体和孪晶的界面发生开裂而相互连接，由此 产生的花样类似河流称为河流花样；如左图。解理裂产生的花样类似河流称为河流花样；如左图。解理裂 纹扩展中为减少能量的消耗，河流花样会趋于小河流纹扩展中为减少能量的消耗，河流花样会趋于小河流 汇成大河流。根据河流的流向可以判断裂纹扩展方向汇成大河流。根据河流的流向可以判断裂纹扩展方向 及由此可以找出裂纹源，如右图。及由此可以找出裂纹源，如右图。 低碳钢解理断口河流花样低碳钢解理断口河流花样河流花样形成示意图河流花样形成

25、示意图 （1 1）解理台阶产生机制）解理台阶产生机制 两个不在同一个平面上的解理裂纹通过与主解埋面相垂直两个不在同一个平面上的解理裂纹通过与主解埋面相垂直 的二次解理形成解理台结，如图所示的二次解理形成解理台结，如图所示 二次解理二次解理 C103C103铌合金氩弧焊焊缝断口上的解理台阶铌合金氩弧焊焊缝断口上的解理台阶 解理裂纹与螺位错相交形成台阶。解理裂纹与螺位错相交解理裂纹与螺位错相交形成台阶。解理裂纹与螺位错相交 产生一个布氏矢量大小的台阶。裂纹扩展过程中如与多个同号产生一个布氏矢量大小的台阶。裂纹扩展过程中如与多个同号 螺位错相交，矢量不断叠加，达到一定程度便产生一个能够观螺位错相交，

26、矢量不断叠加，达到一定程度便产生一个能够观 察到的台阶。裂纹与异号螺位错相交台阶就抵消或减少。察到的台阶。裂纹与异号螺位错相交台阶就抵消或减少。 解理裂纹之间产生较大的塑性变形，通过撕裂方式连接形解理裂纹之间产生较大的塑性变形，通过撕裂方式连接形 成台阶。成台阶。 通过基体和孪晶的界面发生开裂连接形成台阶。通过基体和孪晶的界面发生开裂连接形成台阶。 （2 2）河流花样的起源）河流花样的起源 河流花样起源于有晶面存在的地方：晶界、亚晶界、河流花样起源于有晶面存在的地方：晶界、亚晶界、 孪晶界。孪晶界。 河流花样起源于夹杂物或析出相。河流花样起源于夹杂物或析出相。 河流花样起源于晶粒内部，是由于解

27、理面与螺型位错河流花样起源于晶粒内部，是由于解理面与螺型位错 交截所致。交截所致。 低碳钢拉伸断口河流花样起源于晶界低碳钢拉伸断口河流花样起源于晶界河流花样起源于孪晶界河流花样起源于孪晶界 河流花样起源于夹杂河流花样起源于夹杂 河流花样起源于析出相河流花样起源于析出相 河流花样起源于晶粒内部河流花样起源于晶粒内部 河流花样在扩展过程中遇到倾斜晶界、扭转晶界和普通大角河流花样在扩展过程中遇到倾斜晶界、扭转晶界和普通大角 度晶界时河流形态发生改变。度晶界时河流形态发生改变。 裂纹与小角度倾斜晶界相交时，河流连学地穿过晶界。小角度裂纹与小角度倾斜晶界相交时，河流连学地穿过晶界。小角度 倾斜晶界是由刃

28、型位错组成。晶界两侧晶体取向差小，两侧晶体倾斜晶界是由刃型位错组成。晶界两侧晶体取向差小，两侧晶体 的解理面也只是倾斜一个小角度。因此裂纹穿过时河流花样顺延的解理面也只是倾斜一个小角度。因此裂纹穿过时河流花样顺延 到下一个晶粒。到下一个晶粒。 河流通过小角度倾斜界面河流通过小角度倾斜界面河流通过小角度扭转界面河流通过小角度扭转界面 河流花样穿过扭转晶界时将产生河流的激增。扭转界面又称河流花样穿过扭转晶界时将产生河流的激增。扭转界面又称 为孪晶界，两侧晶体以晶界为公共界面旋转了一个角度。因此为孪晶界，两侧晶体以晶界为公共界面旋转了一个角度。因此 解理裂纹不能简单的穿过晶界，必须重新形核后才能沿新

29、的解解理裂纹不能简单的穿过晶界，必须重新形核后才能沿新的解 理面扩展。理面扩展。 当解理裂纹扩展到大角度晶界（大多数晶界属于大角当解理裂纹扩展到大角度晶界（大多数晶界属于大角 度晶界）时，由于晶界结构复杂两晶粒之间缺乏连续性，度晶界）时，由于晶界结构复杂两晶粒之间缺乏连续性， 晶粒之间的位向差又很大，这些都使解理裂纹无法连接晶粒之间的位向差又很大，这些都使解理裂纹无法连接 通过这时裂纹需要重新生核进而扩展，因此有可能在新通过这时裂纹需要重新生核进而扩展，因此有可能在新 的晶粒中出现大量的河流，而且河流台阶的高度差很大，的晶粒中出现大量的河流，而且河流台阶的高度差很大， 这也有可能使原来的河流消

30、失。这也有可能使原来的河流消失。 下图为下图为Fe-Cr-AlFe-Cr-Al耐热合金（耐热合金（13001300保温保温100h100h，炉冷），炉冷） 的冲击断口，在解理断口上显示出解理断裂穿过扭转晶的冲击断口，在解理断口上显示出解理断裂穿过扭转晶 界时河流花样的变化：裂纹由左向右扩展，中间斜交界界时河流花样的变化：裂纹由左向右扩展，中间斜交界 线为晶界，由于扭转角度较大，在右边晶粒内产生较大线为晶界，由于扭转角度较大，在右边晶粒内产生较大 台阶，使得裂纹继续扩展。台阶，使得裂纹继续扩展。 河流通过较大角度扭转晶界河流通过较大角度扭转晶界 舌状花样是在解理面上出现舌状花样是在解理面上出现“

31、舌头舌头”状的断裂特征。状的断裂特征。 并不是在所有材料的解理断裂中都能看到舌状花样。并不是在所有材料的解理断裂中都能看到舌状花样。 体心立方晶体在低温和快速加载时及密排立方金属材体心立方晶体在低温和快速加载时及密排立方金属材 料中由于孪生是主要形变形式，断口上经常可见到舌料中由于孪生是主要形变形式，断口上经常可见到舌 状花样。状花样。 2.2.舌状花样舌状花样 舌状花样舌状花样 3.3.扇形花样扇形花样 当解理裂纹起源于晶界附近的晶内时，河流花样当解理裂纹起源于晶界附近的晶内时，河流花样 以扇形的方式向外扩展。根据扇形花样可以判断裂以扇形的方式向外扩展。根据扇形花样可以判断裂 纹源及裂纹局部

32、扩展方向。纹源及裂纹局部扩展方向。 A3A3钢的扇形河流花样钢的扇形河流花样 4.4.鱼骨状花样鱼骨状花样 在体心立方金属材料中例如碳钢、不锈钢有时看到形状类在体心立方金属材料中例如碳钢、不锈钢有时看到形状类 似鱼脊骨的花样。中间脊线是似鱼脊骨的花样。中间脊线是100100100100解理造成的，两侧解理造成的，两侧 是是100100100100和和112110112110解理所引起的花样。解理所引起的花样。 5.5.瓦纳（瓦纳（WallnerWallner）线）线 在非常脆的金属或金属间化合物的断口上，会产生在非常脆的金属或金属间化合物的断口上，会产生 一种叫作瓦纳线的花样。瓦纳线是根据第一

33、位描述玻璃一种叫作瓦纳线的花样。瓦纳线是根据第一位描述玻璃 材料断裂图像的作者命名。在这些材料中，不产生塑性材料断裂图像的作者命名。在这些材料中，不产生塑性 变形，而是在弹性范围断裂，开裂方式与晶体结构无关。变形，而是在弹性范围断裂，开裂方式与晶体结构无关。 瓦纳线是裂纹前沿以缺陷为中心的球形冲击波交互瓦纳线是裂纹前沿以缺陷为中心的球形冲击波交互 作用形成的图像。图中作用形成的图像。图中A A表示裂纹源，表示裂纹源，O O为缺陷处。当为缺陷处。当 裂纹前沿线与裂纹前沿线与O O点缺陷发生的弹性波相遇时，其交点轨点缺陷发生的弹性波相遇时，其交点轨 迹就是迹就是WallnerWallner线花样。

34、线花样。 6.6.二次裂纹二次裂纹 在解理断口上经常可以看见二次裂纹。在解理断口上经常可以看见二次裂纹。 二次裂纹二次裂纹 扇形解理花样扇形解理花样 4.4 4.4 解理裂纹的萌生解理裂纹的萌生 解理裂纹萌生的理论基础是位错和孪生变形。材解理裂纹萌生的理论基础是位错和孪生变形。材 料塑性变形受阻时在强烈变形区域产生应力集中，料塑性变形受阻时在强烈变形区域产生应力集中， 通过萌生微裂纹释放应力。微裂纹逐渐长大，裂纹通过萌生微裂纹释放应力。微裂纹逐渐长大，裂纹 长度达到格里菲斯临界长度时发生裂纹扩展导致材长度达到格里菲斯临界长度时发生裂纹扩展导致材 料断裂。主要有以下几种萌生方式。料断裂。主要有以

35、下几种萌生方式。 1.1.位错塞积机制位错塞积机制 滑移面上的位错运动受到晶界、孪晶界、第二相滑移面上的位错运动受到晶界、孪晶界、第二相 或夹杂等障碍物阻碍时，位错将在阻碍物前塞积，当或夹杂等障碍物阻碍时，位错将在阻碍物前塞积，当 若干个塞积位错在障碍物前产生的应力达到材料的理若干个塞积位错在障碍物前产生的应力达到材料的理 论断裂强度论断裂强度m m时，在滑移面下方最大张应力平面上时，在滑移面下方最大张应力平面上 出现微裂纹。出现微裂纹。 位错单向塞积形成裂纹位错单向塞积形成裂纹位错反应机制位错反应机制 2.2.位错反应机制位错反应机制 为了解释体心立方金属为了解释体心立方金属-Fe-Fe沿（

36、沿（001001）面发生解理断裂的原）面发生解理断裂的原 因，柯垂尔提出了位错反应机制。因，柯垂尔提出了位错反应机制。 体心立方晶体中滑移面是（体心立方晶体中滑移面是（110110），滑移方向是），滑移方向是111111。如。如 果沿两个正交的滑移面（果沿两个正交的滑移面（101101）和（）和（10101 1）上各有布氏矢量为）上各有布氏矢量为 a/2(a/2(11111)1)和和a/2(111)a/2(111)的平行位错在交线上相遇，即可形成一个的平行位错在交线上相遇，即可形成一个 新的位错新的位错a(001)a(001)其反应式为：其反应式为： 形成的新位错是不运动的。新位错对随后滑来的

37、形成的新位错是不运动的。新位错对随后滑来的a/2(a/2(11111)1) 和和a/2(111)a/2(111)两列位错起着阻碍作用造成它们塞积。由于塞积不两列位错起着阻碍作用造成它们塞积。由于塞积不 断增加，产生应力集中导致沿晶体（断增加，产生应力集中导致沿晶体（001001）面解理开裂，形成裂）面解理开裂，形成裂 纹。纹。 3.3.其他机制其他机制 （1 1）孪生作用机制：体心立方晶体低温形变时，后生孪晶与）孪生作用机制：体心立方晶体低温形变时，后生孪晶与 先生孪晶相碰撞，产生应力集中出现微裂纹。先生孪晶相碰撞，产生应力集中出现微裂纹。 （2 2）位错交叉滑移：滑移带相交形成不完整的位错墙

38、，产生）位错交叉滑移：滑移带相交形成不完整的位错墙，产生 应力集中引起裂纹。应力集中引起裂纹。 （3 3）刃型位错合并：几个同号刃型位错，在外力作用下合并引）刃型位错合并：几个同号刃型位错，在外力作用下合并引 起裂纹成核。起裂纹成核。 4.5 4.5 解理裂纹的扩展解理裂纹的扩展 解理裂纹的扩展用格里菲斯裂口理论进行解释。格里菲斯解理裂纹的扩展用格里菲斯裂口理论进行解释。格里菲斯 理论的出发点是材料中存在着显微裂纹，然后从系统能量变理论的出发点是材料中存在着显微裂纹，然后从系统能量变 化的角度求的材料实际断裂强度的表达式。化的角度求的材料实际断裂强度的表达式。 固体在外力作用下具有整体弹性应变

39、能，当裂纹扩展变宽固体在外力作用下具有整体弹性应变能，当裂纹扩展变宽 时裂纹表面增加，形成新表面要吸收能量。在裂纹扩展过程时裂纹表面增加，形成新表面要吸收能量。在裂纹扩展过程 中弹性能为推动力，表面能为阻力。当裂纹变宽引起的弹性中弹性能为推动力，表面能为阻力。当裂纹变宽引起的弹性 能的减少大于增加裂纹长度需要的表面能时，就出现裂纹失能的减少大于增加裂纹长度需要的表面能时，就出现裂纹失 稳扩展。这种扩展所需的条件格里菲斯表达式为：稳扩展。这种扩展所需的条件格里菲斯表达式为： 当外力超过当外力超过c c时，裂纹就会自动扩展导致断裂。裂纹扩展时，裂纹就会自动扩展导致断裂。裂纹扩展 后上式中后上式中C

40、 C变大变大cc相应下降，因此材料在一定外载荷下，解理相应下降，因此材料在一定外载荷下，解理 裂纹的扩展一旦开始就迅速的扩展，其扩展速度可以达到声音裂纹的扩展一旦开始就迅速的扩展，其扩展速度可以达到声音 在材料中的传播速度，导致零件突然断裂在材料中的传播速度，导致零件突然断裂。 按格里菲斯理论求得的断裂应力条件只适用于完全脆性的按格里菲斯理论求得的断裂应力条件只适用于完全脆性的 材料，例如玻璃。对于金属材料，裂纹扩展不能只考虑表面能，材料，例如玻璃。对于金属材料，裂纹扩展不能只考虑表面能， 因为裂纹的扩展必然伴随着某些塑性变形。因此，因为裂纹的扩展必然伴随着某些塑性变形。因此，OrowanOr

41、owan提出提出 了上式中需要引入克服塑性变形需要的塑性变形功。格里菲斯了上式中需要引入克服塑性变形需要的塑性变形功。格里菲斯 判据可写为：判据可写为： 应力主要有应力主要有P P决定。决定。 4.6 4.6 解理断裂的影响因素解理断裂的影响因素 1.1.试验温度的影响试验温度的影响 试验温度低裂纹尖端塑性变形区小，裂纹扩展时所消试验温度低裂纹尖端塑性变形区小，裂纹扩展时所消 耗的能量少，扩展阻力小，容易导致解理断裂。耗的能量少，扩展阻力小，容易导致解理断裂。 试验温度与应力应变之间的关系，试验温度与应力应变之间的关系，TcTc为临界温度为临界温度 在在TcTc以下材料在塑性变形之以下材料在塑

42、性变形之 前发生解理断裂，在前发生解理断裂，在TcTc以上以上 应力首先发生塑性变形，然应力首先发生塑性变形，然 后机理断裂。后机理断裂。 2.2.应变速率的影响应变速率的影响 高应变速率有利于发生解理断裂。加载速度的提高释放一高应变速率有利于发生解理断裂。加载速度的提高释放一 个不稳定裂纹所需要的能量降低，发生解理断裂的可能性增大。个不稳定裂纹所需要的能量降低，发生解理断裂的可能性增大。 例如在高速冲击、爆炸条件下经常使一些韧性材料发生解理断例如在高速冲击、爆炸条件下经常使一些韧性材料发生解理断 裂。裂。 3.3.晶体结构的影响晶体结构的影响 解理断裂通常在体心立方、密排立方晶格的金属和合金

43、中解理断裂通常在体心立方、密排立方晶格的金属和合金中 发生，面心晶系的金属合金一般情况下不发生解理断裂。晶粒发生，面心晶系的金属合金一般情况下不发生解理断裂。晶粒 越粗大，越容易发生解理断裂。越粗大，越容易发生解理断裂。 4.4.显微组织的影响显微组织的影响 显微组织不同解理断裂路径不同，解理断口形貌特征也不显微组织不同解理断裂路径不同，解理断口形貌特征也不 同。珠光体解理断口河流与渗碳体片平行，并沿着铁素体同。珠光体解理断口河流与渗碳体片平行，并沿着铁素体- -碳碳 化物的界面扩展，河流从一个界面向另一个界面连续跳跃来汇化物的界面扩展，河流从一个界面向另一个界面连续跳跃来汇 聚。聚。 铁素体断口基本上由铁素体断口基本上由100100取向的显微小平面组成，呈现出取向的显微小平面组成，呈现出 典型的河流和舌状花样。板条状马氏体中裂纹沿近似相同的方典型的河流和舌状花样。板条状马氏体中裂纹沿近似相