材料失效分析(第二至四章-解理断裂与沿晶断裂)

1、第二章第二章 韧韧 性性 断断 裂裂1、概述、概述2、韧性断裂的断口形貌特征、韧性断裂的断口形貌特征3、韧窝形成机理、韧窝形成机理4、影响韧窝形貌的因素、影响韧窝形貌的因素1 1、概述、概述1、特点：、特点：料断裂前发生明显的塑性变形。也可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。性变形的结果。2、过程：、过程：显微空洞形成、扩展、连接、断裂显微空洞形成、扩展、连接、断裂3、类型：、类型： 微孔聚集型微孔聚集型 纯剪切型纯剪切型2 2、韧性断裂的断口形貌特征、韧性断裂的断口形貌特征一、宏观形貌特征一、宏观形貌特

2、征 纤维区、剪切唇纤维区、剪切唇二、微观形貌特征二、微观形貌特征 韧窝花样（断面上覆盖着大量韧窝花样（断面上覆盖着大量微坑微坑） 韧窝类型：韧窝类型：等轴韧窝等轴韧窝 抛物线韧窝抛物线韧窝 卵形韧窝卵形韧窝 等等 轴轴 韧韧 窝窝抛物线韧窝抛物线韧窝 卵卵 型型 韧韧 窝窝3 3、韧窝形成机理、韧窝形成机理4 4、影响韧窝形貌的因素、影响韧窝形貌的因素1、夹杂物或第二相粒子、夹杂物或第二相粒子 尺寸较小，且分布密集尺寸较小，且分布密集 促进韧窝成核，形成小而多的韧窝花样促进韧窝成核，形成小而多的韧窝花样 尺寸较大，且分布变化不大尺寸较大，且分布变化不大促进裂纹扩展，形成较大的韧窝花样促进裂纹扩

3、展，形成较大的韧窝花样2、基体材料的韧性、基体材料的韧性 韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅3、试验温度、试验温度 T、有利于韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加、有利于韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加4、应力状态、应力状态 拉应力、切应力、撕裂应力拉应力、切应力、撕裂应力应应 力力 状状 态态第三章第三章 解理断裂解理断裂1、概述、概述2、解理断口形貌特征及形成机理、解理断口形貌特征及形成机理3、影响解理断裂的因素、影响解理断裂的因素4、准解理断裂、准解理断裂1 1、概述、概述1、定义、定义 正应力、解理面、穿晶脆断正应力、解理面、穿晶脆

4、断2、发生条件、发生条件 一般均在一般均在bcc、hcp金属中发生，而金属中发生，而fcc只在特殊情只在特殊情 况下才发生，如腐蚀环境、材质较差时。况下才发生，如腐蚀环境、材质较差时。2 2、解理断口形貌特征、解理断口形貌特征一、宏观形貌特征一、宏观形貌特征 1、放射状条纹、放射状条纹 2、人字纹、人字纹 3、小刻面（、小刻面（facet）：）：发亮的小晶面发亮的小晶面 解理断口上的结晶面解理断口上的结晶面 宏观上呈无规则取向宏观上呈无规则取向 强光下可见到闪闪发光的特征强光下可见到闪闪发光的特征 解理断口是由许多小刻面组成的，每个小刻解理断口是由许多小刻面组成的，每个小刻 面代表一个晶粒面代

5、表一个晶粒 小小 刻刻 面面 放射条纹放射条纹人字纹人字纹二、微观形貌特征及形成机理二、微观形貌特征及形成机理 特征：特征： 扇形花样扇形花样 解理台阶（解理台阶（cleavage step） 河流花样（河流花样（river pattern） 舌状花样（舌状花样（tongue pattern） 青鱼骨花样（青鱼骨花样（spine pattern） 瓦纳线（瓦纳线（wallner line） 扇形花样扇形花样河流花样河流花样舌舌 状状 花花 样样 青鱼骨花样青鱼骨花样 瓦纳线瓦纳线（二）形成机理（模型）二）形成机理（模型）1、解理台阶 解理裂纹与螺位错交截形成台阶解理裂纹与螺位错交截形成台阶台阶

6、形成过程的简化图台阶形成过程的简化图通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）台阶的性质台阶的性质台阶在扩展过程中会发生台阶在扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小）合并或消失（台阶高度减小）相同方向的台阶合并后高度增加相同方向的台阶合并后高度增加相反方向的台阶合并后高度减小或消失相反方向的台阶合并后高度减小或消失台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间存在一定关系台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间存在一定关系 Hb N 1/22、河流花样、河流花样定义：定义：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组合的解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组合的

7、 条纹。其形状类似地图上的河流。条纹。其形状类似地图上的河流。形成机理：河流花样实际上就是解理台阶的一种标志形成机理：河流花样实际上就是解理台阶的一种标志。当。当 裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台阶，而裂纹扩展时，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，其结果就形较大的台阶又汇合成更大的台阶，其结果就形 成河流花样。成河流花样。影响因素：影响因素：小角度晶界小角度晶界：倾斜晶界倾斜晶界影响不大，延伸至相邻晶粒影响不大，延伸至相邻晶粒 扭转晶界扭转晶界在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增大角度晶界大角度晶界：河流不能通过，在晶界出产生新的裂纹，向

8、外扩展河流不能通过，在晶界出产生新的裂纹，向外扩展 ， 形成扇形花样形成扇形花样大角度晶界，扇形花样大角度晶界，扇形花样3、舌状花样、舌状花样特点：特点：形状象形状象“舌头舌头”，一般在钢铁材料中，一般在钢铁材料中成组出成组出现现。形成机理：形成机理：解理裂纹沿着孪晶面解理裂纹沿着孪晶面112产生产生二次解理二次解理及局部塑性变及局部塑性变形形撕裂撕裂的结果。在的结果。在低温、高速低温、高速变形时容易发生孪生变形，变形时容易发生孪生变形，也就容易出现舌状花样。也就容易出现舌状花样。青鱼骨花样、瓦纳线青鱼骨花样、瓦纳线3 3、影响解理断裂的因素、影响解理断裂的因素1、晶体结构、晶体结构 bcc、

9、hcp易发生解理断裂易发生解理断裂 fcc不易发生解理断裂不易发生解理断裂2、显微组织、显微组织 F断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样 P断口呈不连续片层状断口呈不连续片层状 M断口呈锯齿状，出现小刻面断口呈锯齿状，出现小刻面3 3、温度、温度 T，易导致解理断裂，易导致解理断裂 TTc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性 TTc，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形4 4、加载速度、加载速度 V，易发生解理断裂，易发生解理断裂4

10、4、准解理断裂、准解理断裂与解理相比，准解理断裂的特征：与解理相比，准解理断裂的特征：准解理裂纹源常在准解理平面的准解理裂纹源常在准解理平面的内部内部形成，而解理裂纹源在解理面形成，而解理裂纹源在解理面 边界（晶界）边界（晶界）形成形成准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局部地方形成局部地方形成 并并局部扩展局部扩展准解理包含更多的撕裂准解理包含更多的撕裂准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面100严格对应，严格对应，不不 存在确定的位向关系存在确定的位向关系准解理裂纹形成机理示意图准解理裂纹形成机理

11、示意图准解理断口形貌准解理断口形貌准解理断口形貌准解理断口形貌第四章 沿晶断裂1、定义：、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面）材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 发生的断裂。发生的断裂。2、类型：、类型：韧性沿晶断裂（韧性沿晶断裂（沿晶韧断沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（脆性沿晶断裂（沿晶脆断沿晶脆断）3、产生原因脆性沉淀相沿晶界析出脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物：钢中的碳化物 Al-Li合金中的合金中的（AlLi）相）相晶界弱化晶界弱化：杂质：杂质Na、S、P等的晶界偏析等的晶界偏析 合金钢中的高温回火脆性合金钢中的高温回火脆性环境环境：SCC、氢脆、蠕变、氢脆、蠕变热应力

12、热应力：焊接材料的：焊接材料的HAZ晶粒粗大晶粒粗大！4 4、断口形貌特征、断口形貌特征 宏观断口：宏观断口：结晶状形貌结晶状形貌 冰糖块状（晶粒粗大）冰糖块状（晶粒粗大） 灰色的石状灰色的石状结晶状断口结晶状断口石状断口石状断口微观断口：微观断口：多边形图象（晶粒外形轮廓）多边形图象（晶粒外形轮廓） 冰糖状形貌冰糖状形貌例例1：一批锻件毛坯在抽样检验时，发现屈服强度与断面收缩一批锻件毛坯在抽样检验时，发现屈服强度与断面收缩率均不满足要求，检验人员根据断口特征决定采用率均不满足要求，检验人员根据断口特征决定采用正火正火处理，再检验性能全部合格。试问：处理，再检验性能全部合格。试问：1、检验人员看到断口有何特征？、检验人员看到断口有何特征？2、产生的原因是什么？、产生的原因是什么？3、正火后为什么强度和塑性均有提高？、正火后为什么强度和塑性均有提高？例例2：在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？例例1：1、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口）、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口）2、产生原因：、产生原因： 锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大。锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大。 压下量不足，终锻温度过高，晶粒破碎不够，而再压下量不足，终锻温度