断口学的发展及微观断裂机理研究
断口学的发展及微观断裂机理研究Ξ
DEVE LOPMENT OF“FRACTOGRAPH Y”AN D RESEARCH
OF FRACTURE MICROMECHANISM
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)
ZHON G QunPeng ZH AO Z iHua ZH AN G Zheng
(School o f Materials Science and Engineering,Beijing Univer sity o f Aeronautics and Astronautics,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 From macroscopical to microcosmic,from qualitative to quantitative,from fracture surface analysis in fracture failure to fractography about mechanism,it stated position and function of fracture surface analysis in fracture failure analysis and introduced the contents,evidence,fundamental skills and methods of fracture surface analysis and emphasized the development of fractography and the research on fracture micromechanism.
K ey w ords Fracture failure analysis;Fracture analysis;Fractography;Micromech anism
Corresponding author:ZH ONG QunPeng,E2mail:zhaozh@https://www.wendangku.net/doc/4e11817374.html,,Fax:+86210282317108
Manuscript received20040612.
1 引言
断口是试样或零件在试验或使用过程中断裂后所形成的相匹配表面。
断口学是研究断口的形貌、性质,进而分析断裂类型和断裂方式(有时统称为断裂模式)、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断裂原因和断裂机理的科学。
从16世纪开始,人们就开始对断口形貌进行研究[1]。1722年de Reaumur报导了借助显微镜研究金属断口的方法,在他的经典著作中,把钢铁断口归纳为七种类型[2]。在19世纪的断口学研究中,比较重要的工作有,1875年Percy描述了六种断口形貌的一般类型[3];1878年之后的几年中,Adolf Martens[4](马氏体就是用他的名字来命名的)把断口技术和金相技术结合起来研究材料的性质;1885年,Johann Augustus Brinell (布氏硬度的创始人)讨论了热处理以及碳的状态变化对钢的断口形貌的影响[5]。由于对金相学的过分重视,当时很多知名的冶金学者认为微观断口形貌是既不准确又无用处的,因此在进入20世纪很长的一段时期里,显微断口学还是被人们忽视的。直到1944年Carl A.Z apffe定义了断口学中具有十分重要意义的名词“断口形貌学”(fractography)之后[6],断口分析才进入了一个快速的发展时期。同时期,Z apffe把光学显微镜应用到断口形貌的观察上,对断口学的发展有着深远的意义。随着透射电子显微镜和扫描电子显微镜在断口形貌观察上的应用,断口学的研究有了质的飞跃,从此断口学的研究进入了全新的发展阶段,使得断口分析成为失效分析必不可少的手段。电子断口学给出脆性断裂解理花样的确切解释,发展了新的疲劳断裂模型,并提出了微孔聚集的韧性断裂微观机理。
2 断口分析在断裂失效(事故)分析中的地位和作用
2.1 断裂失效分析的重要性
据统计,在工业技术发达国家每年因工程系统的失效造成的损失约占国家生产总值的5%～10%[7]。如果正确应用已有的技术进行失效预防,大约有一半的损失是能够避免的。1982年,
美国商业部所属的国Journal of Mechanical Strength2005,27(3):358～370Ξ
ΞΞ钟群鹏,男,1934年10月生,浙江省上虞市人,汉族。现为北京航空航天大学材料学院教授,博士生指导教师,机械装备失效分析预测预防研究所所长,中国工程院院士。研究方向主要为材料的韧脆转变理论,压力容器失效分析和弹塑性安全评估技术,断口物理数学模型和定量反推分析,机械装备失效分析诊断预测预防理论、技术和方法。
20040612收到文稿。
家标准局和Battelle C olumbus实验室向国会提交的一份调查报告中指出,美国因断裂和防止断裂而付出的总代价是每年1190亿美元,约为国民经济总产值的4%。1991年,欧共体委托欧洲结构完整性协会对欧洲12个国家多个行业因断裂造成的经济损失进行调查,报告指出,如果每年投入2亿美元用于断裂和防止断裂研究,潜在的经济效益为每年800亿美元[8]。可以看出,在工程系统的各类失效中以断裂失效最为主要,危害也最大。因此,分析断裂失效(事故)的模式、原因和机理是非常必要的。
2.2 断裂失效分析的依据
断裂失效分析可分为残骸分析、参数分析和资料分析。残骸分析是直接证物分析,包括断口分析、裂纹分析、痕迹分析等。参数分析是间接的分析,包括力学、环境、材料性能等参数的分析。资料(案例)分析是参考已有案例进行分析,包括统计、综合和专家系统等分析。
2.3 断口分析在断裂失效(事故)分析中的作用
2.3.1 “断口”的重要性
“断口”是断裂失效(事故)最主要的残骸,是断裂失效(事故)分析的主要物证。在有些断裂故障分析中,裂纹痕迹有时是不存在的或找不到的;当然把裂纹打开就是断口,此时裂纹分析实际上就变成了断口分析。因而,“断口”分析在断裂失效(事故)分析中是十分重要的。
2.3.2 “断口”的全息性
“断口”记录了从裂纹萌生、扩展直到断裂的全过程,它具有全信息生。“断口”可以说是断裂故障的“第一裂纹”,而其他裂纹可能是第二甚至第三生成的,第一与第二裂纹的模式、原因和机理有时是相同的,有时是不同的,也就是说裂纹有可能只记录了断裂后期的信息;因此断口分析在断裂事故分析中具有“核心”的地位和作用。
2.3.3 “断口”有时具有唯一性
“断口”有时是断裂失效(事故)唯一的“物证”,人证有时是不可靠的,只能作为辅助信息或证据。
2.3.4 “断口”信息的可分析性
利用现代分析技术和方法,断口包含的信息是可以“破译”的,断口是可以分析的,信息是可以获取的。
3 断口分析的内容及其依据
3.1 首断件的判定及其依据
首断件的判定,即从众多的断口中寻找首先破坏件对于断裂失效分析是至关重要的,它是断裂失效诊断成功与否的关键。断口残骸分为首断件(绝大多数情况下为肇事件)、随后断裂件(可能是裂纹残骸,也可能是断口残骸)以及被动断裂件(瞬断件)。其中,首断件和随后断裂件为主动断裂件。主动断裂件有可能是脆性断裂、疲劳断裂或工艺老裂纹断裂,因此要从众多(有时也有可能是成千上万件断口,例如空难事故残骸断口)的断口中寻找出脆性断口、疲劳断口和工艺老裂纹断口,再从中进行分析,找出整个事故的首断肇事件。当准确找到首断件后,有时首断件上有多个断口(或裂纹),这就要求找到首先开裂的断口,即主断口。主断口的确定有“T”型法、分叉法、变形法、氧化颜色法、疲劳裂纹长度法等。
3.2 断裂性质(或断裂模式)的分析及其依据
断裂性质(或断裂模式)是指对首断件性质的分析。断裂模式分为一级断裂模式、二级断裂模式和三级断裂模式,其中一级断裂模式是首要的[9]。
一级断裂模式主要有脆性断裂、塑性断裂、疲劳断裂三大类。区别脆性断裂和塑性断裂的主要依据是宏观塑性变形的大小;区别脆性断裂和疲劳断裂的主要依据是断裂特征。
二级、三级断裂模式的诊断依据主要是断口的形貌、断口的颜色、断口上的腐蚀产物、断口上的晶面晶向和显微组织、断口的宏观走向与主应力方向、与零件形状、与轧制锻造流线方向的关系、断口的成分和元素的分布以及断口边缘情况和变形情况等[10]。
表1[11]列出断裂失效信息(与断裂失效有关的对象、现象和环境统称为断裂失效信息)与断裂模式的关系。每一种断裂失效信息都是断裂失效的一个特征或反映影响断裂失效的一个因素或条件,综合几种断裂失效信息可以诊断出断裂失效的模式。
以脆性(解理)断裂失效模式为例,介绍断裂失效模式与断裂失效信息的关系。与脆性(解理)断裂失效模式相关的断裂失效信息有:从裂纹的起源位置和扩展方向的宏观看,裂纹一般起源于应力集中处(R处),并且与接触介质无关,裂纹扩展方向与主正应力垂直,或与切应力平行;从微观看,裂纹起源于晶内或相内,沿特定的晶面或晶向扩展。从裂纹的分布和形貌宏观看,以点放射或沿线分布,啮合好、间隙小、裂尖尖锐。从断口的形貌和特征看,宏观断口附近残留宏观塑性变形小,断口比较平直;断口为本体材料颜色;断口宏观形貌呈结晶状(颗粒状)或放射状(人字纹);典型的脆性微观断口形貌为解理(河流、扇形、台阶等),其典型的应力性质和特征可能是静载,也可能为冲击载荷(σ≥σb或KⅠ≥KⅠd)。
3.3 断裂原因的分析及其依据
断裂原因是指酿成断裂的主要原因。从责任上来看,断裂原因可以分为设计的原因、材质的原因、工艺的原因、环境(使用或老化)的原因等。断裂原因的诊
第27卷第3期钟群鹏等:断口学的发展及微观断裂机理研究359
表1 断裂失效信息与断裂模式关系
T ab.1 R elationship betw een fracture failure inform ation and fracture
modes
360机 械 强 度2005年
表2 断裂失效模式和原因相结合的实用分类
T ab.2 Applied classification of combination of fracture failure modes and causes
模式原因
一级断裂模式
韧性断裂脆性断裂疲劳断裂
一级断裂原因设计
原因
1.选材错误
2.强度不够
或应力过
大
1.选材错误 1.选材错误
2.过渡圆角半径过小
3.设计交变应力过高
材质
原因
3.成分不合
格
4.强化元素
少
2.夹杂物脆性
3.缺口敏感性引起的
脆性
4.夹杂物
5.材料具有疲劳缺口
敏感性
6.材料疲劳软化
工艺
原因
5.未(或不
完全)热
处理强化
4.马氏体脆体
5.低温回火脆性
6.高温回火脆性
7.475℃脆性
8.过热过烧脆性
9.冷作硬化脆性
10.应变时效脆性(蓝
脆)
11.焊接热脆性
12.焊接冷脆性
7.缺口(如刀痕)引起
的疲劳
8.装配应力过大引起
的疲劳
9.热处理不合格引起
的疲劳
环境
原因
6.使用中
“软化”,
如高温
局部“软
化”
13.高速脆性
14.低温脆性
15.低熔点脆性
16.氢脆性
17.应力腐蚀脆性
18.晶间腐蚀脆性
19.选择腐蚀脆性
20.碱脆性
21.高温硫化脆性
22.低温硫化脆性
23.辐照脆性
24.相变脆性(如锡
瘟)
25.第二相沿晶析出
脆性
26.石墨化脆性
27.蠕变脆性
10.接触疲劳
11.低熔点金属引起
的疲劳
12.腐蚀疲劳
13.热疲劳
14.高温疲劳
15.蠕变—疲劳交互
作用
16.弯曲共振疲劳
17.扭转共振疲劳
18.弯、扭组合共振疲
劳
19.声疲劳
20.油膜振动疲劳
21.微振疲劳
断是在断裂模式诊断基础上进行的。
从力学观点来看,断裂原因是判断材料抗力过小还是载荷动力过大。不同的断裂模式其断裂原因中材料的抗力指标不同,塑性断裂的抗力指标一般指抗拉强度,脆性断裂的抗力指标是材料的冲击韧性或断裂韧度,疲劳断裂的抗力指标则是疲劳强度或条件疲劳应力。断裂原因的诊断就是要分清在哪个过程中造成的断裂应力过大或材料抗力过低。
在断裂原因的诊断中,除了要对断口进行认真、仔细、微观的分析之外,还要对材料本身的性能、受力情况和大小、环境因素及其后果等方面进行全面、系统和深入的分析、比较、综合和判断。有的学者提出的“断裂失效模式和原因的特征判据的对比综合分析诊断法”是一种很有意义的探讨,表2列出断裂失效模式和原因相结合的54种实用分类。
由表2可见,断裂失效的原因是繁杂多样的。为了正确诊断断裂失效的原因,对单一断裂模式和原因的分析诊断是非常重要的,这是断裂失效(事故)原因分析的基础,必须着眼于它们各自特征判据的分析和识别,而特征判据只有进行相互比较才能加以鉴别。实际的断裂模式和原因往往不是单一的而是复合的,对这些疑难断裂模式和原因的诊断,应特别强调其调查研究、科学试验和综合分析。
3.4 断裂机理的分析及其依据[12,13]
断裂机理是指材料断裂的微观或亚微观内在因素的分析,有时甚至是达到纳米或原子级别因素的定性和定量分析。断裂机理分析的难度很大,但又是极有理论价值的,因为它是对断裂的内在本质、必然性和规律性的研究。断裂过程的微观、亚微观的动态观察有助于分析各种显微组织在断裂过程中的作用和影响。但纳米级或原子级别的原位动态观察目前研究的还不是很多,甚至于很少,主要是观察和实验技术方面的问题。基于计算机模拟技术基础的各种模型分析和计算与实际情况可能会有较大的差距,因为它缺乏对比或检验的范例和方法。
断裂机理分析及其依据主要有:
①分析断裂过程与滑移带之间的关系,以判断相关因素的影响。
②分析断裂过程与显微组织之间的关系,以判断微观组织的影响。
③分析断裂过程与位错密度、裂纹萌生过程之间的关系,以判断位错运动、相界、晶界的影响,如解理的晶界位错集聚和裂纹萌生的Smith模型[14]。
④断裂的位错理论,包括塑性断裂生核、脆性断裂生核、解理台阶、解理舌头等模型。
虽然从断口上很难直接得出断裂失效的机理,但是,断口是断裂失效机理诊断的物质基础,是判断断裂失效机理是否正确的重要依据。
由上所述,断口分析贯穿断裂失效分析的各个层次,涉及断裂失效分析的很多方面,是断裂失效分析的核心。
4 断口分析基本技能和方法
4.1 断口分析的基本思路[15]
科学的断口分析思路能够指导准确、快速分析断口,找到断裂失效的原因,并提出切实可行的预防措施。 断口分析的FT A(fault tree analysis)思路如图1所
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图1 断口分析的FT A 思路图
Fig.1 FT A of fracture surface analysis
示。对于不同的断裂模
式(韧性、脆性和疲劳),思路中的细节和侧重点不同,应根据具体的断口情况进行具体分析。4.2 断口分析的基本
技能
[16]
断口分析的基本技能是指必须掌握并运用断口分析技术的能力。主要包括断口金相分析、裂纹分析、断口形貌及成分分析、环境分析、应力分析、统计分析等。断口金相分析是指观察断口附近的宏观与微观组织,判断断裂失效与材质的关系。宏观的组织分析可以判断分层、缩孔、气孔、冷拔空洞、裂纹(体积收缩裂纹、过烧裂纹、锻造折迭裂纹、回火裂纹、磨削裂纹)等不连续性缺陷与断裂源、断裂路径的关系;微观的组织分析可以用来研究断口形貌与夹杂物、显微组织之间的关系,二次裂纹的走
向和分布等。
裂纹分析是指根据断裂失效件上裂纹的形态、分布、数量、走向、颜色、裂纹间的相互位置以及裂纹与金相组织间的相互关系,来确定裂纹产生的先后次序和断裂源区,判断断裂失效的模式和原因。
断口形貌及成分分析是断口分析的核心内容,是进行断口分析必须熟练掌握的技能。该技能是指根据断口的宏微观形貌、成分、色泽等一切相关的特征信息来判断断裂失效的模式、原因和机理。
环境分析是指根据断口上的腐蚀产物类型及其状态来分析断口形成过程的介质环境,这对于分析断口性质(尤其是环境促进断裂的断口)、找寻断裂原因是非常重要的。
应力分析是指定性和定量分析断口截面及危险截面的受力性质和受力大小,它是断口分析的必要辅助手段。
另外,由于断口分析涉及很多学科的知识,因此进
行断口分析还应具有正确的思维方法和良好的知识素养。
4.3 断口分析的基本方法
[17～19]
断口分析的基本方法是指进行断口分析而采取的途径、步骤、手段等科学方法,包括断口的制备保存技术、断口宏观分析技术、断口显微分析技术(包括断口表面微区成分分析技术)、断口辅助分析技术和断口定量分析技术。
断口的制备保存技术包括主断口的确定、断口试样的切取和裂纹的打开、断口的清洗、断口的保护、断口的保存等方面的技术和方法,它是断口分析的必要前提。
表3列出断口宏观分析技术、显微分析技术、辅助分析技术、定量分析技术所用的工具、工作原理、特点、应用等方面的情况。
这里需要指出的是,断口学研究的各种基本技能和方法是互相补充、相互促进的,在进行断口分析时,
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表3 断口学研究所用技术
T ab.3 T echnology of fractography
观察工具工作原理及特点应用
宏观分析技术肉眼
放大镜
体视显微镜
光学
倍数低(≤100)
分辩率低
断口全貌观察
一级断裂模式判断
断裂源位置和裂纹扩展途径的判断
加载类型和相对大小的估计
断口形成环境的初步判断
显微分析技术光学显微分析
技术
光学显微镜
光学
倍数低(≤1000)
分辨率0.1μm
景深小
显微组织观察分析
平整解理面局部观察
组织结构的偏振光分析
断口关键局部显微形貌观察
透射电子显
微分析技术
透射电镜
透射电子或电子衍射
分辩率高(0.2nm)放大倍数高(102～107)
薄试样或复型,景深中等
断口表面物相分析
纳米尺度的观察(断裂机理研究)
原位动态观察
扫描电子显
微分析技术
扫描电镜
二次电子或背散射电子
分辩率高(0.5nm)
放大倍数高、范围广(10～106)
景深大,可进行三维观察
断口显微分析的主要工具
断口显微形貌观察(断裂模式、断裂原因、断裂
机理研究)
断口三维观察
表面微区成分
分析技术
X射线能谱仪
特征X射线最常用表面微区成分分析技术
但是对超轻元素分析比较困难
电子探针背散射电子平坦表面从铍到铀微区成分分析
俄歇电子谱仪俄歇电子极薄表层
(5个原子)除氢、氯以外的所有元素的微区
分析
辅助分析技术剖面术
光学显微镜
扫描电镜
截取与裂纹扩展方向垂直的剖面,进行深度方
向的观察
分析断口形貌与显微组织之间的关系,二次裂纹的
走向和分布等
金相术金相显微镜特定的相有特定形貌显微组织分析
蚀坑术
光学显微镜
扫描电镜
不同晶体在一定的腐蚀介质下产生特定形状
的腐蚀坑
判断断裂面晶体学取向,通过位错密度的测定获得
断口的应变数据
立体术
光学显微镜
扫描电镜
通过几何原理把二维平面图象转变为三维立
体图象
断口的三维立体观察
定量分析技术一维形貌定量分
析技术
扫描电镜
利用体视学原理把一维投影尺寸转变为真实
一维尺寸
断口一维特征形貌的确定(条带间距、韧窝深度等)
二维、三维形貌
定量分析技术
扫描电镜激光共焦扫
描显微镜
利用体视学原理把投影像尺寸转变为真实图
象
断口二维(面积)、三维形貌(真实相貌)的观测
分形分析技术
剖面法
扫描电镜
分形几何
断口表面粗糙度及分形维数与断裂参数、断裂性质的
关系
组织分析技术金相显微镜扫描电镜图象学原理组织(尺寸、分布等)的定量分析
计算机模拟技术计算机软件计算机原理模拟断口形成过程、形成机理等
应根据实际情况选用不同的方法或方法组合,以获得最佳的结果。
5 断口学的发展和微观断裂机理的研究
5.1 断口学的发展背景
从远古时代人类对断裂石器的认知,到有文字记载的断口分析;从光学显微镜在断口分析中的应用,到电子显微断口学的成熟;从定性的断口分析到定量的断口分析,断口分析从一门失效分析技术逐步发展到一个分支学科———断口学。
断口学学科的形成有其必然性。断口学的基础学科———力学、材料学、断裂物理、断裂化学等尤其是力学基础(特别是断裂力学、损伤力学、微观力学等)的飞速发展为断口学的形成奠定了坚实的理论基础;现代检测仪器、仪表科学的迅猛发展,尤其是显微分析技术的巨大提高,为断口学的形成奠定了技术基础;把不断发展完善的数学、统计学和计算机模拟技术引入到断口分析中,为断口学的发展奠定了方法基础。这样,适应科学发展规律的要求,把积累的大量断口知识系统化、完善化,形成一门交叉综合分支新兴学科———断口学。
5.2 断裂模式、断口特征形貌与微观断裂机理的研究[20～22]
5.2.1 韧性断裂模式、韧窝形貌与空洞聚集机理
韧性断裂是指断裂前有明显宏观塑性变形的断裂。
韧性断口典型的微观形貌特征为韧窝,有时表现为蛇行滑动(涟波、延伸区)。
韧窝的尺寸和形状与材料特性(材料的强度、第二相颗粒的尺寸、形状和分布等)及应力状态(类型、大
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(a )正拉应力(a )T ensile stress
(b )切应力
(b )Shear stress
(c )撕裂应力
(c )T earing stress
图2 应力状态对韧窝形状影响示意图
Fig.2 Schematic illustration of the in fluence of stress conditions on the geometry of the dim ples
图3 空洞聚集的过程
Fig.3 The progression of v oid coalescence
图4 两个解理平面分离示意图
Fig.4 Schematic illustration of separation between cleavage planes
小)有关。如图2所示,正拉应力造成的
断裂形成等轴韧窝;切应力造成拉长韧窝,匹配断口上韧窝被拉长的方向相反;撕裂应力也造成拉长韧窝,但匹配断口上韧窝被拉长的方向相同。
韧窝的形成机理为空洞聚集。材料内部分离形成空洞,在滑移的作用下空洞逐渐长大,并和其他空洞连接在一起形成韧窝断口,如图3所示。绝大多数工程合金的空洞在第二相颗粒处形成,在某些情况下,能够在韧窝的底部发现第二相颗粒(颗粒一分为二或颗粒界面与基体分离)。另外,在较大韧窝的内壁上可以经常看到“蛇行滑移”、“涟波”等滑移痕迹。5.2.2 解理断裂模式、河流形貌与解理分离的机理
解理断裂是材料在正应力作用下,由于原子结合键的破坏而造成的沿一定的晶体学平面(解理平面)的低能断裂。解理断口最典型的微观形貌特征是河流花样,所谓“河流”实际上是一些台阶,它们把不同裂纹连接起来。由于形成台阶会消耗能量,所以河流花样会趋于合并,由“支流”汇合成“主流”,而减慢裂纹
前沿的扩展。晶界对河流花样有显著的影响,当河流通过由刃型位错组成的小角度倾斜晶界时,只是简单的改变方向,继续在相邻晶粒内继续“流动”;当通过由螺型位错组成的扭转晶界时,河流会激增或消失。
在解理断裂的断口上,还可以经常看到“舌头”花样和“鱼骨状”花样,这是由于解理裂纹与机械孪晶作用的结果。
解理裂纹萌生机理有Stroh 位错
塞积理论[14]、C ottrell 位错反应理论[14]
及Smith 理论。解理台阶的形成可用螺位错与解理面交截来解释。不同高度的两个解理面的分离有两种形式,沿次生解理面解理形成台阶,通过撕裂形成台阶,如图4所示。5.2.3 沿晶断裂模式、颗粒(冰糖状)形貌与沿晶分离机理
当金属或合金材料的晶界为显微组织中最薄弱部
分的时候,会发生沿晶断裂。
沿晶断口又可分为沿晶分离断口和沿晶韧窝断口。颗粒(冰糖状)形貌是沿晶分离断口的典型形貌特征,晶界上有大量细小韧窝是沿晶韧窝的形貌特征。
晶界弱化或晶间脆性是导致沿晶分离的根本原因。沿晶分离的机理大致可分为五类,本征晶间脆性
364机 械 强 度2005年
(晶间聚合力低),晶界沉淀造成的晶间脆性,杂质元素
在晶界偏析引起的晶间脆性,特定腐蚀环境促进晶间脆化和高温下的沿晶分离(蠕变)等。
蠕变沿晶断裂有两种断裂机制,晶界三叉结点处开裂机制和晶间空洞机制,如图5所示。以哪种机制开裂取决于应变速率和温度,相对高的应变速率和中等温度时会在三叉晶界处萌生裂纹随后发展为楔型裂纹;低应变速率和高温时,以晶间空洞的形式开裂。蠕变沿晶断裂晶界上的空洞与韧窝断裂时的显微空洞不同,前者主要是扩散控制过程的结果,而后者则是复杂滑移的产物
。
图5 蠕变沿晶断裂机制,箭头表示晶界的滑动方向
Fig.5 M echanism of intergranular creep rupture
,
arrows indicate grain 2boundary sliding
图6 驻留滑移带上的挤出峰和挤入槽
Fig.6 Extrusions and intrusions on slip band
5.2.4 疲劳断裂模式、条带形貌与疲劳断裂机理
疲劳是材料在交变应力(远低于屈服应力)持续作
用下发生的断裂现象。
疲劳断口上最显著的特征是疲劳条带,有时会出现轮胎痕迹,平行于条带方向的二次裂纹也很常见。疲劳条带是一系列相互平行的条纹,条带的法线方向与裂纹局部扩展方向一致,疲劳条带间距单调递增或递减。
广为接受的疲劳裂纹萌生机制为不均匀变形引起裂纹萌生。交变应力作用致使金属表面产生不均匀滑移并形成驻留滑移带,进而驻留滑移带上形成挤出峰和挤入槽(如图6),导致裂纹的萌生。此外,还有沿晶
图7 疲劳裂纹扩展的两个阶段
Fig.7 T w o stages fatigue crack propagation
界裂纹萌生机制和沿夹杂物或第二相粒子裂纹萌生机
制。
疲劳裂纹萌生以后会沿滑移带的主滑移面继续扩展,但是遇到不连续性缺陷(如晶界)后会改变扩展方向,该阶段的疲劳微观形貌是类解理的,没有疲劳条带特征。称该阶段为疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段。当裂纹在第Ⅰ阶段机理作用下扩展一小段距离后,裂纹转向垂直于拉伸应力的方向扩展,即疲劳裂纹扩展第Ⅱ阶段(如图7)。
疲劳裂纹扩展第Ⅱ阶段会形成疲劳条带,该阶段的裂纹扩展机制主要有两个模型,裂尖塑性钝化模型和裂尖滑移模型。图8示意的表示裂尖塑性钝化形成疲劳条带的模型,但是该模型不能解释有些材料在真空中进行疲劳试验疲劳条带消失的现象。图9说明疲劳裂纹扩展的裂尖滑移机理,①随着拉伸应力的增加,交变滑移面上的滑移引起裂纹张开和裂尖钝化。②随着压缩应力的增加,在交变滑移面上由于部分滑移面倒置,致使裂纹闭合及裂尖的再次锐化。该模型更为成功地解释了第Ⅱ阶段的疲劳裂纹扩展。5.2.5 其他断裂模式、特征形貌与断裂机理
1)氢脆
由于氢的作用,使材料在低于屈服强度的静应力作用下导致的断裂称为氢脆。氢脆又可分为第一类氢脆(随着应变速率增加,氢脆敏感性增加)和第二类氢脆(随着应变速率增加,氢脆敏感性降低)。
金属的氢脆断口微观形貌一般显示沿晶分离,呈冰糖状,也可能是穿晶的,断口上存在大量的鸡爪形撕裂棱。
关于氢脆的机理有很多种,氢压理论———氢在夹杂物、晶界、微裂纹表面、位错或内部空洞等处达到过饱和度,氢可能会形成氢气泡而导致断裂,氢降低聚合力理论———氢进入点阵引起原子键的弱化而导致断
第27卷第3期钟群鹏等:断口学的发展及微观断裂机理研究365
图8 裂尖塑性钝化形成疲劳条带模型
Fig.8 Plastic blunting of crack tip m odel of the formation of fatigue striations
图9 疲劳裂纹扩展的裂尖滑移模型
Fig.9 S lip at crack tip m odel of fatigue crack propagation
裂。氢降低表面能理论———氢吸附在裂尖表面上,由
于改变了表面的状态而降低了表面能,导致断裂功下降。氢蚀理论———氢在晶界与渗碳体发生反应生成甲烷气泡,导致断裂。氢化物理论———氢形成易开裂的氢化物,氢化物析出降低韧性。此外,还有位错吸氢机制,氢促进位错生核机制,氢促进微空洞形核长大机制等。上述机理都有一定的适用范围。
2)应力腐蚀断裂受应力的材料在特定环境下产生滞后开裂,甚至发生滞后断裂的现象称为应力腐蚀。
应力腐蚀断口微观形貌的基本特征是裂纹起始区大多有腐蚀产物,有时会看到网状龟裂的“泥纹花样”,铝合金的应力腐蚀断口常常是冰糖状的沿晶特征,而奥氏体不锈钢的应力腐蚀断口上经常可以看到平坦的“凹槽”区。
与氢脆一样,关于应力腐蚀的机理也有很多种,比较为人们接受的为滑移溶解机理。金属或合金在腐蚀介质中可能会形成一层钝化膜,在应力作用下,钝化膜破裂而露出局部的“新鲜”金属,该处相对未破裂部位是阳极区,会发生瞬时溶解。新鲜金属再钝化,钝化膜形成完全后溶解停止,由于已经溶解的区域存在应力集中,因而该处的钝化膜会再一次破裂,又发生瞬时溶解。这种膜破裂(通过滑移或蠕变)、“新鲜”金属溶解、再钝化过程的循环重复,导致应力腐蚀裂纹的形核和扩展。5.2.6 过渡断裂模式、混合特征形貌与交叉断裂机理
1)准解理
准解理是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂模式。
准解理断口的微观形貌特征为,断口上有大量高密度的短而弯曲的撕裂棱线条、点状裂纹源由准解理断面中部向四周放射的河流花样、准解理小断面与解理
面不存在确定的对应关系、二次裂纹等。
至今被人们普遍接受的准解理模型如图10所示。首先是在不同部位同时产生许多解理小裂纹,然后这种解理小裂纹不断长大,最后以塑性方式撕裂残余连接部分。按上述模型,断裂的断口上最初和随后长大的解理小裂纹即成为解理小平面,而最后的塑性方式撕裂则表现为撕裂棱(或韧窝、韧窝带)。
2)“凹槽”
在具有复杂显微组织的合金(如钛合金)断口中有时会出现“凹槽”显微特征———拉长的槽或空洞连接解理面。
在某些合金中,“凹槽”的形成与多种断裂模式(如疲劳、过载或应力腐蚀开裂)有关。由交滑移机制在解理裂纹间形成的管状空洞开裂会形成凹槽,在匹配断口上对应撕裂棱。“凹槽”长条状的几何形状与显微组织中伸长的晶粒有关。5.3 断口特征形貌的物理数学模型和断口的定量反推分析5.3.1 疲劳断口特征形貌(疲劳弧线、沟线)的物理数
366机 械 强 度2005年
图10 准解理形成示意图
Fig.10
Schematic illustration of the formation of quasicleavage
学模型定量分析
文献[23]等以金属的疲劳宏观断口为对象,对疲劳断口上的疲劳弧线、疲劳沟线的物理数学模型进行分析,得到了以下颇有启发性的结果。
(1)疲劳弧线是疲劳裂纹瞬时前沿线的宏观塑性变形痕迹,它的法线方向即为该点的疲劳裂纹扩展方向。如果认为经过相同的疲劳应力循环次数形成一条疲劳弧线,并有N =C ln a 的关系,则可以证明后一个疲劳弧线间隔比前一个疲劳弧线间隔大,即随着疲劳的扩展,疲劳弧线不断变稀疏。
(2)疲劳弧线弯曲方向的改变是因为材料表面缺口敏感性较大,或由于有周向应力集中的影响,使疲劳裂纹在表面的扩展速率u s 大于在中心的扩展速率u c ,并有u c Πu s =(1-cos θ
)Πθ[2,3]
的关系。可以通过疲
劳弧线弯曲方向改变时的角度推算u c Πu s 值。
(3)在旋转弯曲的情况下,周缺口疲劳断口的疲劳
弧线形状与材料表面缺口敏感性和周缺口应力集中系数有关。其疲劳弧线的数学模型是一系列在圆周R 上先后生核、扩展速率为C 的疲劳裂纹瞬时前沿线的包络线,其数学表达式为x 2+y 2=(R -e N ΠC )2
。可以通过分析疲劳弧线的形状来推算材料的表面缺口敏感性或周缺口应力集中系数的综合影响。
(4)旋转弯曲轴的疲劳弧线向旋转的相反方向偏转的根本原因是疲劳裂纹进入拉应力区的状态不同。当轴顺时针旋转时,右边裂纹的扩展速率u r 总是大于左边裂纹的扩展速率u L ,并最终使得疲劳弧线向与旋转方向相反的方向偏转,偏转角α可以通过α=2
π(u r -u L )Π
(u r +u L )估算。可以通过α的大小分析材料表面缺口敏感性、应力大小和周围介质的作用等因素的
综合影响。
(5)疲劳沟线的物理模型是两个不同高度的疲劳裂纹扩展时前沿线相交的结果。在板材上,由同性质并以相同速率扩展的两个疲劳源(m 、n )所形成的疲劳沟线是两疲劳源连线的垂直平分线,其方程为x =0.5mn 。在旋转轴上同时生核,并以相同速率扩展的两个疲劳源形成的疲劳沟线是两疲劳源连线的垂直平分
线,其方程为y =tan (θ+φΠ2)x [23]
。起始于任意疲劳弧线上的疲劳沟线是一种过载的特征,通常垂直于该点的疲劳弧线。通过分析疲劳沟线,不仅有助于定性地寻找疲劳源的位置,还可以分析过载的情况或多个疲劳源的生核顺序。5.3.2 脆性断裂宏观特征(人字纹)的数学物理模型
定量分析
[24]
人字纹花样是脆性断裂的显著宏观特征。试样的宽度与厚度必须有一临界比值才能形成人字纹花样。人字纹花样的形成过程是这样的,试样在外力作用下,首先在薄弱环节(缺口处、缺陷处等)产生塑性变形,形成微裂纹,然后扩展成为半月形的、小范围的纤维区。当裂纹达到临界尺寸时,便发生迅速的失稳扩展,首先在临界裂纹的前端不远处产生三向应力区(平面应变状态),并在该区内生核,继而扩展成为椭圆饼状的内裂纹;在外力作用下,该内裂纹迅速长大,并与裂纹前端交截,裂纹向前推进;形成新的裂纹前端、新的三向应力区、新的内裂纹———这些依次在不同时间形成的内裂纹长大、合并,以及不断形成新的内裂纹,使裂纹迅速向前扩展,并造成了抛物线状的裂纹前端。裂纹前端与前端形成的很多内裂纹相互作用,在断口上形成很有规律的痕迹———人字纹花样。图11表示人字纹花样的形成过程。可以这样描述人字纹花样的物理模型,在沿中心线依次生核并扩展的瞬时前沿线上,再生成许多二次裂纹核心并扩展相交形成的二次沟线。
根据上述模型,用数学方法可推导出人字纹花样的曲线方程。
y 2
=C 2πf V exp
2πf V C (x +nb )式中,n 为任意常数;b 为沿轴的坐标单位;C 为单位
时间内裂纹克服材料抗力所作的断裂功,它仅取决于材料的性质,与其他因素无关;f 为作用于裂纹前端长度方向上的力;V 为裂纹中心向前运动的速度。
可以看出,人字纹为一指数曲线,它的形状决定于
C
2
πf V 。
第27卷第3期钟群鹏等:断口学的发展及微观断裂机理研究367
图11 人字纹花样形成模型
Fig.11 M odel for chevron crack formation
5.3.3 断口定量反推分析
断口定量反推是通过对
断口形貌特征和其他信息的定量描述,在断口特征形貌与力学性能及断裂过程的各种参数之间建立起关系,达到从断裂结果到断裂过程的反向推导,深入了解断裂本质,精确判定断裂模式和影响参量。断口的定量反推可分为断口宏观定量反推和断口微观定量反推,表4列出当前较为常见
的断口微观定量反推[25～34]
。可以看出,断口微观定量反推主要是根据断口上的特征形貌尺寸来反推断裂过程的应力状态。
文献[35]在断口宏观定量反推方面进行了一些有意义的探索工作,粗略地建立了拉伸断口的纤维区尺寸、剪切唇尺寸与其力学参量、断裂力学参量之间的定量反推关系;利用疲劳裂纹扩展临界长度a c 定量反推临界交变应力σe ,通过对30CrMnS iA 旋转疲劳试样不同应力集中系数K t 值、不同应力水平下断口的特征参数进行测定与统计分析,得出不同K t 值下σc 与a c 的关系,lg σc =[1.74+0.84(1
ΠK t )]-(0.82+0.003K t )lg a c ,相
对误差仅为4.6%。
5.4 复杂条件下断裂模式、原因和机理的诊断及疑难断口的定量分析
断口的诊断是断口学研究的重要内容。对于典型的或单一模式的断口诊断,现在已经处于成熟阶段。但是对于那些复杂的非典型断口,要达到二级甚至三级的准确诊
断是很困难的;对于一些具有特殊形貌特征的疑难断
口,至今没有找到满意的解释。非典型复杂混合断口的准确诊断是当今断口学研究的一个难点。
在脆性断裂中,沿晶断口有很多种表现形式,虽然现在已经给出了沿晶断口的一些诊断依据,但还只是
初步的、表面的。氢脆断口、应力腐蚀中“阴极”氢脆断口以及氢腐蚀断口的区分不仅要着眼于断口的微观形貌,还要进行工艺参数、定量金相等分析。应力腐蚀断口上有时也会有“海滩标志”,腐蚀疲劳断口上有时出现沿晶形貌,并且两者都有腐蚀产物,必须进行综合分析和诊断,才可得出科学的结论。
368机 械 强 度2005年
表4 断口微观定量反推
T ab.4 Q u antitative reverse analysis of fracture surface
断口类型定量反推程序观察和测量方法
脆性断口E BSP(电子背散射谱,elec2
tron backscatter diffraction
pattern)———解理面取向
E BS D(electron back2
scatter diffraction)和立
体摄影测量
韧性断口延伸区宽度
韧窝直径
———JⅠC
立体观察
FRAST A(fracture sur2
face topography analys2
is)法
疲劳断口
疲劳条带清晰条带间距———裂纹扩展速
率———ΔK
SE M
条带粗糙度———应力比
SE M
AFM(Atom forced
microscope)
(原子力显微镜) X射线衍射半峰宽———塑
性变形尺寸———K max
X射线衍射
疲劳条带不清晰E BSP———塑性变形尺寸
———K max
E BS D
残余应力———塑性变形尺
寸———K max———晶体学取
向
隧道花样方法
断口表面粗糙度———ΔK
剖面法
三维SE M观察
激光共焦扫描显微镜
韧性断口本来是有纤维区、放射区、剪切唇三个区域,可有些韧性断口上却出现纤维区、放射区、纤维区、剪切唇四区域的形貌,这又是什么原因呢?
微观的疲劳条带特征是疲劳断口诊断的充分条件,但是在很多情况下疲劳条带的特征不明显,超高强度钢甚至高强钢、高强铝合金的疲劳断口由于不易发生塑性变形,难以形成明显的疲劳条带;有时低周疲劳断口的条带变为成排的韧窝带;腐蚀性较强条件下的腐蚀疲劳断口上的条带被微观腐蚀特征所掩盖,铸造合金的疲劳断口的条带有时可能被显微组织(枝晶)所掩盖,片状珠光体钢疲劳断口的条带有可能被珠光体片的形态所干扰。在上述情况下,需要用宏观的疲劳弧线作为诊断依据,如果宏观疲劳弧线不明显或不存在,则需要做进一步的分析。另外,低周疲劳断口与静瞬时断裂断口、因高速加载引起破坏的断口与缺陷应力集中引起断裂的断口、应力为主引起疲劳断裂的断口与缺口或缺陷为主引起疲劳断裂的断口都不易区分。
5.5 断口学发展的作用和意义
5.5.1 断口学在断裂失效(事故)分析中的作用和意义
在第2节中已详细阐述了断口学对断裂失效(事故)的作用和意义。5.5.2 断口学在断裂学科发展中的作用和意义
断裂学是研究断裂的科学,包括断裂力学、断裂物理、断裂化学等学科分支。断裂学是断口学的理论基础,断口学反过来对断裂学科的发展有着重要的作用和意义。断口是断裂过程的最终产物和忠实历史记录,是断裂学科研究的必要基础。由于断口上所记录的各种信息是断裂力学、断裂化学、断裂物理等诸方面的内外因素综合作用的结果,对断口由定性到定量的精确分析、对断裂机理的深入研究必然推动断裂物理、断裂化学、断裂力学的发展。例如韧性断裂的微观形貌韧窝反映裂纹尖端的应力状态,对韧窝形状的详细分析则可以对裂纹尖端的局部应变状态有深刻的理解,这对塑性断裂力学有着十分重要的理论价值。
可以说,断口学是断裂力学、断裂物理、断裂化学等学科的重要知识来源;断口学是断裂力学和断裂物理这两门学科之间的桥梁,是把断裂宏观判据与微观组织参量联系起来的必要手段。
5.5.3 断口学在抗断裂材料和技术研究中的作用和意义
断口分析在抗断裂材料和技术研究中也起着很大的作用。通过断口分析可以提供有关合金的相组成、组织结构、杂质分布及含量对断裂特性的影响等信息,可为改进材料抗断裂的质量提供指导。
6 结束语
断口学不仅在断裂失效分析中有着十分重要的意义,而且对于理论研究有很大价值。如今,断口学正处于发展阶段。随着新技术和新方法在断口学中的广泛应用,断口微观机理和相关模型的不断发展,断口定量化和数字化的逐步实现,断口学将更加完善,在工程实践和理论研究中将会发挥更大的作用。
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370机 械 强 度2005年
断口分析及其微观机制
断口分析及其微观机制 研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。 断口的宏观和微观观察断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。 对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。 断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行。 脆性断口和延性断口。根据断裂的性质，断口大致分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成；延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成.
土压平衡盾构土体改良微观机理试验研究9054
土压平衡盾构土体改良微观机理试验研究 马超 摘要 土压平衡盾构通过改良土体的流塑性建立土压舱的动态土压平衡和保证螺旋输土器把渣土顺利排出。施工中土体具有良好塑流性，成为确保土压平衡盾构顺利、高效施工的重要一环。目前，在盾构隧道施工中常采用泡沫等外加剂改良土体，达到盾构施工所需要的效果。国内外很多学者对泡沫的性质和泡沫改良土体做了室内试验研究和现场研究。本课题参考国内外关于泡沫改良土体最新的研究结果，通过发泡装置产生满足盾构施工要求的泡沫，使用该泡沫对土试样进行了改良试验研究，以及泡沫混合土体的塌落度试验，得出了不同含水率下不同泡沫注入比的泡沫改良土体的塌落度值等反映混合土体宏观特性的试验参数。参考塌落度试验的结果，取得最优化的改良后的混合土样，借助工业CT扫描成像系统从微观角度对土压平衡盾构中泡沫改良土体的机理开展了研究。试验中拍摄得到了
泡沫改良后混合土的微观结构图像，并用编制的计算机程序分析其微观结构相关参数（孔隙率、最大孔径、平均孔径、孔隙方向角等）,从微细观的角度对泡沫混合土体进行描述。通过对改良土体微观结构参数的总结分析，验证了塌落度试验结果。本课题中，通过试验研究，从泡沫混合土体的宏观试验和微观结构扫描试验两个角度对改良土体进行研究，总结得到泡沫剂改良土体原理，以及混合土体微观结构的特征，为盾构施工中合理使用泡沫改良土体提供理论依据。 1.两个卵石土的试验结果揭示出这样的规律：在含水率和泡沫注入比比较合理的状态下，混合土的结构比较松散。在含水率和泡沫注入比不太合理的状态下，混合土的细观结构密实 2.三种不同类型的土，黏性土，砂土和卵石土因为其颗粒大小差异，其细观结构也呈现一定的差异。黏性土的黏粒粘结一起，包裹其内部的气泡；砂土颗粒和气泡分布均匀，砂土颗粒和气泡间错排列。卵石土中含有较大颗粒和黏性颗粒，其细观结构往往是以一个较大颗粒为中心，黏性颗粒粘结在大颗粒周围，外面被气泡包围。 关键词：土压平衡盾构;微观机理;土体改良;工业CT
金属断口机理及分析资料报告
名词解释 延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。 蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。 准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。 解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。 应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断 疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。 正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂） 韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。 冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。 位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断 裂机理或断裂过程。 河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。其形状类似地图上的河 流。 断口萃取复型：利用AC 纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些 质点的晶体结构。 氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。 卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。 等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。 均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三 维方向均匀长大。 第一章 断裂的分类及特点 1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。 脆性断裂裂纹源：材料表面、部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直 ，人字纹或放射花纹。延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45o . 2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。 穿晶断裂：裂纹穿过晶粒部、可能为脆性断裂也可 能是延性断裂； 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。应力腐蚀断口，氢脆断口。 3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂 4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断 正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂） 切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45o交角（平面应力条件下的撕裂） 根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形： 裂纹开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型） 裂纹尺寸与断裂强度的关系 Kic ：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K 准则 相似） a Y K c c πσ?=1
土微观机理研究
季冻区路基土冻胀微观机理的研究方法 季冻区路基土冻胀微观机理的研究方法 摘要： 改革开放以来，我国的经济建设有了突飞猛进的发展，公路、铁路、水利水电等设施的建设大规模地开展，作为所有工程用作基础的土，明确其在各种环境及人为因素下的物理力学性质，对于保证工程的稳定性和安全性是极其必要的。由于土是自然界各种岩石风化形成的，没有哪一种人为作用能控制土的性质，土的物理及力学特征亦因其形成过程而异有很大的不同，因此，不同地区不同种类的土会在相同条件下呈现出各异的力学特征，尤其在多年冻土和季节性冻土区，由于环境影响因素复杂，土的性质更加难以掌握。季冻区路基土冬季冻胀，春季融化，在交通荷载作用下容易发生路面病害，如：鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泥等现象，给交通运输和经济建设带来极大的危害，严重影响整个交通运输事业的发展。 可以说，季冻区路基冻害问题一直是困扰东北地区道路建设的一个重要问题，而路基冻胀是道路冻害产生的最主要影响因素。由于东北地区冬季气候寒冷，细颗粒土路基冻结产生水分集聚（即冻结面下水分向冻结面迁移）并冻结成冰，引起路面冻胀；春季路基解冻，集聚的冰晶体开始融化，由于细颗粒土排水能力差，路基土处于饱和或过饱和状态，承载力极低，在交通车辆作用下容易发生路面鼓包，弹簧，断裂和翻浆冒泡等现象，给交通运输和经济建设带来极大的危害。 下图为由冻胀引起冻害的照片
由此可见，路基冻害现象比比皆是，工程上迫切需要专门有效的措施，以防治由于路基冻胀引起的冻害问题，对季冻区路基土的研究具有十分重大的工程实际意义，刻不容缓。 冻土概念： 当温度低于0oC 时，土中液态水冻结为固态冰，冰胶结了土粒，形成一种特殊连结的土，称为冻土。根据冻结状态持续时间不同，冻土分为瞬时冻土、季节冻土和多年冻土。瞬时冻土是指的冻结状态保持几个小时至半月的土；季节冻土是指的冻结状态保持半月至数月的土；多年冻土是冻结状态持续多年（从几年到上千年）的土。冻土广泛分布在地球表层，是一种低温地质体且冻土区有丰富的土地、森林和矿藏资源，它的存在及演变对人类的生存环境、生产活动和可持续发展具有重要影响。 冻土分布概况： 多年冻土分布面积约占全球陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。我国多年冻土面积约206×104km2，约占全国国土面积的21.5%，是世界第三冻土大国，仅次于前苏联，主要分布在青藏高原、帕米尔、西部高山（包括祁连山、阿尔金山、天山、西准噶尔山地和阿尔泰山等）、东北大小兴安岭、松嫩平原北部以及东部地区一些高山顶部（诸如山西五台山、内蒙古大石山、汗山、吉林的长白山和张广才岭等）。季节冻土遍布在不连续多年冻土的外围地区，主要分布于北纬30o以北的地区。
金属的断裂条件及断口
金属的断裂条件及断口 金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和发展的过程。 1. 断裂的类型 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。 韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。 2. 断裂的方式 根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。 3. 断裂的形式 裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
机器零件断裂后不仅完全丧失服役能力，而且还可能造成不应有的经济损失及伤亡事故。断裂是机器零件最危险的失效形式。按断裂前是否产生塑性变形和裂纹扩展路径做如下分类。 韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色纤维状，有大量塑性变形的痕迹。脆性断裂则相反，断裂前从宏观来看无明显塑性变形积累，断口平齐而发亮，常呈人字纹或放射花样。 宏观脆性断裂是一种危险的突然事故。脆性断裂前无宏观塑性变形，又往往没有其他预兆，一旦开裂后，裂纹迅速扩展，造成严重的破坏及人身事故。因而对于使用有可能产生脆断的零件，必须从脆断的角度计算其承载能力，并且应充分估计过载的可能性。. 金属材料产生脆性断裂的条件 （1）温度任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。 （2）缺陷材料韧性裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。裂纹长度裂纹越长，越容易发生脆性断裂。缺陷尖锐程度越尖锐，越容易发生脆性断裂。 （3）厚度钢板越厚，冲击韧性越低，韧-脆性转变温度越高。原因：（A）越厚，在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大，
渣土改良微观机理实验研究方案
目前土结构层次的划分主要有两种: 一种是按宏观与微观划分为两个层次; 另一种是按宏观、细观和微观划分为三个层次。宏观结构是指可以用肉眼、放大镜或光学显微镜观察到的特征, 如裂隙、孔洞等, 主要着重研究土层赋存状态及不同性状土体在空间的相对位置; 微观结构是土的物质组成在空间排列以及土粒的联结特征, 着重研究颗粒内部的晶体结构、矿物组成、形态及相互关系; 细观结构是指土颗粒或颗粒聚合体之间的相对位置、排列特征、接触状态、粒间连接、胶结物及胶结状态、粒间孔隙大小与形态, 着重研究的对象是颗粒间所发生的作用、结构及内在的原因 试验方法： 仪器设备 体视显微镜（最大放大倍数200倍），沙纸，生物用培养皿 制成月5MM厚，10mm见方的薄片 操作步骤：（1）调试显微镜，并将照相机安装在显微镜接口上，接好快门线 （2）取出制备好的式样放在培养皿中，观察其外观特征是否有微裂缝发育，并调好焦距固定不动。（3）先后观察搅拌前后的试样，并调整至图像清晰，选择有代表性的试样进行显微拍照。 试验结果及讨论： 单一发泡剂对渣土的影响。 不同类型的发泡剂对渣土的影响。 土体微观图像的处理与分析 图像处理 试验取得的原始显微照片为真彩色图像，通过去噪、亮度和对比度调节，使图像更加清晰，再将其转换为灰度图像，通过目测法确定阈值，将其转换为二值图像，运用MATLAB图像处理软件进行图像分析。为了便于孔隙区分及标定，将二值化后的图像反色，即将像素值为1的变为0，像素值为0的变为1。运用MA TLAB图像处理函数库，并编制相应的程序，进行相关孔隙参数计算。 图像分析 通过计算机图像处理得到微观结构参数、几何形态的变化以及土体孔隙的分形特征。 1微观结构参数 主要参数包括：孔隙个数、总面积、总周长、面积分级、平均孔径等。 2微观结构的几何形态 主要指微结构的空间方向性，包括形状系数、圆度和各向异性率。 土体的细观结构是指土颗粒之间的相对位置接触状态、胶结物及胶结状态、粒间孔隙大小与形状。细观结构研究的对象是颗粒间所发生的作用、结构及内在的原因。细观结构与土体宏观结构、土的微观结构研究的重点差异是土体宏观结构着重研究十层赋存状态及不同性状土体在空间的相对位置> 土的微观结构着重研究颗粒内部的晶体结构、矿物组分、形态及相互关系。显然, 从研究对象的空间尺度看, 笔者所定义的土体的细观结构是介于土的微观结构与土体的宏观结构之间。 组成土的细观结构有颗粒、胶结物及孔隙。对于 固相介质, 又以是否易溶于水而分为可溶相与不可溶相。图?? 为细观结构示意图。结构中的孔隙由水或水和气或气所占据, 不可溶相包括难溶矿物颗粒和难溶盐组成的胶结物。
断口分析
断口分析 科技名词定义 中文名称：断口分析 英文名称：fractography 定义：对故障金属构件断裂面进行检查并分析其断裂原因的技术。 应用学科：电力（一级学科）；热工自动化、电厂化学与金属（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 断口分析是研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。 目录 编辑本段
断口分析(一) 的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。 编辑本段断口的宏观和微观观察 断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。 断口分析(二) 对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。 断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在 50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显
金属断裂机理完整版
金属断裂机理 1 金属的断裂综述 断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。 根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。 多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。 按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属、合金处于低温或冲击载荷作用），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的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说（比如铝），在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。 通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。 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，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。 根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂。
金属--断裂与失效分析刘尚慈
金属断裂与失效分析（刘尚慈编） 第一章概述 失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。 第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序 一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究 （一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二）无损检测 （三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四）断口分析 （五）断裂力学分析 以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝ Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y
（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC/Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs)不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据为： J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析 分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。
五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路 一、强度分析思路 二、断裂失效的统计分析 三、断裂失效分析的故障树技术 第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类 裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。 发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。 裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。 一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与
断口金相分析
断口金相分析 一、实验目的 1、掌握断口宏观分析的方法，了解断口宏观分析的意义及典型宏观断口的形貌特征。 2、了解扫描电镜在断口分析中的应用，识别几种常见断口的微观形貌。 二、实验设备及试样 1、实验设备：低倍体式显微镜、扫描电子显微镜。 2、试样：铸铁及低碳钢拉伸断口、氢脆断口、疲劳断口、系列冲击断口，过热过烧断口等等。 四、实验内容 钢材或金属构件断裂后，破坏部分的外观形貌通称断口。断裂是金属材料在不同情况下当局部破断发展到临界裂纹尺寸，剩余截面不能承受外界载荷时发生的完全破断现象。由于金属材料中的裂纹扩展方向总是遵循最小阻力路线，因此断口一般也是材料中性能最弱或零件中应力最大的部位。断口型貌十分真实地记录了裂纹的起因、扩展和断裂的过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基础，同时也是分析断裂原因的可靠依据。断口分析中分宏观断口分析与微观断口分析两类，它们各有特点，相互补充，是整个断口分析中互相关联的两个阶段。（一）宏观断口分观 宏观断口分析：用肉眼、放大镜、低倍实体显微镜来观察断口形貌特征，断裂源的位置、裂纹扩展方向以及各种因素对断口形貌特征的影响称断口宏观分析。从断裂机理可知，任何断裂过程总是包括裂纹形成，缓慢扩展、快速扩展至瞬时断裂几个阶段。通过宏观断口分析人们可以看到，由于材质不同，受载情况不同，上述各断裂阶段在断口上留下的痕迹也不相同，因此我们掌握了常见宏观录了裂纹的起因、扩展和断裂的过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基断口特征以后，就可在事故分析中根据宏观断口特征来推测断裂过程和断裂原 因，本实验主要观察下列几种断口： a）拉伸试样断口：材料为：低碳钢、铸铁。 断口特征：低碳钢拉伸断口外形呈杯锥状，整个断口可分三个区，中心部位为灰色纤维区，纤维区四周为辐射状裂纹扩展区，边缘是剪切唇区，剪切唇与拉伸应力轴交角为 45°。铸铁拉伸试样断口为结晶状断口，呈光亮的金属光泽，断口平齐。 b）疲劳断口 断口特征：轴类零件多在交变应力下工作，发生疲劳断裂后宏观断口上常可看到光滑区和粗糙区两部分，前者为疲劳裂纹形成和扩展区，有时可见贝纹线，蛤壳状或海滩波纹状花样，这种特征迹线是机器开动和停止时，或应力幅发生突变时疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹，是疲劳宏观断口的重要特征。断口中粗糙区为疲劳裂纹达到临界尺寸后的失稳破断区，它的特征与静载拉伸断口中的放射区及剪切唇相同，对于脆性材料此区为结晶状的脆性断口。 c）氢脆断口 试样：含镍、铬等元素的铸钢断口 断口特征：由于材料中含有过量的氢，沿某些薄弱部位聚集，造成很大压应力从而形成裂纹，断口往往是灰白色基体上显现出白色的亮区，或者呈现以材料内部缺陷为核心的银白色斑点，称为鱼眼型白点。 d）冲击断口 试样：作系列冲击试验后的断口（注意保存于干燥器中） 断口特征：冲击断口上一般也可以观察到三个区，缺口附近为裂纹源，然后是纤维区、放射区、二次纤维区及剪切唇，剪切唇沿缺口的其它三侧分布。温度降低时冲击试样断口上各区的比例
金属断口分析教案
备课本
课程名称
金属断口分析
课时数
24
适用班级 材料 091/092/093
授课教师
高建祥
使用时间 2010-2011 学年第 2 学期
冶金工程学院
《金属断口分析》课程授课教案
课程编号： 课程名称：金属断口分析 课程总学时/学分：24/1.5（其中理论 24 学时，实验 0 学时，课程设计 0 周） 适用专业：金属材料
一、课程地位
机械产品失效分析是一门新的跨学科的综合性技术，在一些国家中已将它作为一门 新的独立学科加以研究和发展。本课程的教学目的在于让学生了解失效分析中经常涉及的断 裂力学基本知识，金属材料断裂的分类，断口分析技术及典型断裂：延性断裂、解理断裂、 准解理断裂、疲劳断裂、氢脆断裂、应力腐蚀断裂及其它断裂断口的宏观、微观特征，断裂 失效机理及影响因素。
二、教材及主要参考资料
[1] 崔约贤. 金属断口分析[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社. 1998. [2] 吴连生. 失效分析技术[M]. 成都：四川科学技术出版社.1985.
三、课时分配
序号
授课内容提要
0 第一章 金属的断裂
1 第二章 断口分析技术
2 第三章 延性断裂
3 第四章 解理断裂
4 第五章 疲劳断裂
5 第六章 氢脆断裂
6 第七章 应力腐蚀断裂 7 第八章 其他断裂 8 合计
讲课 6 4 2 2 2 2
2
4
习题课 实验 24
四、考核方式与成绩核定办法
1. 考核方式：闭卷考试 2. 成绩核定办法：总分＝70％×考试成绩＋30％×平时成绩
五、授课方案
金属断口分析
《金属断口分析》 第一章金属的断裂 第一节断裂分类 失效形式：过大的弹性变形；塑性形变；断裂；材料变化。其中危害最大的是破裂特别是断裂。通过对断口形貌特征进行分析从而获得金属断裂机理。一，宏观脆性断裂与延伸断裂 从宏观上看，断裂分为脆性断裂和延性断裂 脆性断裂指以材料表面、内部的缺陷或是微裂纹为源，在较低的应力水平下（一般不超过材料的屈服强度），在无塑性变形或只有微小塑性变形下裂纹急速扩展。在多晶体中，断裂时沿着各个晶体的内部解理面产生，由于材料的各个晶体及解理面方向是变化的，因此断裂表面在外观上呈现粒状。脆性断裂主要沿着晶界产生，称为晶间断裂。其断口平齐。 延性断裂是在较大的塑性变形产生的断裂。它是由于断裂缓慢扩展而造成的。其断口表面为无光泽的纤维状。延性断裂经过局部的颈缩，颈缩部位产生分散的空穴，小空穴不断增加和扩大聚合成微裂纹。 二，穿晶断裂和沿晶断裂 依据裂纹扩展途径不同，断裂分为穿晶断裂和沿晶断裂，或二者兼有。 穿晶断裂是指裂纹穿过晶体内部的途径发生的；穿晶断裂可能是延性的，也可能是脆性的。若断裂是穿过晶体沿解理面断开，但无明显塑性变形为脆性断裂。若穿晶断裂时出现塑性变形则为延性断裂。 沿晶断裂指以裂纹沿着晶界扩展的方式进行。沿晶断裂多为脆性断裂，，但也有延性的。应力腐蚀断口，氢脆断口都是沿晶断裂的脆性断裂。三，韧窝、解理、准解理、沿晶和疲劳断裂 这主要是根据微观断裂机制上而言 四，正断和切断 根据断面的宏观取向与最大正应力交角，断裂方式分为正断和切断 正断性断裂是指宏观断面的取向与最大正应力相垂直，如解理断裂 切断性断裂指宏观断面的取向与最大切应力方向相一致，而与最大正应力成45度
断口分析
断口分析 duankou fenxi 断口分析 fractography 研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。 断口的宏观和微观观察断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。 对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。
断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行（见金属和合金的微观分析）。 脆性断口和延性断口根据断裂的性质，断口大致可以分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口，和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成;延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，其断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成（图1[断 口的三要素]）。这三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区（对冲击拉伸则有终了断裂区），通常称它们为断口三要素。对于同一种材料，三个区域的面积及其所占整个断口的比例随外界条件的改变而变化。例如：加载速率愈大，温度愈低，则裂纹扩展区（即放射区）所占的比例也愈大。如果定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为,则通常把=1时的断裂温度称为材料的韧性-脆性转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度）。如果在同一温度和加载速率下比较两种材料的断裂性质，则值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。
金属材料断口分析的步骤与方法
金属材料断口分析的步骤与方法 断口分析通常是一个从宏观到微观，从定性到定量的分析过程，并且是应用多种仪器联合测试检验的结果，是综合性很强的技术分析工作。因此需要严格的科学态度，精心地、有步骤地进行研究分析。 断口分析步骤： (1)所有试样的选择、鉴定、保存以及清洗; (2)宏观检验和分析(断裂表面、二次裂纹以及其他的表面现象); (3)微观检验和分析; (4)金相剖面的检验和分析以及化学分析; (5)断口定量分析(断裂力学方法); (6)模拟试验。 1 断裂构件的处理及断口的保存 在确定了断裂的金属构件后，就要采取措施把断口保存好，尽快制定分析计划。通常金属构件的断裂不止一个断口，有时要立即判断主断口有困难，此时应该把所有断件收集好，在收集过程中切勿把断口碰伤或对接，也不要在断口上使用防蚀涂层。保护和清理断口是断口分析的一个重要前提。对断口和裂纹轨迹进行充分检查后方可进行清洗。 对于不同情况下的断口应该用不同方法处理： (1)大气中的新鲜断口，应立即放入干燥器内或真空干燥器内而不必清洗。 (2)对于带有油污的断口，首先用汽油，然后用丙酮、三氯甲烷、石油醚及苯等有机溶剂溶去油污，最后用无水乙醇清洗吹干。当浸没处理还不能去除油污时，可使用蒸汽或超声波方法进一步去除。 (3)在腐蚀环境下发生断裂的断口，通常在断口上覆盖一层腐蚀产物，这层产物对于分析断裂原因是非常有用的，但对断口形貌观察常常带来很大的麻烦。在这种情况下，需要用综合分析的方法来考虑。因为有许多腐蚀产物容易水解或分解，因此进行产物分析要抓紧时间，同时不要进行任何清洗和处理。通常把带
有腐蚀产物的断口试样，先用X射线、电子探针、电子扫描显微镜或俄歇能谱仪进行产物分析，得出结论后去掉产物再观察断口形貌。 去掉腐蚀产物有时可采用干剥法。用醋酸纤维纸(称AC纸，由7%的醋酸纤维素、丙酮溶液制成厚度0.1～1mm的均匀薄膜)复型进行清理是最有效的方法之一，尤其是断口表面已经受到腐蚀的时候。将一条厚约1mm合适的AC纸，放在丙酮中泡软，然后拿起来放在断口表面上，在第一张条带的背后衬上一块未软化的AC纸，然后用夹子将复型牢牢地压在断口表面上，干燥后用小镊子把干复型从断口上揭下来。如果断口玷污得很厉害，可将复型操作重复进行，直到获得一个洁净无污染的复型为止。这种方法的一个优点，就是能将从断口上除去的碎屑保存下来，供以后鉴定碎屑使用。还可以用复型法达到长期保存断口的目的。 (4)断口表面不能用酸溶液清洗，以免影响断口分析的准确性。 (5)在潮湿空气中暴露时间比较长、锈蚀比较严重的断口，以及高温下使用的有高温氧化的断口，一定要去除氧化膜后才能观察，以避免假象。若用一般有机溶液、超声波洗涤和复型都不能洁净断口表面时，可采用化学清洗。根据不同的金属材料及氧化层情况可采用不同的化学清洗液。 2 断口的宏观分析 用肉眼、放大镜和实体显微镜对断裂零件进行直接观察与分析的方法，称为宏观分析，其放大倍数通常为100倍以下。 宏观分析的优点是：(1)简便、迅速，试样尺寸不十分受限制，不必破坏断裂零件;(2)观察范围大，能够观察与分析断裂全貌，即裂缝和零件形状的关系、断口与变形方向的关系、断口与受力状态(主应力或切应力)的关系;(3)能够初步判断裂起源位置、断裂性质与原因，缩小进一步分析研究的范围，可为确定进一步分析的取样部位和数量提供线索和依据。因此宏观分析是断裂故障分析中最方便、最常用、最主要的不可缺少的步骤和方法，是整个断裂故障分析的基础。 断裂分析的一个主要内容，就是要确定断裂源的位置及裂纹的扩展方向。金属零件若已断裂成多块，则应把所有断块按原来形状拼起来，但要特别小心不能碰合，然后看其密合程度，密合得最差的为最早断裂，即主断口。分析断裂原因时，只需对主断口进行分析。
断口分析
断口分析
1.弹性不匹配的裂纹形核：晶粒间由于取向，化学成分不同，弹性模量是不一样的，外部施加的应力或内部产生的应力在两个经理内产生不同的弹性应变，从而可能导致局部的高应力，并通过形成裂纹加以释放。 2.结晶固体中的塑性形变引起的裂纹形核：低温下的结晶材料，如金属和陶瓷，会发生剪切形变。从微观结构的层次来看，这是由单个位错的滑动(滑移)或大批的位错协调移动(局部形变孪生)引起的晶体内或晶粒内的剪切形变。由此产生的剪切应力可能局限在一个窄带内。当剪切带遇到障碍，例如晶界或者第二相粒子，在剪切带尖上会产生 很大的局部应力，这就引起了裂纹形核。材料的晶体结构及外加应力的方向决定了滑移面或孪生面的方向以及剪切发生的方向。裂纹形核的平面与材料的晶体结构和“障碍”界面的强度密切相关。由于结晶解理，裂纹产生在同一晶粒的剪切带中。当然裂纹也可能会产生在“障碍”处，或者在材料中弱界面处，沿界面形成。高应力集中也可能会通过普通的塑性形变而不是裂纹形核释放出来。裂纹是否产生取决于多个不同变量，包括剪切应力大小、障碍的强度、形变动力学以及滑移系的几何性质等。有些材料比较易碎，容易产生裂纹，是因为无法释放由于塑性形变所产生的高的应力集中。 3.塑性孔洞聚合引起的裂纹形核：这种机制多发生于很多含有刚性颗粒的延性固体中，具体细节取决于固体的微观结构。当受力变形时，延性基体通过两种方式产生形变:晶体材料的滑移，或者在非晶和半
结晶体材料中更为普遍的剪切过程，但其中的坚硬颗粒不会发生形变。因此，随着颗粒周围产生的许多塑性孔洞，颗粒和基体开始分离。而一旦形核，由于基体的进一步剪切或高温下的扩散过程，塑性孔洞会不断扩大。最终，不断变大的塑性孔洞的应力场会彼此交互作用，基体剪切应力逐渐集中到颗粒之间的区域，导致其与基体的分离而形成裂纹。裂纹是由不规则排列的多个聚集的塑性孔洞构成的。这说明，裂纹可能是由许多较小的裂纹形成的，在本例中指的就是刚性颗粒与基体界面间的小裂纹。 4.界面滑移产生的裂纹形核：在足够高的温度下，多晶材料，或者更准确地说，球状半结晶聚合物的形变原因是这些相对来说呈刚性的晶体之间的滑移。由于热活化过程的作用，材料在发生形变前，晶粒或者球晶会发生晶界弛豫，所以整个滑移过程就成为形变的主要模式。当三相点的晶粒棱角导致滑移过程中断时，材料上就会出现楔形裂纹。在滑移过程中，位于晶界上的刚性颗粒可能会导致塑性孔洞的形核。这些塑性孔洞不断扩展和聚集，在晶界上形成裂纹，这个原理和的塑性孔洞的道理类似。 5.交变应力(机械疲劳)产生的裂纹形核：以上所述的裂纹形核的示例都是由单调加载引起的。在单调加载条件下，当施加循环应力时，尽管应力尚未达到裂纹产生和扩展的临界水平，也会导致机械疲劳。循环应力导致较小的形变，逐渐累积并最终产生裂纹。一般来说，滑动或滑移是在一个主滑移面上进行的，而循环应力则会导致其在几个相互紧邻的平行平面的狭窄区域或窄带内来回滑动，该区域被称为永久
材料力学论金属的断裂
工程材料力学期中作业 班级成型2班 姓名陶帅 学号20113650
论述金属的断裂 一、基本介绍 概念：金属材料在外力作用下断裂成两部分的现象。 磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。在应力作用下（有时还兼有热及介的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。实践证明，大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。 二、断裂的基本类型 弹性变形→塑性变形→断裂 1，根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可分为韧性断裂和脆性断裂。 2，多晶体金属断裂时，按裂纹扩展路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂。 3，根据应力类型可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂、解理断裂。 三、具体分析 1，韧性断裂 韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45o角。用肉眼或放大镜观察时，端口呈纤
维状，灰暗色。纤维状是苏醒变形过程中微裂纹不断扩展和相连造成的，灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。 中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。 当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力-伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈50o~60o角。新的微孔就在变形带内成核、长大和聚合，当其与裂纹连接时，裂纹便向前扩展了一段距离。这样的过程重复进行就形成锯齿形的纤维区。纤维区所在的平面垂直于拉伸应力方向。
金属材料的断裂
金属材料的断裂 金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和发展的过程。 1. 断裂的类型 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。 韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。 2. 断裂的方式 根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。 3. 断裂的形式 裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。 4. 断口分析 断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。 （1）宏观断口分析 断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。 （2）微观断口分析（需要深入研究） 5. 脆性破坏事故分析
金属断裂的微观机制及显微特征
金属断裂的微观机制为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。 属于不同断裂机制的断裂，其断口微观结构各具有独特的形貌特征。 基本断裂机制的典型微观形貌： a沿晶脆性断裂 b 解理断裂c 准解理断裂 d 韧窝断裂] 属于不同基本断裂机制的断口所观察到的典型微观形貌，其物理本质和断口特征为： 沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸收过程的断裂。根据断裂能量消耗最小原理，裂纹的扩展路径总是沿着原子键合力最薄弱的表面进行。晶界强度不一定最低，但如果金属存在着某些冶金因素使晶界弱化（例如杂质原子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脱溶，或脆性相在晶界析出等等），则金属将会发生沿晶脆性断裂。沿晶脆性断裂的断口特征是:在宏观断口表面上有许多亮面,每个亮面都是一个晶粒的界面。如果进行高倍观察，就会清晰地看到每个晶粒的多面体形貌类似于冰糖块的堆集，故有冰糖状断口之称；又由于多面体感特别强，故在三个晶界面相遇之处能清楚地见到三重结点。 沿晶脆性断裂的发生在很大程度上取决于晶界面的状态和性质。实践表明，提纯金属,净化晶界,防止杂质原子在晶界上偏聚或脱溶，以及避免脆性第二相在晶界析出等，均可以减少金属发生沿晶脆性断裂的倾向。因此,应用X射线能谱分析法和俄歇电子能谱分析法确定沿晶断裂面的化学成分，对从冶金因素来认识材料的致脆原因，提出改进工艺措施有指导意义。 微观形态：在沿晶脆性断口上，几乎没有塑性变形的痕迹或仅看到极少的韧窝。例如，过烧后的断口，就是沿晶界氧化物薄膜发生的一种沿晶脆性断裂。另外，18-8奥氏体不锈钢沿晶界大量析出碳化物后，也易产生沿晶脆断；沿晶界化学腐蚀和应力腐蚀（包括氢脆）后产生的断口，也都是沿晶脆性断口。属于这类断口的还有层状断口和撕痕状断口等。 解理断裂属于一种穿晶脆性断裂，根据金属原子键合力的强度分析，对于一定晶系的金属，均有一组原子键合力最弱的、在正应力下容易开裂的晶面，这种晶面通常称为解理面。例如：属于立方晶系的体心立方金属,其解理面为{100}晶面；六方晶系为{0001}；三角晶系为{111}。一个晶体如果是沿着解理面发生开裂,则称为解理断裂。面心立方金属通常不发生解理断裂（见晶体结构）。 解理断裂的特点是:断裂具有明显的结晶学性质,即它的断裂面是结晶学的解理面{ },裂纹扩展方向是沿着一定的结晶方向〈〉。为了表示这种结晶学性质,通常用解理系统{ }〈〉来描述。对于体心立方金属，已观察到的解理系统有 {100} <001>，{100}〈011〉等。解理断口的特征是宏观断口十分平坦，而微观形貌则是由一系列小裂面(每个晶粒的解理面)所构成。在每个解理面上可以看到一些十分接近于裂纹扩展方向的阶梯，通常称为解理阶。 解理阶的形态是多种多样的，同金属的组织状态和应力状态的变化有关。其中所谓“河流花样”是解理断口的最基本的微观特征。河流花样解理阶的特点是：支