斷口分析

時(shí)間：2013-04-07 09:54:35 來(lái)源：作者：

   研究金屬斷裂面的學(xué)科，是斷裂學(xué)科的組成部分。金屬破斷后獲得的一對(duì)相互匹配的斷裂表面及其外觀形貌，稱(chēng)斷口。斷口總是發(fā)生在金屬組織中最薄弱的地方，記錄著有關(guān)斷裂全過(guò)程的許多珍貴資料，所以在研究斷裂時(shí)，對(duì)斷口的觀察和研究一直受到重視。通過(guò)斷口的形態(tài)分析去研究一些斷裂的基本問(wèn)題：如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機(jī)制、斷裂韌性、斷裂過(guò)程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴(kuò)展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和環(huán)境因素對(duì)斷裂過(guò)程的影響，通常還要進(jìn)行斷口表面的微區(qū)成分分析、主體分析、結(jié)晶學(xué)分析和斷口的應(yīng)力與應(yīng)變分析等。隨著斷裂學(xué)科的發(fā)展，斷口分析同斷裂力學(xué)等所研究的問(wèn)題更加密切相關(guān)，互相滲透，互相配合；斷口分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和分析問(wèn)題的深度將會(huì)取得新的發(fā)展。斷口分析現(xiàn)已成為對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行失效分析的重要手段。
   斷口的宏觀和微觀觀察  斷口分析的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是對(duì)斷口表面的宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行直接觀察和分析。通常把低于40倍的觀察稱(chēng)為宏觀觀察，高于40倍的觀察稱(chēng)為微觀觀察。
   對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察的儀器主要是放大鏡(約10倍)和體視顯微鏡（從5～50倍）等。在很多情況下,利用宏觀觀察就可以判定斷裂的性質(zhì)、起始位置和裂紋擴(kuò)展路徑。但如果要對(duì)斷裂起點(diǎn)附近進(jìn)行細(xì)致研究，分析斷裂原因和斷裂機(jī)制，還必須進(jìn)行微觀觀察。
   斷口的微觀觀察經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡（觀察斷口的實(shí)用倍數(shù)是在 50～500倍間）、透射電子顯微鏡（觀察斷口的實(shí)用倍數(shù)是在 1000～40000倍間）和掃描電子顯微鏡（觀察斷口的實(shí)用倍數(shù)是在 20～10000倍間）三個(gè)階段。因?yàn)閿嗫谑且粋€(gè)凹凸不平的粗糙表面，觀察斷口所用的顯微鏡要具有最大限度的焦深，盡可能寬的放大倍數(shù)范圍和高的分辨率。掃描電子顯微鏡最能滿(mǎn)足上述的綜合要求，故近年來(lái)對(duì)斷口觀察大多用掃描電子顯微鏡進(jìn)行（見(jiàn)金屬和合金的微觀分析）。
   脆性斷口和延性斷口  根據(jù)斷裂的性質(zhì)，斷口大致可以分為幾乎不伴隨塑性變形而斷裂的脆性斷口，和伴隨著明顯塑性變形的延性斷口。脆性斷口的斷裂面通常與拉伸應(yīng)力垂直，宏觀上斷口由具有光澤的結(jié)晶亮面組成;延性斷口的斷裂面可能同拉伸應(yīng)力垂直或傾斜,分別稱(chēng)為正斷口和斜斷口；從宏觀來(lái)看，斷口上有細(xì)小凹凸，呈纖維狀。對(duì)于單軸拉伸斷口和沖擊斷口，在理想情況下，其斷裂面是由三個(gè)明顯不同的區(qū)域（即纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)）所構(gòu)成（圖1 [斷口的三要素]）。

斷口的三要素

這三個(gè)區(qū)域?qū)嶋H上是裂紋形成區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和剪切斷裂區(qū)（對(duì)沖擊拉伸則有終了斷裂區(qū)），通常稱(chēng)它們?yōu)閿嗫谌亍?duì)于同一種材料，三個(gè)區(qū)域的面積及其所占整個(gè)斷口的比例隨外界條件的改變而變化。例如：加載速率愈大，溫度愈低，則裂紋擴(kuò)展區(qū)（即放射區(qū)）所占的比例也愈大。如果定義裂紋擴(kuò)展區(qū)對(duì)另外兩個(gè)區(qū)面積的比值為R,則通常把R=1時(shí)的斷裂溫度稱(chēng)為材料的韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度（或延性-脆性轉(zhuǎn)變溫度、塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度）。如果在同一溫度和加載速率下比較兩種材料的斷裂性質(zhì)，則R值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。
金屬斷裂的微觀機(jī)制為了闡明斷裂的全過(guò)程（包括裂紋的生核和擴(kuò)展，以及環(huán)境因素對(duì)斷裂過(guò)程的影響等），提出種種微觀斷裂模型,以探討其物理實(shí)質(zhì),稱(chēng)為斷裂機(jī)制。在斷口的分析中，各種斷裂機(jī)制的提出主要是以斷口的微觀形態(tài)為基礎(chǔ)，并根據(jù)斷裂性質(zhì)、斷裂方式以及同環(huán)境和時(shí)間因素的密切相關(guān)性而加以分類(lèi)。根據(jù)大量的研究成果，目前已知主要的金屬斷裂微觀機(jī)制可以歸納在表1[金屬的斷裂微觀機(jī)制]中。

表1 金屬的斷裂微觀機(jī)制
屬于不同斷裂機(jī)制的斷裂，其斷口微觀結(jié)構(gòu)各具有獨(dú)特的形貌特征。圖2[基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌 a沿晶脆性斷裂×500 b 解理斷裂×1000 c 準(zhǔn)解理斷裂×2000 d 韌窩斷裂×2000]

基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌 a沿晶脆性斷裂×500 b 解理斷裂×1000 c 準(zhǔn)解理斷裂 ×2000 d 韌窩斷裂×2000

所示是屬于不同基本斷裂機(jī)制的斷口所觀察到的典型微觀形貌，其物理本質(zhì)和斷口特征為：
沿晶脆性斷裂是指斷裂路徑沿著不同位向的晶界(晶粒間界)所發(fā)生的一種屬于低能吸收過(guò)程的斷裂。根據(jù)斷裂能量消耗最小原理，裂紋的擴(kuò)展路徑總是沿著原子鍵合力最薄弱的表面進(jìn)行。晶界強(qiáng)度不一定最低，但如果金屬存在著某些冶金因素使晶界弱化（例如雜質(zhì)原子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脫溶，或脆性相在晶界析出等等），則金屬將會(huì)發(fā)生沿晶脆性斷裂。沿晶脆性斷裂的斷口特征是:在宏觀斷口表面上有許多亮面,每個(gè)亮面都是一個(gè)晶粒的界面。如果進(jìn)行高倍觀察，就會(huì)清晰地看到每個(gè)晶粒的多面體形貌（圖2a[基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌a沿晶脆性斷裂×500]），

基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌a沿晶脆性斷裂×500

圖2a 基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌a沿晶脆性斷裂×500

類(lèi)似于冰糖塊的堆集，故有冰糖狀斷口之稱(chēng)；又由于多面體感特別強(qiáng)，故在三個(gè)晶界面相遇之處能清楚地見(jiàn)到三重結(jié)點(diǎn)。
   沿晶脆性斷裂的發(fā)生在很大程度上取決于晶界面的狀態(tài)和性質(zhì)。實(shí)踐表明，提純金屬,凈化晶界,防止雜質(zhì)原子在晶界上偏聚或脫溶，以及避免脆性第二相在晶界析出等，均可以減少金屬發(fā)生沿晶脆性斷裂的傾向。因此,應(yīng)用X射線(xiàn)能譜分析法和俄歇電子能譜分析法確定沿晶斷裂面的化學(xué)成分，對(duì)從冶金因素來(lái)認(rèn)識(shí)材料的致脆原因，提出改進(jìn)工藝措施有指導(dǎo)意義。
   解理斷裂  屬于一種穿晶脆性斷裂，根據(jù)金屬原子鍵合力的強(qiáng)度分析，對(duì)于一定晶系的金屬，均有一組原子鍵合力最弱的、在正應(yīng)力下容易開(kāi)裂的晶面，這種晶面通常稱(chēng)為解理面。例如：屬于立方晶系的體心立方金屬,其解理面為{100}晶面；六方晶系為{0001}；三角晶系為{111}。一個(gè)晶體如果是沿著解理面發(fā)生開(kāi)裂,則稱(chēng)為解理斷裂。面心立方金屬通常不發(fā)生解理斷裂（見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)）。
   解理斷裂的特點(diǎn)是:斷裂具有明顯的結(jié)晶學(xué)性質(zhì),即它的斷裂面是結(jié)晶學(xué)的解理面{h k l},裂紋擴(kuò)展方向是沿著一定的結(jié)晶方向〈〉。為了表示這種結(jié)晶學(xué)性質(zhì),通常用解理系統(tǒng){h k l}〈〉來(lái)描述。對(duì)于體心立方金屬，已觀察到的解理系統(tǒng)有 {100} <001>，{100}〈011〉等。解理斷口的特征是宏觀斷口十分平坦，而微觀形貌則是由一系列小裂面(每個(gè)晶粒的解理面)所構(gòu)成。在每個(gè)解理面上可以看到一些十分接近于裂紋擴(kuò)展方向的階梯，通常稱(chēng)為解理階（圖2b[基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌 b解理斷裂×1000]）。

基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌 b解理斷裂×1000

圖2b 基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌 b解理斷裂×1000

解理階的形態(tài)是多種多樣的，同金屬的組織狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的變化有關(guān)。其中所謂“河流花樣”是解理斷口的最基本的微觀特征。河流花樣解理階的特點(diǎn)是：支流解理階的匯合方向代表斷裂的擴(kuò)展方向；匯合角的大小同材料的塑性有關(guān)，而解理階的分布面積和解理階的高度同材料中位錯(cuò)密度和位錯(cuò)組態(tài)有關(guān)。因此，通過(guò)對(duì)河流花樣解理階進(jìn)行分析，就可以幫助我們尋找主斷裂源的位置，判斷金屬的脆性程度，和確定晶體中位錯(cuò)密度和位錯(cuò)容量。
準(zhǔn)解理斷裂也是一種穿晶斷裂。根據(jù)蝕坑技術(shù)分析表明，多晶體金屬的準(zhǔn)解理斷裂也是沿著原子鍵合力最薄弱的晶面（即解理面）進(jìn)行。例如：對(duì)于體心立方金屬（如鋼等），準(zhǔn)解理斷裂也基本上是{100}晶面,但由于斷裂面上存在較大程度的塑性變形（見(jiàn)范性形變），故斷裂面不是一個(gè)嚴(yán)格準(zhǔn)確的解理面。
準(zhǔn)解理斷裂首先在回火馬氏體等復(fù)雜組織的鋼中發(fā)現(xiàn)。對(duì)于大多數(shù)合金鋼（如 Ni-Cr鋼和Ni-Cr-Mo鋼等），如果發(fā)生斷裂的溫度剛好在延性－脆性轉(zhuǎn)變溫度的范圍內(nèi)，也常出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂。從斷口的微觀形貌特征來(lái)看(圖2c[基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌c準(zhǔn)解理斷裂×2000]),

在準(zhǔn)解理斷裂中每個(gè)小斷裂面的微觀形態(tài)頗類(lèi)似于晶體的解理斷裂，也存在一些類(lèi)似的河流花樣，但在各小斷裂面間的連結(jié)方式上又具有某些不同于解理斷裂的特征，如存在一些所謂撕裂嶺等。撕裂嶺是準(zhǔn)解理斷裂的一種最基本的斷口形貌特征。準(zhǔn)解理斷裂的微觀形貌的特征，在某種程度上反映了解理裂紋與已發(fā)生塑性變形的晶粒間相互作用的關(guān)系。因此，對(duì)準(zhǔn)解理斷裂面上的塑性應(yīng)變進(jìn)行定量測(cè)量，有可能把它同斷裂有關(guān)的一些力學(xué)參數(shù)如：屈服應(yīng)力、解理應(yīng)力和應(yīng)變硬化參數(shù)等聯(lián)系起來(lái)。
韌窩斷裂金屬多晶材料的斷裂，通過(guò)空洞核的形成、長(zhǎng)大和相互連接的過(guò)程進(jìn)行,這種斷裂稱(chēng)為韌窩斷裂(dimple fracture)。韌窩斷裂是屬于一種高能吸收過(guò)程的延性斷裂。其斷口特征為：宏觀形貌呈纖維狀，微觀形態(tài)呈蜂窩狀（圖2d[基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌 d韌窩斷裂×2000]）,

基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌 d韌窩斷裂×2000

圖2d 基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌 d韌窩斷裂×2000

斷裂面是由一些細(xì)小的窩坑構(gòu)成,窩坑實(shí)際上是長(zhǎng)大了的空洞核，通常稱(chēng)為韌窩，它是韌窩斷裂的最基本形貌特征和識(shí)別韌窩斷裂機(jī)制的最基本依據(jù)。系統(tǒng)的觀察表明，韌窩的尺寸和深度同材料的延性有關(guān)，而韌窩的形狀則同破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。由于應(yīng)力狀態(tài)不同，相應(yīng)地在相互匹配的斷口偶合面上，其韌窩形狀和相互匹配關(guān)系是不同的。如圖3 [在斷口偶合面上韌窩的形狀和應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系]

在斷口偶合面上韌窩的形狀和應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系

圖3 在斷口偶合面上韌窩的形狀和應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系

所示:a為等軸型韌窩，韌窩形成的應(yīng)力狀態(tài)為均勻應(yīng)變型；b 為同向伸長(zhǎng)韌窩，伸長(zhǎng)方向平行于斷裂方向,其應(yīng)力狀態(tài)為拉伸撕裂型；c為異向伸長(zhǎng)型韌窩，伸長(zhǎng)方向平行于斷裂方向，其應(yīng)力狀態(tài)為刃滑動(dòng)型；d為同向伸長(zhǎng)韌窩,但伸長(zhǎng)方向垂直于斷裂方向，其應(yīng)力狀態(tài)為螺滑動(dòng)型。除了上述四種基本的韌窩形狀外,還存在混合應(yīng)力狀態(tài)下所形成的韌窩,理論分析表明，最低限度有14種,其中8種已從實(shí)驗(yàn)觀察到。
   由于韌窩的形狀與應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，故對(duì)斷口耦合面上相嚙合部位的韌窩形狀、尺寸和深度進(jìn)行分析，就可以確定斷裂時(shí)所在部位的應(yīng)力狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展的方向，并對(duì)材料的延性進(jìn)行評(píng)價(jià)。還有其他斷裂的機(jī)制如：疲勞、蠕變和應(yīng)力腐蝕斷裂等。
   微觀斷裂機(jī)制的實(shí)際應(yīng)用  作為材料斷裂韌性指標(biāo)之一的裂紋擴(kuò)展阻力Gc，它不但是一個(gè)材料常數(shù)，而且也同斷裂的微觀機(jī)制有關(guān)。例如：當(dāng)斷裂機(jī)制是沿晶脆性斷裂或解理斷裂時(shí)，Gc值較小；反之，當(dāng)斷裂機(jī)制是韌窩斷裂時(shí)，則Gc值較大,如表2[斷裂微觀機(jī)制和裂紋擴(kuò)展阻力Gc的關(guān)系]所示。
   斷裂微觀機(jī)制的分析，有可能把斷口的形貌分析同斷裂力學(xué)指標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，其中最重要的成果之一是系統(tǒng)地建立了斷裂機(jī)制圖，這對(duì)解決一些工程斷裂問(wèn)題十分有用。所謂斷裂機(jī)制圖，是指選擇適當(dāng)?shù)臄嗔褏?shù)、力學(xué)參數(shù)或物理參數(shù)作為坐標(biāo)系，用它來(lái)確立各種可能出現(xiàn)的微觀斷裂機(jī)制的區(qū)域，以便發(fā)現(xiàn)各類(lèi)金屬斷裂的普遍規(guī)律。在工程應(yīng)用上，斷裂機(jī)制圖對(duì)工程設(shè)計(jì)，材料的選擇，使用條件的限制，以及失效分析等都能提供十分重要的指導(dǎo)性意見(jiàn)和數(shù)據(jù)資料，目前正大力開(kāi)展這方面的工作。

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