1、1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
2、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
3、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
4、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。2按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为静载断裂(如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等)、冲击断裂、疲劳断裂；根据环境不同又分为低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀和氢脆断裂；而磨损和接触疲劳则为一种不完全断裂。常用的断裂分类方法及其特征见下表：2 微孔聚合断裂机制2.1 相关概念定义：微孔聚合型断裂过程是在外力作用下，在夹杂物、第二相粒子与基体的界面处，或在晶界、孪晶带、相界、大量位错塞积处形成微裂纹，因相邻微裂纹的聚合产生可见微孔洞，以后孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂。微孔萌生的时间：若材料中第二相与基体结合强度低，在颈
5、缩之前；反之，在颈缩之后。微孔萌生成为控制马氏体时效钢断裂过程的主要环节。微孔聚合型断裂形成的韧窝有三种：1）拉伸型等轴状韧窝；2）剪切型伸长韧窝；3）拉伸撕裂型伸长韧窝。韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量、分布以及基体的塑性变形能力，如第二相较少、分布均匀且基体塑性变形能力又强，那么韧窝大而深；若基体分类方法 名 称 特 征脆性断裂 断裂前没有明显的塑性变形，断口形貌是光亮的结晶状根据断裂前塑性变形大小分类 韧性断裂 断裂前产生明显的塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状正断 断裂的宏观表面垂直于 max 方向根据断裂面的取向分类 切断 断裂的宏观表面平行于 max 方向穿晶断裂 裂纹穿过晶粒内部
6、根据裂纹扩展途径分类 沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展解理断裂无明显塑性变形沿解理面分离，穿晶断裂微孔聚集型断裂沿晶界微孔聚合，沿晶断裂在晶内微孔聚合，穿晶断裂根据断裂机理分类纯剪切断裂沿滑移面分离剪切断裂（单晶体）通过缩颈导致最终断裂（多晶体、高纯金属）3的加工硬化能力很强，韧窝大而浅。2.2 断口形貌特征A 种(15 mA cm2)变体钢断裂面的形貌-兼有微孔聚合断裂和解理断裂4B (30 mA cm2)种变体钢断裂面形貌-兼有韧窝和二次裂纹以上图片是对“800 CMnSi 超强度钢（TRIP 800 steels） ”的 A、B 两种变体钢试样进行拉伸试验的断口形貌，括号中标注的是实验具体使用的
7、电流密度值。本实验研究氢含量对 TRIP 800 steels 性质和断口形貌的影响，上面图 2-1说明氢含量高使得断口表现出了较多较浅的韧窝，韧窝浅因为氢脆效应降低了材料的塑性变形能力。另外，图 2-2 是在加入了氢吸收促进剂之后的断裂形貌，除了有韧窝出现，还有了二次断裂，并且产生于夹杂物（即氢吸收促进剂）旁边。2.3 微孔聚合断裂机制微孔聚集断裂为剪切断 裂 的 一 种 形 式 ， 微 孔 聚 集 断 裂 是 材 料 韧 性 断 裂 的普 遍 形 式 ， 其 断 口 在 宏 观 上 常 呈 现 暗 灰 色 、 纤 维 状 ， 微 断 口 特 征 花 样 则 是 端口 上 分 布 大 量 “
8、韧 窝 ”， 微 孔 聚 集 断 裂 过 程 包 括 微 孔 形 核 、 长 大 、 聚 合 直 至断 裂 。微孔聚合断裂过程5由于应力状态或加载方式的不同，微孔聚合型断裂所形成的韧窝有三种类型：(1)拉伸型的等轴状韧窝。裂纹扩展方向垂直于最大主应力 max， max是均匀分布于断裂平面上，拉伸时呈颈缩的试样中心部分就显示这种韧窝状。(2)剪切型的伸长韧窝。在拉伸试样的边缘，两侧均由剪应力切断，显示这种韧窝形状，韧窝很大如卵形，其上下断面所显示的韧窝，其方向是相反的。(3)拉伸撕裂的伸长韧窝。产生这种韧窝的加载方式有些和等轴状韧窝类似，但是等轴状韧窝可以认为是在试样中心加拉伸载荷的，而拉伸型韧
9、窝是在试样边缘加载的，因而 max不是沿截面均匀分布的，在边缘部分应力很大，裂纹是由表面逐渐向内部延伸的，好像我们把粘着的两张纸，从一端把它们逐渐撕开一样故称拉伸撕裂型。表面有缺口的试样或者裂纹试样，其断口常显示这种类型。这种类型的韧窝，韧窝小而浅，裂纹扩展快，故在宏观上常为脆断，所以不要把微孔聚合型的微观机制都归之为韧断，这也是宏观和微观不能完全统一之处。SPA-H 集装箱板断口形貌 700上图为拉伸断口形貌，断裂全部为韧性断裂，断口呈韧窝状，夹杂物少。2.4 断口形貌分析图 4 与图 5 分别给出了复合材料室温和高温拉伸后试样的断口形貌。可以看出，室温条件下，TMC1 为韧性断裂，其断口有
10、许多较浅的韧窝，而 TMC2 为6典型脆性断裂，其断口存在河流花样以及脆性解离面。与等轴组织较浅的韧窝相比，TMC1 的层片状组织的增强体附件韧窝相对较深且较细小，这主要是因为层片组织对源自增强体断裂的裂纹具有很好的阻碍作用。同样，从断口来看，层片组织的 TMC2 较等轴组织的延性要略好，这些结果与力学性能是一致的。高温条件下，两种热处理下的 TMCs 都表现出明显的延性断裂特征，并且温度越高韧窝越深。而由于层片组织不利于协调变形，因而塑性韧窝不易聚集长大，故表现出的相对细小的韧窝。不同组织的复合材料室温拉伸的扫描电镜断口形貌不同组织的复合材料高温拉伸的扫描电镜断口形貌73 解理断裂3.1 形
11、貌特征解理断裂的端口形貌是河流状花样。解理台阶、河流花样以及舌状花样都是解理断裂的基本微观特征。3.2 形成原理解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，断裂面沿一定的晶面发生的，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展
12、的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台，故在匹配断口上“舌头”为黑白对应的。42CrMo 钢的冲击试样断口的解理断口微观形貌83.3 解理断口形貌特征3.3.1 河流花样（riverpattern）解理断口电子图像的主要特征是“河流花样”，河流花样中的每条支流都对应着一个不同高度的相互平行的解理面之间的台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成了河流花样。在河流的“上游”，许多较小的台阶汇合成较
13、大的台阶，到“下游”，较大的台阶又汇合成更大的台阶。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以人们可以根据河流花样的流向，判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。3.3.2 舌状裂面解理裂纹与孪晶(见孪生) 相遇时可沿孪晶面形成局部裂纹，它发展到一定程度后与解理面上的裂纹相连通，形成像躺在解理面上的舌状裂面。这种裂面在低温高速加载的条件下最易发生。3.3.3 解理扇台阶状解理裂纹不能直接通过晶界扩展到相邻晶粒中去，只能在晶界附近相邻晶粒内某些区域形成一些新裂缝，它们在传播过程中汇集成河流状花样并形成扇面形向四周扩展。“河流”上游即解理扇，扇柄处是裂纹源，扇面下游9即裂纹扩展方向。3.4 准解理准解理断
14、裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。准解理与解理的共同点：都是穿晶断裂；有小解理面；有台阶或撕裂棱及河流状花样。不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面；真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。它是另一种型式的准解理断裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准解理断裂面不是一个严格准确的解理面，有人认为准解理断裂是解理和微孔聚合的混合机制，它常见于淬火回火钢中。 4 沿晶断裂4.1 概念沿晶断裂是指裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的断裂形式。金 属 材 料 中 的
15、裂 纹 沿 晶 界 扩 展 而 产 生 断 裂 。 当 沿 晶 断 裂 断 口 形 貌 呈 粒 状时 又 称 晶 间 颗 粒 断 裂 。 多 数 情 况 下 沿 晶 断 裂 属 于 脆 性 断 裂 ， 但 也 可 能 出 现 韧性 断 裂 ， 如 高 温 蠕 变 断 裂 。在 多 晶 体 变 形 中 ， 晶 界 起 协 调 相 邻 晶 粒 变 形 的 作 用 。 但 当 晶 界 受 到 损 伤 ，其 变 形 能 力 被 削 弱 ， 不 足 以 协 调 相 邻 晶 粒 的 变 形 时 ， 便 形 成 晶 界 开 裂 。 裂纹 扩 展 总 是 沿 阻 力 最 小 的 路 径 发 展 ， 遂 表 现
16、 为 沿 晶 断 裂 。10钼的沿晶断裂4.2 形成原因产 生 沿 晶 断 裂 一 般 有 如 下 原 因 ： (1)晶 界 上 存 在 有 脆 性 沉 淀 相 ； (2)杂质 和 合 金 元 素 在 晶 界 偏 析 ， 致 使 晶 界 弱 化 ； (3)热 应 力 作 用 ； （ 4） 环 境 引起 的 沿 晶 腐 蚀 ； （ 5） 晶 界 有 弥 散 相 析 出 。4.2.1 晶界上有脆性沉淀相如 果 脆 性 相 在 晶 界 面 上 覆 盖 得 不 连 续 ， 例 如 AIN 粒 子 在 钢 的 晶 界 面 上的 分 布 ， 将 产 生 微 孔 聚 合 型 沿 晶 断 裂 ； 如 果 晶 界 上 的 脆 性 沉 淀 相 是 连 续 分 布的 ， 例 如 奥 氏 体 NiCr 钢 中 形 成 的 连 续 碳 化 物 网 状 ， 则 将 产 生 脆 性 薄 层 分裂 型 断 裂 。4.2.2 晶界有使其弱化的夹杂物如 钢 中 晶 界 上 存 在 P、 S、 As、 Sb、 Sn 等 元 素 。 有 害 元 素 沿 晶 界 富 集 ，降 低 了 晶 界 处 表 面 能 ， 使 脆 性 转 变 温 度 向 高 温 推 移 ， 明 显 提 高 了 材 料 对 温 度和 加 载 速 率 的 敏 感 性 ， 在 低 温 或 动 载 条 件 下 发 生 沿 晶 脆 断 。
