解理断口断裂机理
第一章 材料在静载下的力学行为3(4.1金属的断裂)
沿晶断裂的断口形貌呈冰糖状，有时也称“萘状断 口”，上左图为18CrNiWA钢的冰糖状断口。 如晶粒很细小，则肉眼无法辨认出冰糖状形貌，此 时断口一般呈晶粒状，颜色较纤维状断口明亮，但 比纯脆性断口要灰暗些。 穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。
剪切断裂与解理断裂
(1)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，其中又 分滑断(纯剪切断裂)和微孔聚集型断裂。
(2)解理断裂
解理断裂是金属材料在一定条件下(如低温)，当外 加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体 学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故 称此种晶体学平面为解理面。 一般在体心立方、密排六方金属中发生，而面心立 方金属只在特殊情况下才发生。 解理面一般是低指数晶面或裸露后表面能最低的晶 面。 解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显 示一定的塑性变形，所以解理断裂与脆性断裂不是 同义词，解理断裂指断裂机理而言，脆性断裂则指 断裂的宏观性态。
1．甄纳－斯特罗位错塞积理论
在滑移面上的切应力作用下， 刃型位错在晶界前受阻并互 相靠近形成位错塞积,如果 塞积头处的应力集中不能为 塑性变形所松弛，当切应力 达到某一临界值时,塞积头 处的最大拉应力能够等于材 料理论断裂强度而形成高nb、 长为r的楔形裂纹。
解理裂纹的形成，并不意味着裂纹将迅速扩 展而导致金属材料完全断裂。 柯垂耳用能量分析法推导出解理裂纹扩展的 临界条件为
放射区的形成过程
纤维区中裂纹扩展是很慢的，当其达到临界尺寸后 就快速扩展而形成放射区。 放射区有放射线花样特征。放射线平行于裂纹扩展 方向而垂直于裂纹前端(每一瞬间)的轮廓线，并逆 指向裂纹源。 撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。对于几乎 不产生塑性变形的极脆材料，放射线消失。 温度降低或材料强度增加，由于塑性降低，放射线 由粗变细乃至消失。
解理断裂的断口特征
解理断裂的断口特征概述解理断裂是构造力学领域中的一个重要研究对象，研究解理断裂的断口特征对于理解地壳变形和构造演化具有重要意义。
解理断裂是地壳中岩石或矿石沿着一定的方向发生断裂的现象，常见于各种岩石和矿石中，如片麻岩、片岩、石灰岩等。
解理断裂的定义和形成解理断裂是指岩石或矿石在应力作用下沿特定的方向发生断裂，形成平行于构造面的断口特征。
解理断裂的形成与岩石内部的构造变形和地壳应力的作用密切相关。
在地质历史长期的构造作用下，岩石内部的矿物晶体倾向于在一定的方向上排列，这种排列就形成了解理面。
解理断裂的断口特征解理断裂的断口特征可以通过观察和测量岩石或矿石的断口来进行分析和判断。
以下是解理断裂的一些常见断口特征：1. 平行排列的断口解理断裂的一大特征就是断口呈现出平行排列的现象，这是由于岩石内部矿物晶体的排列导致的。
在解理面上，矿物晶体的排列方向呈现出一定的规律性，使得断口呈现出长条状或条带状的平行排列。
2. 平行的纹理解理断裂的断口常常呈现出平行排列的纹理，这是由于断口形成时矿物晶体的破裂和滑移导致的。
这种平行的纹理可以通过裂缝、条纹等形式来观察和测量。
3. 不平整的断口虽然解理断裂的断口呈现出平行排列的特点，但并不意味着断口是完全平整的。
由于岩石内部的不规则结构、构造变形的影响等，断口常常呈现出不平整的形态。
这些不平整的断口可以是裂隙、断裂、断层等形式。
4. 斜交的断口有时候，在解理断裂的断口上还可以观察到斜交的断口特征。
这是由于地壳中的不同构造面发生交叉作用形成的，断口呈现出斜交的现象。
5. 矿物卷入解理断裂的断口中常常可以观察到矿物卷入的现象。
矿物卷入是指由于断裂过程中岩石破裂和滑移引起的矿物颗粒或矿脉在断口中产生卷入的现象。
矿物卷入的特征可以通过显微镜等工具进行观察和分析。
解理断裂的意义和应用解理断裂的研究对于地质构造和构造演化的认识具有重要意义。
通过观察和分析解理断裂的断口特征，可以揭示地表及地下岩石层的变形历史和构造演化过程。
材料失效分析(第二至四章解理断裂和沿晶断裂)
青鱼骨花样、瓦纳线
§3、影响解理断裂的因素
1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂
2、显微组织 F—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 M—断口呈锯齿状，出现小刻面
3、温度 T↓，易导致解理断裂
T＜Tc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性 T＞Tc，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
存在确定的位向关系
准解理裂纹形成机理示意图
准解理断口形貌
准解理断口形貌
第四章 沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 发生的断裂。
2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物
Al-Li合金中的δ（AlLi）相
扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：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
大角度晶界，扇形花样
3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出 现。
形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变形， 也就容易出现舌状花样。
例2 晶粒过分粗大—细化晶粒处理 晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
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读书破万卷，下笔如有神--杜甫
瓦纳线
（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
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）
台阶的性质
台阶在扩展过程中会发生合并或消失（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
解理断裂的微观断口特征
解理断裂的微观断口特征断裂是指材料或物体在外力作用下发生的破裂现象。
在材料工程领域中，对断裂行为的研究具有重要的意义，可以揭示材料的力学性能和耐久性。
而要深入了解断裂现象，就需要对微观断口特征进行解理。
微观断口特征是指断裂发生后，在断口上观察到的各种形态和结构。
通过对微观断口特征的解理，可以了解材料的断裂机制、断裂韧性、断裂韧性转变温度等重要信息。
常用的解理方法包括光学显微镜观察、扫描电子显微镜观察、透射电子显微镜观察等。
在光学显微镜下观察断裂断口，可以发现断口上存在着不同的特征区域。
首先是断口的主要断裂区，通常呈现出明显的沿晶断裂和穿晶断裂。
沿晶断裂是指断裂沿晶界发展，晶粒基本保持完整，常见于金属材料。
而穿晶断裂是指断裂穿过晶粒，晶粒内出现裂纹，常见于陶瓷等脆性材料。
除了晶界和晶粒的断裂特征外，断口上还可以观察到其他形态的特征。
例如，断裂面上的沟槽、韧突和斑点等。
沟槽是指断裂面上的细长槽状结构，常见于金属材料的疲劳断口。
韧突是指断裂面上突出的、具有韧性的小区域，常见于高强度钢材料的断裂面。
斑点是指断裂面上散布的微小亮点或暗点，代表着材料中的微观缺陷。
在扫描电子显微镜下观察断裂断口，可以获得更高分辨率的图像。
通过扫描电子显微镜观察，可以清晰地看到断裂面上的晶体结构、晶界和微观缺陷。
同时，还可以利用能谱分析等技术对断口进行元素分析，从而了解断口上各个区域的化学成分差异。
透射电子显微镜是一种高分辨率的显微镜，可以观察到材料中的原子级结构。
在透射电子显微镜下观察断裂断口，可以揭示材料内部的晶体结构、晶界及其缺陷。
透射电子显微镜还可以通过电子衍射技术，确定断裂面的晶体取向和晶界的类型。
通过对微观断口特征的解理，可以得到丰富的信息，从而揭示材料的断裂行为和断裂机制。
例如，通过观察断裂面上的韧突和沟槽，可以评估材料的韧性和脆性。
通过分析断口上的裂纹扩展路径，可以研究裂纹的传播行为和断裂韧性转变温度。
通过观察断裂面上的晶体结构和晶界特征，可以了解晶界对断裂行为的影响。
解理断口
解理断口：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。
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{h k l},裂纹扩展方向是沿着一定的结晶方向〈u v w〉。
为了表示这种结晶学性质,通常用解理系统{h k l}〈u v w〉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：支流解理阶的汇合方向代表断裂的扩展方向；汇合角的大小同材料的塑性有关，而解理阶的分布面积和解理阶的高度同材料中位错密度和位错组态有关。
因此，通过对河流花样解理阶进行分析，就可以帮助我们寻找主断裂源的位置，判断金属的脆性程度，和确定晶体中位错密度和位错容量。
准解理断口：是一种穿晶断裂。
根据蚀坑技术分析表明，多晶体金属的准解理断裂也是沿着原子键合力最薄弱的晶面（即解理面）进行。
例如：对于体心立方金属（如钢等），准解理断裂也基本上是{100}晶面,但由于断裂面上存在较大程度的塑性变形（见范性形变），故断裂面不是一个严格准确的解理面。
准解理断裂首先在回火马氏体等复杂组织的钢中发现。
对于大多数合金钢（如Ni-Cr钢和Ni-Cr-Mo钢等），如果发生断裂的温度刚好在延性－脆性转变温度的范围内，也常出现准解理断裂。
断口形貌特征
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（金）200:1
（扫）500:1
（透）10000:1
（扫）2000:1 显微镜对断口进行观察和分析。其固有缺点为放大倍率低（×100-×500 ），焦点深度浅。只限于平坦的断口。主要用于观察材料的组织及裂纹 的形态等。
主要光学仪器为金相显微镜和立体显微镜。
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2）电子显微镜断口分析技术 1.透射电镜技术 通常断口凹凸不平，通过复型，利用电子束从样品中透射的电子成象，透射电镜
三要素的大小分布和材质、形状、温度及受力状态有关。有时并不同时出现。 根据的分布类型、面积大小及形状等可以推测应力大小、应力状态、温度、材质 情况；可判断裂源和扩展方向。
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2）不同断裂机制断口的宏观特征 1.韧窝断裂
材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。 韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
可以得到高分辨率的电子图象，研究断口的形貌特征。常用倍率为×2000-×30000 ）。
2.扫描电镜技术 扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
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2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断
口称解理断口。 解理断裂断口的突出宏观特征是具有小刻面和放射状条纹。 解理断口的结晶面呈无规则取向，有闪闪发光特征。称发光的小平面为小刻面。
解理断裂
解理断裂
解理断裂是穿晶断裂的一种常见的主要断裂方式。
解理断裂是在一定的条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离。
对于铁素体钢的解理面为{100}晶面。
解理断裂的特征有以下五个方面。
一、断裂时所受应力较低，低于设计许用应力。
二、构件破坏之前没有或只有局部的轻微塑性变形。
三、断裂源总是发生在缺陷处（尤其是焊接缺陷）或几何形状突变的凹槽、缺口等处，也有裂纹源由疲劳损伤处引起。
四、断口宏观形貌平直，断面与拉应力方向垂直，断口上有放射状条纹，放射状条纹的收敛点位断裂源图一所示的为铸造缺陷为源的解理断裂，可见放射状条纹由缺陷部位向外发射的特征。
当构件为管材或板材时，断口上有人字形的裂纹，人字的头部指向裂源，并有闪光的“小刻面”，断口微观形貌为河流花样，如图二所示。
五、一旦开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速。
因此带来的后果是灾难性的。
形成解理断裂的原因有以下三个方面：
一、构件存在三向应力集中部位，如构件存在表面缺口、裂纹、几何形状的突变等缺陷。
二、有一定大小的应力作用，包括残余应力，尤其是在冲击应力作用下易发生解理断裂。
三、低温条件下，当温度低于材料的脆性转变温度点时易发生脆性解理断裂。
图一某压力容器解理断口形貌
图二解理断口河流花样。
铝合金解理断口
铝合金解理断口铝合金是一种常见的金属材料，具有较高的强度和良好的耐腐蚀性能。
在工程应用中，铝合金常被用作结构材料，用于制造飞机、汽车、船舶等各种工业产品。
在铝合金的加工和使用过程中，经常会出现断裂现象，即铝合金的断口。
本文将以铝合金解理断口为题，探讨铝合金断口的特点、成因和分析方法。
一、铝合金断口的特点铝合金的断口通常呈现出以下几种特点：1. 断口形状多样：铝合金的断口形状可以是平整的、粗糙的、呈现韧突的或者呈现韧性断裂的样貌。
2. 断口颜色明显：铝合金的断口颜色通常呈现出银白色或者灰黑色，有时也会有一些氧化物的颜色。
3. 断口表面有特征：铝合金的断口表面上常常可以观察到沿晶断裂、穿晶断裂或者韧突的特征。
4. 断口有裂纹：铝合金的断口上通常可以观察到裂纹的存在，有时甚至可以发现一些疲劳裂纹或者应力腐蚀裂纹。
二、铝合金断裂的成因铝合金的断裂通常有以下几个成因：1. 力学性质：铝合金的断裂与其力学性质有关，包括材料的强度、韧性、硬度等特性。
2. 加工工艺：铝合金在加工过程中可能会出现过度加工、变形不均匀、应力集中等问题，导致断裂。
3. 缺陷存在：铝合金中可能存在一些微观或者宏观的缺陷，如夹杂物、气孔、夹层等，这些缺陷会成为断裂的起始点。
4. 应力作用：外界应力的作用也是导致铝合金断裂的原因之一，如拉伸、压缩、弯曲等应力。
三、铝合金断口的分析方法对于铝合金的断口，可以通过以下几种方法进行分析：1. 断口形貌观察：通过显微镜观察铝合金的断口形貌，分析断口的特征，判断断裂类型和断裂机理。
2. 化学分析：通过对铝合金断口的化学成分进行分析，了解铝合金中的杂质含量以及可能存在的元素偏析情况。
3. 组织分析：通过金相显微镜观察铝合金的组织结构，分析晶粒大小、相分布、孪生等组织特征。
4. 断口硬度测试：通过硬度测试仪对铝合金的断口硬度进行测试，判断断裂的韧性和强度。
在进行铝合金断口分析时，需要综合运用以上多种方法，全面了解断口的特点和成因，从而准确判断断裂的原因，为改善铝合金的性能和提高产品质量提供依据。
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解理断口断裂机理
断口断裂是指材料在外力作用下发生断裂现象，是材料工程领域中的重要研究内容之一。
了解断口断裂机理对于材料的设计、改性和应用具有重要意义。
本文将就断口断裂的机理进行探讨。
断口断裂机理主要涉及材料的微观结构、晶体结构和断裂过程。
材料的微观结构决定了断口的形貌和断裂过程中的能量转移方式。
晶体结构对断口的形成和传播也有重要影响。
材料的断裂过程可以分为以下几个阶段：应力集中阶段、裂纹产生阶段、裂纹扩展阶段和断裂传播阶段。
在应力集中阶段，材料受到外力作用，应力集中在缺陷或应力集中区域，导致局部应力超过材料的破坏强度。
裂纹产生阶段是指在应力集中区域出现微裂纹，破坏材料的完整性。
裂纹扩展阶段是指微裂纹在材料中扩展，导致断裂扩展。
断裂传播阶段是指裂纹在材料中传播，直至材料完全断裂。
断裂过程中的能量转移方式有两种：韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂是指材料在断裂前能够吸收大量的能量，具有较高的断裂韧性。
韧性断裂主要发生在金属材料中，因为金属具有较高的延展性和塑性。
脆性断裂是指材料在断裂前不能吸收太多的能量，具有较低的断裂韧性。
脆性断裂主要发生在陶瓷、玻璃等材料中，因为这些材料的原子结构较为紧密，难以发生塑性变形。
断口的形貌可以反映出断裂过程中的能量转移方式和断裂的机理。
常见的断口形貌有韧性断口、脆性断口和疲劳断口。
韧性断口的形貌呈现出拉伸韧性，并且断口表面光滑。
脆性断口的形貌呈现出脆性特征，并且断口表面呈现出河谷状。
疲劳断口的形貌呈现出疲劳裂纹扩展的特征，并且断口表面光滑。
断裂过程中的裂纹扩展是决定材料断裂韧性的关键因素之一。
裂纹扩展的方式可以分为两种：微观裂纹扩展和宏观裂纹扩展。
微观裂纹扩展是指裂纹从晶体的晶界或晶内扩展。
宏观裂纹扩展是指裂纹从材料的表面或缺陷处扩展。
裂纹扩展的过程中，裂纹尖端的应力场集中，导致材料的应力超过破坏强度，从而使裂纹继续扩展。
断口断裂机理的研究对于材料工程具有重要意义。
通过了解断裂机理，可以改善材料的断裂韧性，提高材料的强度和耐久性。
此外，断口断裂机理也可以用于判断材料的质量和可靠性。
断口断裂是材料工程领域中重要的研究内容之一。
了解断口断裂的机理对于材料的设计、改性和应用具有重要意义。
通过研究断口的形貌、裂纹的扩展以及断裂过程中的能量转移方式，可以揭示材料的断裂机理，进而改善材料的性能和可靠性。