金属断裂的微观机理与典型形貌
第三章 第一部分 断裂分类及微观机制
•世界载人航天史上的悲剧 ——“挑战者”号航天飞机升空失事
1986年 1月28日，“挑 战者”号第10次飞行中， 升空73秒后起火爆炸。 造成直接经济损失近20亿 美元，7名航天员死亡， 航天飞机飞行被迫中断近 2年，直到1988年9月29日 才恢复“发现号”的飞行。
事故原因：“挑战者”号右侧助推火箭连接处的 O形 密封圈在火箭点火后破裂，燃烧火焰热流外逸，波及 燃料箱，引起爆炸。
2011 年 7 月 14 日上午 8 点 50 分左右， 福建武夷山市的武夷山公馆大桥北 端发生垮塌事故，牌号为闽 H30953 的一辆旅游大巴车坠入桥 下，当场造成1人死亡，22人受伤
2011年7月15号，通车仅14 年的杭州钱江三桥引桥坍塌。
2011年7月19号，零点40分，一辆重 达160吨的严重超载货车，通过北京 市宝山寺白河桥时，造成桥梁塌毁。
• 脆性断裂
——在断裂前几乎不产生明显的宏观塑性变形或塑性 变形量极小，难以察觉，断裂突然发生，而且有时伴随 产生大量碎片，其危害性极大，经常导致灾难性的后果。
80℃
-30℃
此种分类方法只具有相对意义：
• 同一种材料，条件改变（如应力、温度、环境等变 化），其变形量也可能发生显著的变化； • 在某些情况下，宏观范围内是脆性断裂，但在局部 范围或微观范围内却存在着大量的塑性变形。
断口上观察到韧窝并不意味该材料发生了韧性断裂 ——韧窝的存在，只说明材料在局部微小区域内曾发生过剪切 变形，变形可能只局限于断裂路径所经过的很小体积内，即断 口两侧的微观区域内，至于在宏观区域内材料是否表现为有很 大的塑性并不能由此而定。 沿晶断裂的断口表面 上虽然存在微观塑性变形 所形成的韧窝，但是宏观 表现仍然为脆性断裂。
2、微孔聚合型断裂的裂纹长大 ——微孔形成后，依靠第二相粒子周围金属的塑性变形而长大。
11.金属的脆性断裂机制
是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明脆性断裂：显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。
☐由拉伸正应力影响。
☐微观机制：穿晶的解理断裂；沿晶断裂（晶间断裂）。
是材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到破坏，解理断裂：严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。
一些金属的解理面及解理临界正应力解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面，也就是原子密排面。
解理台阶解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面发生解理而引起的。
在不同高度上的平行解理面值之间解理台阶：形成了“解理台阶”。
裂纹AB与螺型位错CD交截后形成台阶解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺型位错交割而形成。
河流状花样船用钢板解理断裂的河流花样典型的解理断口形貌特征A 台阶，B 河流花样河流的流向(一些支流的汇合方向)即为裂纹扩展方向。
舌状花样解理舌形成示意图舌状花样它是解理裂纹沿孪晶界扩展，越过孪晶后再在解理面扩展，形成舌状凸台。
准解理断裂与解理断裂一样都是穿晶断裂；都有解理形成的小的平面刻面，以及河流和台阶。
☐材料发生准解理断裂时，宏观上是脆性或者塑性很低的，因此认为准解理断裂属于解理断裂范畴。
☐从断裂机制而言，准解理断裂由解理断裂和微孔聚合这两种机理复合作用而构成。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）沿晶断裂沿晶断裂：沿晶断裂多数为脆性断裂，是晶界结合力较弱的一种表现。
沿晶断裂沿晶断裂的断口形貌有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）谢谢观赏！Thanks!。
第三章-断裂的微观机制
式中, 为取向因子, 接近于1； a 为施加于滑移面的外加切应力。
则垂直与OP面的正应力为:
=_x001A__x001B__x001B__x001A__x001A__x001A__x001
B__x001B__x001B__x001B__x001A__x001B__x001B__x001
或在高应变条件下, 第二相与基体变形不
第3章 断裂的微观机制
3.1 微裂纹形核方式
3.1.2 微孔聚合形成微裂纹
微孔成核与长大的位错模型: 第二相的强度高不可变形
第3章 断裂的微观机制
3.1 微裂纹形核方式
3.1.2 微孔聚合形成微裂纹
微孔形成并逐渐长大后, 微孔与微孔之间的横截面面
积减小, 使得材料所受的应力增大。
形核都是局部应力集中等于原子键合力的结果。
位错塞积应力等于原子键合力从而形成微裂纹是可
能的, 但实验上很难观察到。
裂尖无位错区中应力集中形成微裂纹适合于各种断
裂方式, 而且很容易有透射电镜原位拉伸来证实。
第3章 断裂的微观机制
3.2 位错发射和无位错区
3.2.1 裂纹和位错的交互作用
位错像力
当晶体中存在位错时, 不但在位错
金属材料中的夹杂物大多属于脆性相, 在比较
低应力下便与基体脱开或本身开裂而形成
微孔。
金属中的第二相是起强化作用的, 通常称为强
化相, 如钢中的碳化物、铝合金中时效强
化相。
在外应力作用下, 外应力足够大时启动位错,
位错沿滑移面运动, 与第二相离子相遇, 一
方面对位错运动产生阻力, 即强化作用, 另
一方面位错在强化相处塞集引起应力集中,
目增大到等于某一临界值时, 所产生的应力集中达到
金属的断裂
金属的断裂机件的三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂。
其中断裂的危害最大。
断裂：又可分为完全断裂和不完全断裂。
完全断裂：在应力（或兼有热或介质）作用下，金属材料被分成两个或几个部分。
不完全断裂：只是内部存在裂纹。
研究金属断裂的宏、微观特征、断裂机理（裂纹的形成与扩展）、断裂的力学条件及影响断裂的内外因素，对于设计和材料工作者进行机件安全设计与选材十分必要。
一、断裂的类型：断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种：1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。
2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。
3）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。
4）按断裂面取向分类：正断；切断光滑拉伸试样断面收缩率<5%为脆断；> 5%为韧断。
韧性与脆性随条件改变，韧性与脆性行为也将随之变化。
1）韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂。
特点：1）断裂有一个缓慢撕裂过程，且消耗大量塑性变形能。
2）断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°角。
3）断口呈纤维状，灰暗色。
4）典型宏观断口特征呈杯锥状。
如：中、低强度钢光滑圆柱试样在室温下的静载拉伸断裂。
格雷菲斯公式：（1）对长为2a 的中心穿透裂纹计算所得的断裂应力公式。
（2）对长为a 的表面半椭圆裂纹也适用，此时式中的a即为裂纹长度。
但是，格雷菲斯公式：只适用于脆性固体，如玻璃、金刚石、超高强度钢等，即那些裂纹尖端无塑性变形情况。
对工程用金属材料（钢）：裂纹尖端产生较大塑性变形，要消耗大量塑性变形功，其值远比表面能大，为此格雷菲斯公式需要进行修正。
金属在加工中的断裂课件
环境因素的作用
温度变化
01
温度的急剧变化可能引起金属的热胀冷缩，导致其内部产生应
力集中，增加断裂的风险。
湿度
02
高湿度环境可能导致金属腐蚀，降低其力学性能，从而增加断
裂的风险。
介质
03
某些介质可能对金属产生化学腐蚀或电化学腐蚀，降低其力学
性能，从而增加断裂的风险。
预防断裂的措施与建议
加强金属材料的检测与控制
切削断裂类型
根据切削过程中金属的断裂方式，可以分为脆性断裂和韧性 断裂。
切削参数影响
切削速度、进给量、切削深度等切削参数对金属切削过程中 的断裂有显著影响。
切削液的作用
切削液的使用可以降低切削过程中的温度，减少因热应力引 起的断裂。
热处理过程中的断裂
热处理工艺
热处理过程中，金属的加热、保温和冷却阶段对断裂有重要影响。
组织转变
金属在热处理过程中会发生组织转变，这会影响其力学性能和断裂敏感性。
热处理缺陷
如裂纹、脱碳、过烧等缺陷，会显著增加金属在热处理过程中的断裂风险。
焊接过程中的断裂
01
02
03
焊接工艺
不同的焊接工艺对金属焊 接过程中的断裂有显著影 响。
焊接缺陷
如气孔、夹渣、未熔合等 焊接缺陷，会降低金属的 力学性能，增加断裂风险 。
案例三
某航空制造企业，飞机起落架在制造过程中出现断裂，引发安全隐 患。
案例分析的方法与步骤
收集数据 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ场调查 断裂特征分析 原因分析 制定改进措施
收集断裂部件的相关数据， 如材料、工艺、载荷等。
对断裂部件的现场进行调查 ，了解断裂发生的环境和条
件。
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、密排六方金属与合金处于低温、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;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..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..断裂分类及其特征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B 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 C–Mn–Si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“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可有三种类型：1拉伸型的等轴状韧窝..裂纹扩展方向垂直于最大主应力σmax ;σmax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;而拉伸型韧窝是在试样边缘加载的;因而σmax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;其断口有许多较浅的韧窝;而TMC2 为典型脆性断裂;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3 解理断裂3.1 形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3.3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;扇面下游即裂纹扩展方向..3.4 准解理准解理断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..它是另一种型式称准解理断裂;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..但当晶界收到损伤;其变形能力被削弱;不足以协调相邻晶粒的变形时;便形成境界开裂..裂纹扩展总是沿阻力最小的路径发展;遂表现为沿晶断裂..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环境引起的沿晶蚀用； 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Ni—Cr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..Ni原本是穿经断裂;加入S元素后就变为沿晶断裂材料在热加工过程中;因加热温度过高;造成晶界熔化;严重减弱了晶界结合力和晶界处的强度;在受载时;产生早期的低应力沿晶断裂..由于淬火工艺不当;产生淬火裂纹;使弹簧在使用时发生断裂..断口经扫描电镜观察;裂源区为具有沿晶断裂特征的淬火裂纹..弹簧在工作时;淬火裂纹的尖端成为应力集中区;疲劳裂纹起始于淬火裂纹的尖端..图中具有冰糖状特征区为淬火裂纹区;其余区域为疲劳区..环境因素与晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化;例如高温蠕变条件下的晶界弱化;应力腐蚀条件下晶界易于优先腐蚀等;均促使沿晶断裂产生..A7075-a 和A7050-b 的穿晶断裂如奥氏体高锰钢固溶处理后;再加热时沿晶界析出非常细小的碳化物;从而改变了晶界层材料的性质;这也属于晶界受损伤的情况;虽尚有一定的塑性变形能力;但一经变形后;沿晶界形成微孔型开裂..4.3断裂过程沿晶断裂的过程包括裂纹的形成与扩展..晶界受损的材料受力变形时;晶内的运动位错受阻于晶界;在晶界处造成应力集中;当集中应力达到境界强度时;变将晶界挤裂..这个集中应力与位错塞积群中的位错数目和滑移带长度有关;因此沿晶断裂强度与晶粒尺寸符合Hall-Petch关系..4.4断口宏观形貌沿晶脆性断裂断口宏观形貌一般有两类：1晶粒特别粗大时形成石块或冰糖状断口；2晶粒较细时形成结晶状断口..沿晶断裂的结晶状断口比解理断裂的结晶状断口反光能力稍差;颜色黯淡..4.5 预防方法预防沿晶断裂的方法：将金属进行提纯、净化晶界、防止杂质原子在晶界偏聚或脱溶见固溶处理、防止第二相在晶界上析出、改善环境因素等;均可减少金属发生沿晶脆性断裂的倾向..5金属疲劳性断裂5.1 疲劳原理：金属疲劳过程的应力状态和应变状态决定了金属材料的组织和性能的变化规律..在静载单向拉升的变形条件下;金属在宏观上呈现均匀变形;滑移线沿金属试样表面均匀分布;只有在较大变形量时;变形才集中于试样某一局部区域..在交变荷载作用下;当应力超过该材料的疲劳极限小于屈服点时;应力循环达到一定次数后;通过金相显微镜和X-射线的实验观察;可以发现在试样表面上应力水平较高的区域或较软的部位;产生了集中滑移;形成了式样的不均匀塑性形变..这种不均匀的塑性变形形成了通常所说的表面挤出峰和挤入槽..挤出峰和挤入槽是金属弱化部位滑移层见无规则滑移构成的滑移带..挤入槽构成了试样的表面裂纹..所以挤出峰和挤入槽是金属疲劳过程导致损伤的滑移条纹;而且也是疲劳过程中组织结构变化的典型特征..5.1金属的疲劳断裂：金属的疲劳断裂过程可以分为疲劳裂纹的形成、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段..金属疲劳破坏的起源常在于它的自由表面或它内部的缺陷处;例如表面刀痕或夹杂物等;这种区域的应力较高;常引起不均匀的塑性变形;进而形成微裂纹;这就是疲劳破坏的第一个阶段..接着;在循环应力的作用下;微裂纹缓慢断续地扩展;这是疲劳破坏的第二个阶段..最后;当裂纹扩展到一定程度时;留下的连续截面已不胜所加的载荷;就出现突发性断裂..起源于金属自由表面的疲劳破坏比源于金属内部缺陷的可能性大..因此;除了合理的设计能减少表面应力集中点;也能有效防止或延迟裂纹的产生和扩展..5.2疲劳裂纹的形成疲劳裂纹最容易在应力最高、强度最弱的部位;以及存在应力集中的地方形成..例如键槽、刀痕、变断面处和油孔等..形成疲劳裂纹的方式有：滑移带开裂、夹杂物和基体界面开裂和孪晶、晶界开裂..5.2.1 滑移带开裂在交变载荷作用下;金属表面将产生滑移线;随着循环次数增加;滑移线逐渐变粗而形成滑移带的独特结构与静载荷条件下的不同;它的分布极不均匀;随着塑性应变的增大;滑移带数目不是在所有的晶面上平均增加;只是其中个别滑移带逐渐变宽而成为粗大的滑移带;在金相显微镜下;可以明显看到这些滑移带..由滑移引起的疲劳裂纹;可以认为是驻留滑移带上的挤入和挤出现象的结果..在交变荷载的继续作用下;挤入部分向滑移带纵深扩展;从而形成最初的疲劳裂纹;然后裂纹沿滑移带方向扩展;并穿过晶粒;直至转化成宏观裂纹..由滑移引起的疲劳断裂——挤入、挤出示意图机械工程使用的金属材料中;都存在非金属杂物..另一方面;为了提高材料强度的目的;又常引入第二相..这样的非金属夹杂物或第二相;将与基体形成界面..在交变应力作用下;夹杂物和第二相微粒在界面处与基体分离..此外;夹杂物和第二相质点本身在交错应力下也可能发生断裂..这两种情况都能导致疲劳断裂..夹杂物与基体界面开裂过程示意图夹杂物造成断裂实物图多晶金属的晶界常数是疲劳裂纹成核的区域..在低应力循环荷载下;裂纹很容易在晶界上形成..当滑移带到达晶界时受阻;在交变荷载继续作用下;滑移带在晶界上引起的应变将不断增加;从而在晶界前造成位错塞积..当这种位错塞积形成的应力增大到断裂强度时;晶界即开裂而形成微裂纹..金属的晶粒越粗;晶界上的应变量越大;位错塞积也大;应力集中增高;易于形成裂纹..晶界开裂机理示意图5.3疲劳裂纹的扩展纹萌生时开始;经过一定条件下的不断扩展;直到发生瞬时断裂为止的整个过程;一共可以分成微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段..第I阶段：微观裂纹扩展..疲劳裂纹形成后;能沿着与拉应力成45°角的最大切应力方向扩展..不过这一阶段的扩展速度很低;深度很浅;只有当裂纹扩展到一定程度后;才转入第II阶段..第II阶段：宏观裂纹扩展..在这一阶段中;裂纹将向垂直于拉应力的方向扩展;它的扩展速度和深度都大于第I阶段..第III阶段：瞬时断裂..随着裂纹的不断扩展;残留的截面积不断缩小;应力则不断增大..当应力超过材料的静强度指标;即强度极限时;最终发生瞬时断裂..疲劳断裂的宏观断口具有脆性特性;无明显的塑性变形..疲劳扩展过程示意图5.4 金属疲劳断裂宏观断口疲劳断裂宏观疲劳断口可以分为三个区;即源区、扩展区与瞬时断裂区..源区一般位于试样表面;尤其是存在应力集中的部位;一般比较光亮..疲劳扩展区紧靠源区;也很光亮、平滑;而且可看到呈贝纹线或海滩花样;即存在一些类似同心圆的弧线包围源区;它是应力发生突变和材料组织变化使裂纹改变方向时留下的裂纹前沿线痕迹..最后是瞬时断裂区;它是由于疲劳裂纹扩展至临界长度后;剩余截面上的真实应力超过材料抗拉强度而发生的静载断裂;它的断口特征和存在严重应力集中的低应力脆性断口相似;多出现放射花样..疲劳断口示意图疲劳破坏过程和断口形状;与零件的工作载荷类型、应力大小和应力集中条件等有很大关系..不同工作载荷对断口的影响1.高应力下的反复弯曲；2.低应力下的反复弯曲；3.高应力下的旋转弯曲；4.低应力下的旋转弯曲；5.高应力和低应力集中系数下的旋转弯曲；6.低应力和低应力集中系数下的旋转弯曲；7.高应力和高应力集中系数下的旋转弯曲；8.抵应力下的位—压6 防止金属脆性断裂失效的途径6.1材料的设计与制造防止脆性断裂应控制下列因素来进行合理结构设计;即材料的断裂韧性水平、构件的工作温度和应力状态、载荷类型及环境因素等..温度是引起构件脆断的重要因素之一;设计者必须考虑使构件的工作温度高于材料的脆性转变温度Tc..若所设计的构件工作温度低于Tc时;则必须降低设计应力水平;使应力低于不会发生裂纹的扩展..若其设计应力不能降低;则应更换材料;选择韧性更高;Tc更低的材料..在选择材料时;应保证材料具有良好的强韧性;良好的工艺性能..从减少构件脆性断裂上;在进行构件设计时;应使缺陷所产生的应力集中减少到最低限度;如减少尖角及结构尺寸的不连续性;合理布置焊缝的位置..冶金生产方面要减少钢中的夹杂物、气孔及钢材的表面缺陷..结构加工后不应存在缺口、凹槽、过深的刀痕等缺陷..焊接时要防止裂纹、焊瘤、未焊透等缺陷;减小和消除钢结构中的残余应力;尤其在条件允许的情况下焊接结构应尽量消除焊接残余应力;这对于防止低温脆断具有非常重要的意义..6.2 调整化学成分钢的化学成分中的有益元素含量在合金设计中应给以重视;而C、N、H、O、P等有害夹杂含量增加均会提高脆性转变温度;降低冲击韧性;所以应减少其含量..要对脆断事故进行分析;首先应该要看是否含量超标;不超标时也要考虑合金配比是否合适;因为成分落在牌号规范内;但配比不合适如Mn/C比;其工艺性能或使用性能上达不到要求并引起失效的事例是很多的;如在设计钢的成分时应尽可能地控制一些对钢的回火脆性影响较大元素的配比;使钢的回火脆性不致过大;以及向回火脆性敏感性较大的钢中添加钼和钨;对回火脆性敏感性较大的铬镍钢;铬锰钢、硅锰钢、铬钒钢等加钼便是如此..镍被认为是降低钢的脆性转变温度作用最大的元素..低碳钢的脆性转变温度因镍量增加而降低;淬火后低温回火的镍钢含4.5%镍;高温回火的钢含2.5％镍时;脆性转变温度可降到最低..在合金结构钢中;铜的作用与镍相似..锰对钢的脆性转变温度的影响因含量不同而异..低碳钢含锰在1.5％以下时可使脆性转变温度降低;所以;降碳增锰可以减少钢中的碳化物、细化晶粒;有利于低碳钢获得较高的低温冲击韧性;但含锰高时又使钢的脆性转变温度提高..此外;钢中偏析、夹杂物..白点、微裂纹等缺陷越多;韧性越低..综上所述;碳、氮、磷..硅等元素增大钢的冷脆性倾向;镍、少量锰、铜等元素有利于钢获得较高的低温冲击韧性..由于合金元素对钢的冷脆性的影响很。
合金钢冶金缺陷断口的宏观形貌和微观形态
合金钢冶金缺陷断口的宏观形貌和微观形态1 纤维状断口断口特征：呈暗灰绒毯状，无结晶颗粒，断口边缘常有显著的塑性变形，形成剪切唇。
微观特征；多为等轴状和抛物线状韧窝。
纤维状断口一般属于钢材的正常断口，它表示钢材有良好的韧性。
2 萘状断口宏观特征：较平坦的粗晶断口，用掠射光照射时，由于各晶面具有不同的反光能力，因而闪烁着结晶萘一般的光泽。
微观特征：准解理或解理特征。
河流很短，有时出现舌状花样。
局部有硫化锰析出，它们可能沿原始奥氏体晶界析出或沿奥氏体晶面析出。
萘状断口分别是合金结构钢和高速钢因过热或重复淬火而产生的一种粗晶缺陷。
为不允许存在的断口。
3 结晶状断口宏观特征：断口齐平，呈亮灰色，有强烈的金属光泽和明显的结晶颗粒。
微观特征：解理或准解理断裂。
4 横列结晶断口：宏观特征：与加工方向成一定角度的灰色小平面，一般多出现在相当于钢锭的柱状晶发达部位。
微观特征：一般为沿柱状晶粒边界断裂的韧性晶界断口，韧窝尺寸变化大，其中有夹杂物。
5 瓷状断口宏观特征：类似细碎片的断口，呈亮灰色。
微观特征：准解理断口为主。
瓷状断口对于淬火后低温回火的钢平说属于正常断口。
对于淬火后中温或高温回火的钢来说，表明热处理工艺不当。
6 非金属夹杂断口宏观特征：为各种颜色的非结晶的条状或块状缺陷。
微观特征：缺陷区为大量的颗粒状非金属夹杂物，其种类随钢种不同而异。
7 偏析线断口宏观特征：为反射能力较强的银亮色线条，其方向与加工方向相同。
酸性平炉钢大锻件的偏析线多为粗而亮,而碱怍电炉钢薄壁管的偏析线多为细而密的。
微观特征：为穿晶断口。
偏析线处为光滑的沟坑，其中布满夹杂物。
在粗而亮的偏析线中多为不易变形的硫化钙、氧化铝和氮化铝等，在细而密在偏析线中多为可变形的硫化物。
金属的断裂PPT课件
２．Griffith公式 (临界应力公式) 设有一块薄板，厚度=1个单位，内有 一椭圆形裂口，小裂口长度为 2c
薄板受均匀的拉应力σ作用 e —— 裂口扩展所需的能 e = e1+ e2 e1 —— 裂口扩展所降低的弹性能 e2 —— 裂口扩展所增加的表面能
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e1=单位体积弹性能×裂口总体积 裂口所松驰的弹性能可近似看作形成直径为 2c 的无应 力区域所释放的能量 粗略估计值：e1 ≈ －1/2σ·ε×πc2 = －πc2σ2/2E 更精确计算出的值为粗略估计值的二倍，即：
特点：① 裂口生成、发展均很快 断裂前没有明显的塑性变形，ε＜5% ②断口平整（破断面和拉应力接近
于 正交）有金属光泽 断口⊥σmax 断口沿解理面 在电镜下可看到解理亮面
二种情况：
沿解理面的穿晶断裂 —— 河流状、舌状花纹
沿晶界的晶间断裂 —— 冰糖状、颗粒状
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穿晶断裂 ——断裂时裂纹发展穿过晶粒内部(韧断) 晶间断裂 ——断裂时裂纹发展沿着晶界 (脆断)
锻压圆锭时，相当于压缩厚件。假若没有外 端，则可自由地形成双鼓形，但由于外端的 拉齐作用，使工件中心产生附加拉应力。
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当翻转90°锻成方坯时，裂纹如图(d)， 十
字形 当旋转锻造圆坯时，裂纹如图(e)，放射状
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② 防止措施 采用槽形或弧形锤头，增加侧压，使附加 拉应力↓
沿τmax 方向断裂 形成杯锥状
二．微孔的形成 研究表明，微孔主要在析出物、夹杂物等第二相 粒子的地方形成 产生微孔的机理 1．杂质与基体界面发生剥离 这是由变形不协调产生的 杂质引起应力集中现象，产生 微孔
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金属脆性断裂失效现象
金属脆性断裂失效现象近百年来，随着金属材料的广泛应用，曾频繁出现过不少重大的工程断裂事故，包括桥梁、储气和储油罐、管道、转子、轮船、导弹发动机壳体的断裂等，造成严重的后果和重大的经济损失。
通过对大量脆性断裂现象的分析与考查，脆性断裂的主要特征有：1、零件断成两部分或碎成多块；2、断裂后的残片能很好地拼凑复原，断口能很好地吻合，在断口附近没有宏观的塑性变形迹象；3、脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，因此，人们把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”；4、脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；5、温度降低，脆断倾向增加；6、脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹；7、一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速，因此带来的后果常常是灾难性的；8、高强度钢可能发生脆性断裂，在比较低的温度下，中、低强度钢也可能发生脆性断裂。
脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。
金属脆性断裂失效原因分析1、应力分布最大拉应力与最大切应力对形变和断裂起不同作用。
最大切应力促进塑性变形，是位错移动的推动力，而最大拉应力则只促进脆性裂纹的扩展。
当零件存在缺陷(如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等)或零件的截面突然变化，这些部位往往引起应力集中而使应力分布不均匀，即造成三向拉应力状态，极易导致脆性断裂。
因此，应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是造成金属零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。
材料的应力状态越严重，则发生解理断裂的倾向性越大。
2、温度温度降低会引起材质本身的性能变化，如钢的屈服应力随温度降低而增加，韧性下降，解理应力也随着下降。
对某些体心立方金属及合金，由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错，特别在低温下，这种结构的螺位错难以交滑移，使得派-纳力（在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力）随温度的降低迅速升高，这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高即对温度产生强烈依赖关系，并因此导致材料脆化的主要原因。
《金属断口分析》课件
例如晶界断裂、相界面断裂等。
微观分析需要使用金相显微镜或扫描电子显微镜等高倍显微镜
03
进行观察，需要记录断口的细微结构和相组成等信息。
扫描电子显微镜分析
扫描电子显微镜分析是指利用扫描电子显微镜对金属断口进行观察和分析的方法。
扫描电子显微镜具有高分辨率和高放大倍数，能够观察断口的细微结构和形貌特征 ，例如裂纹扩展路径、二次裂纹等。
扫描电子显微镜分析需要使用扫描电子显微镜进行观察，需要记录断口的形貌特征 和结构信息等信息。
X射线衍射分析
X射线衍射分析是指利用X射线衍射技术对金属断口进行物相组成和晶体结 构分析的方法。
X射线衍射技术可以确定金属材料的物相组成和晶体结构，有助于了解金 属材料的性能和断裂机理。
X射线衍射分析需要使用X射线衍射仪进行测试，需要记录材料的物相组成 和晶体结构等信息。
金属断口的形成机理
金属在受力状态下发生塑性变形，当应力超过材 料的强度极限时，就会发生断裂。
断裂过程通常包括裂纹的形成、扩展和断裂三个 阶段，最终形成断口。
断口的形态、结构和特征可以反映断裂发生的原 因、条件和过程。
金属断口分析的重要性
对于工程应用来说，了解金属断口的形成机理和影响因素对于提高产品的可靠性和安全性至关重要。
VS
详细描述
某大型桥梁主梁发生断裂，给交通和安全 带来严重影响。通过断口分析，发现断裂 是由于钢材质量不达标和焊接工艺不当所 致。分析结果为桥梁修复和加固提供了科 学依据。
案例三：石油管道断裂分析
总结词生断裂，造成大 量原油泄漏。通过对断口的观察和分析，发 现断裂是由于管道材料老化、腐蚀和应力集 中共同作用的结果。分析结果为管道维护和 更新提供了决策依据。
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金属断裂的微观机理与典型形貌
金属断裂是指金属材料在受到外力作用下发生破裂的现象。
金属断裂具有微观机理与典型形貌，这些机理与形貌的研究对于金属材料的设计和应用具有重要意义。
金属材料的断裂主要有两种机制：韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂是金属材料在外力作用下发生塑性变形后断裂，具有较大的断口伸长率和断口收缩面积。
脆性断裂则是金属材料在外力作用下发生无明显塑性变形而迅速断裂，具有较小的断口伸长率和断口收缩面积。
金属材料的断裂机理与其晶体结构和微观缺陷密切相关。
金属材料的晶体结构是由原子通过原子键结合而成的，其中包含晶粒、晶界和位错。
当金属材料受到外力作用时，原子之间的键会受到拉伸、剪切等力的作用，从而导致晶界滑移、位错运动等塑性变形。
当外力继续增大时，晶界和位错可能无法继续运动，从而导致金属材料的断裂。
金属材料的断裂形貌可以通过金属断口的观察来研究。
金属断口通常包括拉伸断口、韧窝和脆窝等不同形貌。
拉伸断口是金属在拉伸过程中发生断裂后的断口形貌，通常呈现出光洁的平面面貌。
韧窝是金属在韧性断裂过程中形成的圆形凹陷，它是由于金属在拉伸过程中发生局部塑性变形而形成的。
脆窝则是金属在脆性断裂过程中形成的不规则凹陷，它是由于金属在受到外力作用下迅速断裂而形成的。
金属断裂的微观机理与典型形貌对于金属材料的设计和应用具有重要意义。
通过研究金属断裂机理，可以了解金属材料在外力作用下的变形和破裂行为，从而指导金属材料的合理设计和使用。
同时，通过观察金属断口的形貌，可以评估金属材料的断裂韧性和脆性，为金属材料的选择和应用提供依据。
金属断裂具有微观机理与典型形貌。
金属材料的断裂机理与其晶体结构和微观缺陷密切相关，包括晶粒、晶界和位错等。
金属材料的断裂形貌可以通过金属断口的观察来研究，包括拉伸断口、韧窝和脆窝等不同形貌。
金属断裂的微观机理与典型形貌对于金属材料的设计和应用具有重要意义，可以指导金属材料的合理设计和使用。
通过研究金属断裂机理和观察金属断口的形貌，可以评估金属材料的断裂韧性和脆性，为金属材料的选择和应用提供依据。