金屬斷裂分析
作者：發布時間 : 2024-12-27 類型：權威檢測標簽： 認證證書為了闡明斷裂的全過程（包括裂紋的生核和擴展，以及環境因素對斷裂過程的影響等），提出種種微觀斷裂模型,以探討其物理實質,稱為斷裂機制。在斷口的分析中，各種斷裂機制的提出主要是以斷口的微觀形態為基礎，并根據斷裂性質、斷裂方式以及同環境和時間因素的密切相關性而加以分類。
屬于不同斷裂機制的斷裂，其斷口微觀結構各具有獨特的形貌特征。屬于不同基本斷裂機制的斷口所觀察到的典型微觀形貌，其物理本質和斷口特征為：
沿晶脆性
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)所發生的一種屬于低能吸收過程的斷裂。根據斷裂能量消耗最小原理，裂紋的擴展路徑總是沿著原子鍵合力最薄弱的表面進行。晶界強度不一定最低，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），則金屬將會發生沿晶脆性斷裂。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,每個亮面都是一個晶粒的界面。如果進行高倍觀察，就會清晰地看到每個晶粒的多面體形貌，類似于冰糖塊的堆集，故有冰糖狀斷口之稱；又由于多面體感特別強，故在三個晶界面相遇之處能清楚地見到三重結點。
沿晶脆性斷裂的發生在很大程度上取決于晶界面的狀態和性質。實踐表明，提純金屬,凈化晶界,防止雜質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，均可以減少金屬發生沿晶脆性斷裂的傾向。因此,應用X射線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成分，對從冶金因素來認識材料的致脆原因，提出改進工藝措施有指導意義。
解理斷裂
屬于一種穿晶脆性斷裂，根據金屬原子鍵合力的強度分析，對于一定晶系的金屬，均有一組原子鍵合力最弱的、在正應力下容易開裂的晶面，這種晶面通常稱為解理面。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}。一個晶體如果是沿著解理面發生開裂,則稱為解理斷裂。面心立方金屬通常不發生解理斷裂（見晶體結構）。
解理斷裂的特點是:斷裂具有明顯的結晶學性質,即它的斷裂面是結晶學的解理面{hkl},裂紋擴展方向是沿著一定的結晶方向〈uvw〉。為了表示這種結晶學性質,通常用解理系統{hkl}〈uvw〉來描述。對于體心立方金屬，已觀察到的解理系統有{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(每個晶粒的解理面)所構成。在每個解理面上可以看到一些十分接近于裂紋擴展方向的階梯，通常稱為解理階。解理階的形態是多種多樣的，同金屬的組織狀態和應力狀態的變化有關。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是：支流解理階的匯合方向代表斷裂的擴展方向；匯合角的大小同材料的塑性有關，而解理階的分布面積和解理階的高度同材料中位錯密度和位錯組態有關。因此，通過對河流花樣解理階進行分析，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，和確定晶體中位錯密度和位錯容量。
準解理斷裂
也是一種穿晶斷裂。根據蝕坑技術分析表明，多晶體金屬的準解理斷裂也是沿著原子鍵合力最薄弱的晶面（即解理面）進行。例如：對于體心立方金屬（如鋼等），準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（見范性形變），故斷裂面不是一個嚴格準確的解理面。
準解理斷裂首先在回火馬氏體等復雜組織的鋼中發現。對于大多數合金鋼（如Ni-Cr鋼和Ni-Cr-Mo鋼等），如果發生斷裂的溫度剛好在延性－脆性轉變溫度的范圍內，也常出現準解理斷裂。從斷口的微觀形貌特征來看,在準解理斷裂中每個小斷裂面的微觀形態頗類似于晶體的解理斷裂，也存在一些類似的河流花樣，但在各小斷裂面間的連結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。撕裂嶺是準解理斷裂的一種最基本的斷口形貌特征。準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生塑性變形的晶粒間相互作用的關系。因此，對準解理斷裂面上的塑性應變進行定量測量，有可能把它同斷裂有關的一些力學參數如：屈服應力、解理應力和應變硬化參數等聯系起來。
韌窩斷裂
金屬多晶材料的斷裂，通過空洞核的形成、長大和相互連接的過程進行,這種斷裂稱為韌窩斷裂(dimple fracture)。韌窩斷裂是屬于一種高能吸收過程的延性斷裂。其斷口特征為：宏觀形貌呈纖維狀，微觀形態呈蜂窩狀,斷裂面是由一些細小的窩坑構成,窩坑實際上是長大了的空洞核，通常稱為韌窩，它是韌窩斷裂的最基本形貌特征和識別韌窩斷裂機制的最基本依據。系統的觀察表明，韌窩的尺寸和深度同材料的延性有關，而韌窩的形狀則同破壞時的應力狀態有關。由于應力狀態不同，相應地在相互匹配的斷口偶合面上，其韌窩形狀和相互匹配關系是不同的。a為等軸型韌窩，韌窩形成的應力狀態為均勻應變型；b為同向伸長韌窩，伸長方向平行于斷裂方向,其應力狀態為拉伸撕裂型；c為異向伸長型韌窩，伸長方向平行于斷裂方向，其應力狀態為刃滑動型；d為同向伸長韌窩,但伸長方向垂直于斷裂方向，其應力狀態為螺滑動型。除了上述四種基本的韌窩形狀外,還存在混合應力狀態下所形成的韌窩,理論分析表明，最低限度有14種,其中8種已從實驗觀察到。斷口分析
由于韌窩的形狀與應力狀態密切相關，故對斷口耦合面上相嚙合部位的韌窩形狀、尺寸和深度進行分析，就可以確定斷裂時所在部位的應力狀態和裂紋擴展的方向，并對材料的延性進行評價。還有其他斷裂的機制如：疲勞、蠕變和應力腐蝕斷裂等。
