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韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、准解理断裂.....

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韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、准解理断裂、沿晶断裂…都是怎么区分的呢?实际中,根据金属材料在断裂前是否发生明显的宏观塑性变形(伸长和缩颈),即断面收缩率是否大于5%,可以将金属断口分为韧性(延性)断口和脆性(解理)断口两个大类。其他也根据实际断口分为准解离断裂、疲劳断裂。

韧性断裂,又称延性或塑性断裂。材料在超过可承载的屈服强度后,在断裂前产生明显的宏观塑性变形的现象。断口呈暗灰色,宏观一般呈现杯锥状、凿峰状、纯剪切断口特征。在SEM扫描电子显微镜下,可以看到韧窝,如下图所示,韧窝周围的白色脊线称为撕裂棱。

韧窝的形成机理:由内部微观的材料缺陷(空穴、第二相质点、微裂纹、夹杂物、晶界、相界等)为核,形成微孔,在加载力的作用下长大和连结,形成空洞(裂纹扩展阶段),空洞连接最终金属断裂。这个过程需要吸收大量的能量,通常需要长时间形变积累。

断口的三个典型区域:纤维区、放射区和剪切唇区。如下图所示静拉伸示意图,纤维区通常为断裂源区,下图中位于断口的中央,是材料处于平面应变状态下发生的正断裂,呈粗糙的纤维状;而后是放射区,是裂纹由缓慢扩展向快速不稳定扩展转化的区域,通常呈放射状花样;剪切唇区为终断区,呈光滑的剪切面,与拉伸应力呈45°角。

韧窝

脆性(解理)断裂:解理断裂也称脆性断裂,顾名思义,解开晶体材料原本的结合键,沿一定的晶体学平面分离,如:体心立方铁为{100}晶面,六方晶系镁{0001)晶面等。在断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形,通常是突然发生的断裂,没有明显前兆,危害较大。断口在宏观上看较为平齐,光亮。主要特征有三种:解理台阶、河流状花样和舌状花样。

解理台阶是脆性断口最明显的特征,因为金属内部村子啊位错、晶界等,使得晶体的晶面相互是成一定角度的,裂纹沿着一定的晶面或者滑移面、孪晶面扩展,形成的一簇相互平行的、位于不同高度的台阶面。河流状花样由于裂纹沿着不同方向的晶面扩展,汇聚众多解理台阶形成。舌状花样是由于裂纹在某一扩展方向上遇到阻碍,改变方向而形成的一种舌状突出或凹陷。

根据裂纹扩展途径,可分为穿晶断裂和沿晶(晶界)断裂两种。顾名思义,穿越晶粒内部的断裂为穿晶断裂;沿着晶界扩展的断裂为沿晶断裂。一般情况下,晶界是强化因素,结合力较高。但如果热处理不当、材料缺陷或环境状态等因素使晶界被弱化,结合力下降,晶界变成了“分割线”,材料就会发生沿晶断裂。沿晶断裂一般有以下几种原因:

1. 晶界上有脆性沉淀相。例如,渗碳过程温度或者碳势过高,会在晶界上析出连续的碳化物网状相,导致晶界脆性增加,发生沿晶断裂。

2. 晶界有使其弱化的夹杂物。例如,钢中含有P、S、As、Sb、Sn 等元素,在晶界上形成低熔点的偏析相或夹杂物,降低晶界的结合力和塑性。

3.环境因素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,酸洗后未去氢处理H原子聚集在晶界上等,均促使沿晶断裂产生。

沿晶断口的形貌取决于材料本身晶粒的形状。一般来说,沿晶断口呈现不同程度的晶粒多面体外形的岩石状花样或粒状花样,晶粒明显,且立体感强,断口颜色较深。在扫描电子显微镜下,可以看到沿着晶界扩展的裂纹和微孔聚合型或脆性薄层分裂型的断裂特征。

沿晶断口
河流花纹
舌状花纹

疲劳断裂,是材料在低于断裂强度的交变应力作用下发生的断裂,通常表现为穿晶断裂。宏观形貌区别于其他断口,具有独特的形貌,通常可分为:疲劳源区、扩展区、瞬断区。断口上有疲劳条带、疲劳辉纹等特征。通过观察断口的形貌,可以分析裂纹的扩展方向、起源位置、载荷情况等。

通常疲劳断裂具有棱线收敛的特征,可根据此判断是否未疲劳断裂,如果是铜合金或者高温合金,疲劳源区为粗糙的交错分布的解理面。如果断裂面中有台阶,意味着存在多个疲劳源。

疲劳断口
疲劳辉纹

准解理断裂是一种介于解理断裂和韧窝断裂之间的断裂方式,它在不同部位产生解理裂纹核,扩展成解理刻面,最后以塑性方式撕裂。准解理断裂的断口形貌比较平整,但微观形貌有河流花样,舌状花样及韧窝与撕裂棱等。准解理断裂的特征与材料的结构、组织和应力状态有关,常发生在淬火+低回的钢中。

所以,韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、准解理断裂等等是根据断口的不同特征进行的分类,还是需要深入理解到每种断裂的意义和特征,才能真正理解不同种类的断裂。

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来源:材子笔记
疲劳断裂电子裂纹材料
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首次发布时间:2025-05-05
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材子笔记
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常见金相组织的名称和特征

1.奥氏体 -碳与合金元素溶解在γ-fe中的固溶体,仍保持γ-fe的面心立方晶格。晶界比较直,呈规则多边形;淬火钢中残余奥氏体分布在马氏体间的空隙处 2.铁素体-碳与合金元素溶解在a-fe中的固溶体。亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状,晶界比较圆滑,当碳含量接近共析成分时,铁素体沿晶粒边界析出。 3.渗碳体-碳与铁形成的一种化合物。在液态铁碳合金中,首先单独结晶的渗碳体(一次渗碳体)为块状,角不尖锐,共晶渗碳体呈骨骼状。过共析钢冷却时沿acm线析出的碳化物(二次渗碳体)呈网结状,共析渗碳体呈片状。铁碳合金冷却到ar1以下时,由铁素体中析出渗碳体(三次渗碳体),在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。 4.珠光体-铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大,所形成的珠光体片间距离越小。在a1~650℃形成的珠光体片层较厚,在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体,称为粗珠光体、片状珠光体,简称珠光体。在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍,从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线,只有放大1000倍才能分辨的片层,称为索氏体。在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍,不能分辨珠光体片层,仅看到黑色的球团状组织,只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。 5.上贝氏体-过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物,渗碳体在铁素体针间。过冷奥氏体在中温(约350~550℃)的相变产物,其典型形态是一束大致平行位向差为6~8od铁素体板条,并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片;典型上贝氏体呈羽毛状,晶界为对称轴,由于方位不同,羽毛可对称或不对称,铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢,看不清针状羽毛;中碳中合金钢,针状羽毛较清楚;低碳低合金钢,羽毛很清楚,针粗。转变时先在晶界处形成上贝氏体,往晶内长大,不 穿晶。 6.下贝氏体-同上,但渗碳体在铁素体针内。过冷奥氏体在350℃~ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体,并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片;在晶内呈针状,针叶不交叉,但可交接。与回火马氏体不同,马氏体有层次之分,下贝氏体则颜色一致,下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗,易受侵蚀变黑,回火马氏体颜色较浅,不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高,针叶比低碳低合金钢细。 7.粒状贝氏体-大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛的复相组织。过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁素体和小岛状富碳奥氏体组成,富碳奥氏体在随后的冷却过程中,可能全部保留成为残余奥氏体;也可能部分或全部分解为铁素体和渗碳体的混合物(珠光体或贝氏体);最可能部分转变为马氏体,部分保留下来而形成两相混合物,称为m-a组织。 8.无碳化物贝氏体-板条状铁素体单相组成的组织,也称为铁素体贝氏体。形成温度在贝氏体转变温度区的最上部。板条铁素体之间为富碳奥氏体,富碳奥氏体在随后的冷却过程中也有类似上面的转变。无碳化物贝氏体一般出现在低碳钢中,在硅、铝含量高的钢中也容易形成。 9.马氏体-碳在a-fe中的过饱和固溶体。 板条马氏体:在低、中碳钢及不锈钢中形成,由许多相互平行的板条组成一个板条束,一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束(通常3到5个)。 片状马氏体(针状马氏体):常见于高、中碳钢及高ni的fe-ni合金中,针叶中有一条缝线将马氏体分为两半,由于方位不同可呈针状或块状,针与针呈120o角排列,高碳马氏体的针叶晶界清楚,细针状马氏体呈布纹状,称为隐晶马氏体。 10.回火马氏体-马氏体分解得到极细的过渡型碳化物与过饱和(含碳较低)的a-相混合组织 它由马氏体在150~250℃时回火形成。 这种组织极易受腐蚀,光学显微镜下呈暗黑色针状组织(保持淬火马氏体 位向),与下贝氏体很相似,只有在高倍电子显微镜下才能看到极细小的碳化物质点。 11.回火屈氏体-碳化物和a-相的混合物。 它由马氏体在350~500℃时中温回火形成。其组织特征是铁素体基体内分布着极细小的粒状碳化物,针状形态已逐渐消失,但仍隐约可见,碳化物在光学显微镜下不能分辨,仅观察到暗黑的组织,在电镜下才能清晰分辨两相,可看出碳化物颗粒已明显长大。 12.回火索氏体- 以铁素体为基体,基体上分布着均匀碳化物颗粒。 它由马氏体在500~650℃时高温回火形成。其组织特征是由等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织,马氏体片的痕迹已消失,渗碳体的外形已较清晰,但在光镜下也难分辨,在电镜下可看到的渗碳体颗粒较大。 13.莱氏体- 奥氏体与渗碳体的共晶混合物。呈树枝状的奥氏体分布在渗碳体的基体上。 14.粒状珠光体-由铁素体和粒状碳化物组成。 它是经球化退火或马氏体在650℃~a1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。 15.魏氏组织- 如果奥氏体晶粒比较粗大,冷却速度又比较适宜,先共析相有可能呈针状(片状)形态与片状珠光体混合存在,称为魏氏组织 。亚共析钢中魏氏组织的铁素体的形态有片状、羽毛状或三角形,粗大铁素体呈平行或三角形分布。它出现在奥氏体晶界,同时向晶内生长。过共析钢中魏氏组织渗碳体的形态有针状或杆状,它出现在奥氏体晶粒的内部。来源:材子笔记

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