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1、 磨磨损损、腐腐蚀蚀和和断断裂裂是是机机件件的的三三种种主主要要失失效效形形式式，其其中中以以断断裂裂的的危危害害最最大。大。对对工工程程构构件件或或机机械械零零件件而而言言其其服服役役条条件件下下可可能能受受到到力力学学负负荷荷、热热负负荷荷或或环环境境介介质质的的作作用用，有有时时只只受受到到一一种种负负荷荷作作用用，更更多多的的时时候候将将受受到到两两种种或或三三种种负荷的同时作用。负荷的同时作用。为为此此，我我们们把把在在力力学学负负荷荷作作用用下下（有有时时兼兼有有热热负负荷荷及及环环境境介介质质的的共共同同作作用用），金金属属材材料料被被分分成成两两个个或或几几个个部部分分的的现现
2、象象称称为为完完全全断断裂裂；内内部部存存在在裂裂纹纹则为则为不完全断裂不完全断裂。第1页/共102页 对大多数金属材料的断裂过程来说，都经历了裂纹的萌生与扩展两个对大多数金属材料的断裂过程来说，都经历了裂纹的萌生与扩展两个阶段。对不同的断裂类型，其裂纹萌生与扩展机理及特征并不相同。阶段。对不同的断裂类型，其裂纹萌生与扩展机理及特征并不相同。可以可以说说，对断裂的研究，人们主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其对断裂的研究，人们主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制订合理的措施，实现有效的断裂控制。目的在于根据对断裂过程的认识制订合理的措施，实现有效的断裂
3、控制。研究金属材料断裂的宏观、微观特征、断裂机理（研究金属材料断裂的宏观、微观特征、断裂机理（裂纹萌生与扩展裂纹萌生与扩展机理机理），讨论抑制断裂失效的措施和途径，对于材料工作者和设计工作），讨论抑制断裂失效的措施和途径，对于材料工作者和设计工作者进行机件的安全设计与选材、分析机件断裂失效事故都是十分必要的。者进行机件的安全设计与选材、分析机件断裂失效事故都是十分必要的。第2页/共102页 金金属属脆脆性性断断裂裂会会造造成成重重大大的的经经济济损损失失，甚甚至至人人员员伤伤亡亡，因因此此，脆脆性性断断裂裂特特别别受受到到人人们们的的关关注注。为为了了对对断断裂裂有有个个全全面面了了解解，我我
4、们们首首先先介介绍绍断断裂的类型。裂的类型。4.1 4.1 断裂的类型断裂的类型 断断裂裂类类型型根根据据断断裂裂的的分分类类方方法法不不同同而而有有很很多多种种，它它们们是是依依据据一一些些各各不相同的特征来分类的。不相同的特征来分类的。第3页/共102页 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韧性断裂裂与与脆性断裂脆性断裂。韧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，的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂脆性断裂在断裂前基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
5、害性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。很大。通常通常，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，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小于5%5%者为脆性断裂；大于者为脆性断裂；大于5%5%者为韧性断裂。者为韧性断裂。可见可见，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，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，以后我们会看到，条件改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。以后我们会看到，条件改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。第4页/共102页 多多晶晶体体金金属属断断裂裂时时，裂
6、裂纹纹扩扩展展的的路路径径可可能能是是不不同同的的，穿穿晶晶断断裂裂的的裂裂纹纹穿过晶内，沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展穿过晶内，沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。沿沿晶晶断断裂裂一一般般为为脆脆性性断断裂裂，而而穿穿晶晶断断裂裂既既可可为为脆脆性性断断裂裂（低低温温下下的的穿穿晶晶断断裂裂），也也可可以以是是韧韧性性断断裂裂（如如室室温温下下的的穿穿晶晶断断裂裂）。沿沿晶晶断断裂裂是是晶晶界界上上的的一一薄薄层层连连续续或或不不连连续续脆脆性性第第二二相相、夹夹杂杂物物，破破坏坏了了晶晶界界的的连连续续性性所所造造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应应力力腐腐蚀蚀
7、、氢氢脆脆、回回火火脆脆性性、淬淬火火裂裂纹纹、磨磨削削裂裂纹纹都都是是沿沿晶晶断断裂裂。有有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。第5页/共102页 按断裂机制又可分为按断裂机制又可分为解理断裂解理断裂与与剪切断裂剪切断裂两类。两类。解解理理断断裂裂是是金金属属材材料料在在一一定定条条件件下下（如如体体心心立立方方金金属属、密密排排六六方方金金属属与与合合金金处处于于低低温温、冲冲击击载载荷荷作作用用），当当外外加加正正应应力力达达到到一一定定数数值值后后，以以极极快快速速率率沿沿一一定定晶晶体体学学平平面面的的穿穿晶晶断断裂裂。解解理理面面一一般般是是低低指指
8、数数或表面能最低的晶面。或表面能最低的晶面。常见金属的解理面见常见金属的解理面见下表下表4-14-1所示。所示。第6页/共102页金属晶体结构解理面-Fe体心立方001Mo体心立方001W体心立方001Mg密排六方0001Zn密排六方0001Te六方10T0Bi菱面体111Sb菱面体11T表表4-1 4-1 常见金属的解理面常见金属的解理面 第7页/共102页 对对于于面面心心立立方方金金属属来来说说，在在一一般般情情况况下下不不发发生生解解理理断断裂裂，但但面面心心立立方方金金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。通通常常，解解理理断断裂裂总
9、总是是脆脆性性断断裂裂，但但脆脆性性断断裂裂不不一一定定是是解解理理断断裂裂，两两者者不不是同义词，它们不是一回事。是同义词，它们不是一回事。剪剪切切断断裂裂是是金金属属材材料料在在切切应应力力作作用用下下，沿沿滑滑移移面面分分离离而而造造成成的的滑滑移移面面分分离断裂，它又分为两类：离断裂，它又分为两类：一一类类为为滑滑断断（又又称称切切离离或或纯纯剪剪切切断断裂裂），纯纯金金属属尤尤其其是是单单晶晶体体金金属属常常发发生这种断裂；生这种断裂；另另一一类类为为微微孔孔聚聚集集型型断断裂裂，钢钢铁铁等等工工程程材材料料多多为为这这种种断断裂裂类类型型，如如低低碳碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，
10、是一种典型的韧性断裂。钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。第8页/共102页 根据断裂面取向又可将断裂分为根据断裂面取向又可将断裂分为正断型正断型或或切断型切断型两类。两类。正断型断裂正断型断裂若断裂面取向垂直于最大正应力，若断裂面取向垂直于最大正应力，切切断断型型断断裂裂断断裂裂面面取取向向与与最最大大切切应应力力方方向向相相一一致致而而与与最最大大正正应应力力方向约成方向约成4545角，角，前前者者如如解解理理断断裂裂或或塑塑性性变变形形受受较较大大约约束束下下的的断断裂裂，后后者者如如塑塑性性变变形形不受约束或约束较小情况下的断裂。不受约束或约束较小情况下的断裂。第9页/
11、共102页 按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为静载断裂静载断裂（如拉伸断如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等裂、扭转断裂、剪切断裂等）、）、冲击断裂冲击断裂、疲劳断裂疲劳断裂；根据环境不同又分为根据环境不同又分为低温冷脆断裂低温冷脆断裂、高温蠕变断裂高温蠕变断裂、应力腐蚀应力腐蚀和和氢氢脆断裂脆断裂；而磨损和接触疲劳则为一种不完全断裂。；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如表常用的断裂分类方法及其特征如表4-24-2所示。所示。由于脆性断裂是一种由于脆性断裂是一种“爆发病爆发病”，常导致灾难性后果，而绝大多数，常导致灾难性后
12、果，而绝大多数的断裂又因疲劳而引起，故本章着重介绍脆性断裂与疲劳失效。的断裂又因疲劳而引起，故本章着重介绍脆性断裂与疲劳失效。第10页/共102页4.2 4.2 脆性断裂失效现象及特征脆性断裂失效现象及特征脆性断裂失效现象脆性断裂失效现象 4.2.2 脆性断口宏观形貌特征脆性断口宏观形貌特征 脆性断口微观形貌特征脆性断口微观形貌特征第11页/共102页 脆性断裂失效现象脆性断裂失效现象 近近百百年年来来，随随着着金金属属材材料料的的广广泛泛应应用用，曾曾频频繁繁出出现现过过不不少少重重大大的的工工程程断断裂裂事事故故，包包括括桥桥梁梁、储储气气和和储储油油罐罐、管管道道、转转子子、轮轮船船、导
13、导弹弹发发动机壳体的断裂等，造成严重的后果和重大的经济损失。动机壳体的断裂等，造成严重的后果和重大的经济损失。下面举一些脆性断裂失效的实例。下面举一些脆性断裂失效的实例。第12页/共102页v 1935 1935年左右，比利时在年左右，比利时在AlbertAlbert运河上建造的运河上建造的5050座焊接桁架桥梁在以后几座焊接桁架桥梁在以后几年内相继脆断，其脆断时大多数是在低温下发生的；年内相继脆断，其脆断时大多数是在低温下发生的；v 19381938年德国柏林附近的一座公路桥在气温为年德国柏林附近的一座公路桥在气温为-10-10时产生局部脆断；时产生局部脆断；v 美国美国1949-19631
14、949-1963年期间服役的船只，年期间服役的船只，25002500吨以上的共吨以上的共1083510835艘，其中艘，其中2020艘艘完全断毁，图完全断毁，图6-16-1为为19431943年年1 1月发生的美国一艘油船断成两段的照片，其甲板月发生的美国一艘油船断成两段的照片，其甲板的计算应力远低于钢的屈服应力；的计算应力远低于钢的屈服应力；v 19471947年，在加拿大魁北克建筑的桥梁通车年，在加拿大魁北克建筑的桥梁通车2727个月以后，于个月以后，于19501950年年2 2月发月发生严重开裂，当时更换了局部破坏构件，但该桥仍在生严重开裂，当时更换了局部破坏构件，但该桥仍在195119
15、51年年1 1月月3131日（气温日（气温-3535）完全脆断并坠入河中）完全脆断并坠入河中 第13页/共102页v 19621962年年7 7月月澳澳大大利利亚亚金金斯斯桥桥建建成成仅仅一一年年就就突突然然发发生生四四根根桥桥梁梁的的脆脆性性断断毁；毁；v 19991999年重庆綦江彩虹桥因焊接等质量问题突然垮塌，造成年重庆綦江彩虹桥因焊接等质量问题突然垮塌，造成4040人丧生。人丧生。v 19431943年美国纽约的一个大型贮气罐在年美国纽约的一个大型贮气罐在-12-12时发生脆断；时发生脆断；v 19441944年年美美国国俄俄亥亥俄俄洲洲煤煤气气公公司司一一台台天天然然气气贮贮罐罐，在
16、在工工作作温温度度为为-162-162下发生脆断；下发生脆断；v 19471947年苏联几个大型石油贮罐在气温为年苏联几个大型石油贮罐在气温为-43-43时发生脆断；时发生脆断；v 19721972年年波波斯斯湾湾达达斯斯岛岛的的X-65X-65级级海海底底石石油油输输送送管管道道使使用用几几星星期期后后就就发发生生开裂；开裂；第14页/共102页 v 1974 1974年沙特阿拉伯的阿美石油公司的石油输送管道，在使用后几星期内年沙特阿拉伯的阿美石油公司的石油输送管道，在使用后几星期内在在1010公里长的管道上发生开裂；公里长的管道上发生开裂；v 1965-19711965-1971年间在英国
17、、西德、日本等国家压力容器脆断事故达年间在英国、西德、日本等国家压力容器脆断事故达1010余次之余次之多。多。v 第二次世界大战期间美国的一批焊接第二次世界大战期间美国的一批焊接“自由轮自由轮”在使用进程中有在使用进程中有238238艘完艘完全报废，全报废，1919艘船沉没；艘船沉没；v 19561956年英国最大油轮年英国最大油轮“世界协和世界协和”号在爱尔兰海的一次大风暴中断成两段，号在爱尔兰海的一次大风暴中断成两段，当时海水温度为当时海水温度为10.5 10.5 第15页/共102页 五五十十年年代代，美美国国北北极极星星导导弹弹固固体体发发动动机机试试验验时时发发生生的的爆爆炸炸事事故
18、故以以及及法法国核电站的压力容器、英国核电站的大型锅炉爆炸都是脆性断裂的例子。国核电站的压力容器、英国核电站的大型锅炉爆炸都是脆性断裂的例子。海海洋洋石石油油钻钻机机的的低低温温脆脆断断事事故故也也有有发发生生。如如北北海海油油田田“海海宝宝”号号海海洋洋钻钻机机在在19651965年年1212月月2727日日，气气温温33，发发生生井井架架倒倒塌塌和和下下沉沉，造造成成1919人人丧丧生生。其其事故原因是由于连接杆在低于屈服应力的载荷下，由脆性断裂引起的。事故原因是由于连接杆在低于屈服应力的载荷下，由脆性断裂引起的。此此外外，在在交交通通运运输输方方面面以以及及日日常常生生产产中中也也曾曾报
19、报导导了了有有关关脆脆性性断断裂裂的的实实例例。如如汽汽车车车车架架、悬悬挂挂部部件件的的冬冬季季冷冷脆脆；阀阀门门壳壳体体的的脆脆性性开开裂裂；无无缝缝钢钢管管燃燃烧室崩裂；大型轧辊脆性断裂；齿轮的氢脆；医用手术剪的沿晶脆性断裂等。烧室崩裂；大型轧辊脆性断裂；齿轮的氢脆；医用手术剪的沿晶脆性断裂等。第16页/共102页表4-2 4-2 断裂分类及其特征断裂分类及其特征 第17页/共102页第18页/共102页通过对大量脆性断裂现象的分析与考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可归纳如下：查，脆性断裂的主要特征可归纳如下：v 1.1.零件断成两部分或碎成多块；零件断成两部分或
20、碎成多块；v 2.2.断断裂裂后后的的残残片片能能很很好好地地拼拼揍揍复复原原，断断口口能能很很好好地地吻吻合合，在在断断口口附附近近没没 有有 宏观的塑性变形迹象；宏观的塑性变形迹象；v 3.3.脆脆断断时时承承受受的的工工作作应应力力很很低低，一一般般低低 于于 材材 料料 的的 屈屈 服服 强强 度度，因因 此此，人人 们们 把脆性断裂又称为把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂低应力脆性断裂”；v 4.4.脆脆断断的的裂裂纹纹源源总总是是从从内内部部的的宏宏观观缺缺陷处开始；陷处开始；第19页/共102页v5.5.温度降低，脆断倾向增加；温度降低，脆断倾向增加；v6.6.脆脆断断断断口口宏宏
21、观观上上平平直直，断断面面与与正正应应力力垂垂直直，断断口口上上往往往往能能观观察察到到放放射射状状或或人人字字纹纹条条纹；纹；v7.7.一一旦旦发发生生开开裂裂，裂裂纹纹便便以以极极高高的的速速度度扩扩展展，其其扩扩展展速速度度可可达达声声速速，因因此此带带来来的的后后果果常常是灾难性的；常常是灾难性的；v8.8.高高强强度度钢钢可可能能发发生生脆脆性性断断裂裂，在在比比较较低低的的温温度度下下，中中、低低强强度度钢钢也也可可能发生脆性断裂。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
22、件下才会出现脆性断裂。方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。第20页/共102页脆性断口宏观形貌特征脆性断口宏观形貌特征 1.1.解理断口解理断口 （1 1）小刻面）小刻面 （2 2）人字状条纹、山形条纹或松枝状花样）人字状条纹、山形条纹或松枝状花样 2.2.准解理断口准解理断口 3.3.晶界脆性断口晶界脆性断口第21页/共102页 前前面面我我们们在在讨讨论论断断裂裂类类型型时时曾曾广广义义地地把把所所有有断断裂裂分分为为脆脆性性断裂和韧性断裂两大类。广义的脆性断裂包括有：断裂和韧性断裂两大类。广义的脆性断裂包括有：单次加载断裂单次加载断裂狭义的脆性断裂；狭义的脆性断裂；多次加载断裂
23、多次加载断裂疲劳断裂；疲劳断裂；环境促进断裂环境促进断裂氢脆、应力腐蚀开裂等。氢脆、应力腐蚀开裂等。第22页/共102页 后两种脆性断裂将在以后分别讨论，这里只讨论狭义的脆性断裂，后两种脆性断裂将在以后分别讨论，这里只讨论狭义的脆性断裂，脆性断裂断口宏观上比较平齐光亮，常呈放射状、人字纹或结晶状，在脆性断裂断口宏观上比较平齐光亮，常呈放射状、人字纹或结晶状，在光线照射下转动断口，有时可见闪闪发亮的小晶面。脆性断口主要是指光线照射下转动断口，有时可见闪闪发亮的小晶面。脆性断口主要是指解理断口、准解理断口和冰糖状晶界断口，解理断口、准解理断口和冰糖状晶界断口，下面分别予以介绍。下面分别予以介绍。1
24、.1.解理断口解理断口 脆性断裂大多数是穿晶解理型的，其断口宏观形貌具有两个明显的特脆性断裂大多数是穿晶解理型的，其断口宏观形貌具有两个明显的特征：征：第23页/共102页（1 1）小刻面）小刻面 解理断口上的结晶面，在宏观上呈无规则取向，当断口在强光下转解理断口上的结晶面，在宏观上呈无规则取向，当断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征，象存在许多分镜面似的，一般称这些发动时，可见到闪闪发光的特征，象存在许多分镜面似的，一般称这些发光的小平面为光的小平面为“小刻面小刻面”，即解理断口是由许多，即解理断口是由许多“小刻面小刻面”所组成的，所组成的，断口呈结晶状，但看不到放射花样。断口呈结晶状，
25、但看不到放射花样。根据这个宏观形貌特征，很容易判别解理断口。如冷脆金属的低温根据这个宏观形貌特征，很容易判别解理断口。如冷脆金属的低温脆断即为解理断裂。脆断即为解理断裂。第24页/共102页（2 2）人人字字状状条条纹纹、山山形形条条纹纹或或松松枝枝状状花花样样 脆性解理断口有时还具有另一种特殊的宏观形貌特征，呈现出裂纹急脆性解理断口有时还具有另一种特殊的宏观形貌特征，呈现出裂纹急速扩展形成的放射状撕裂棱形，即所谓速扩展形成的放射状撕裂棱形，即所谓人字形花样人字形花样、山形条纹山形条纹或或松枝状花松枝状花样样等（等（图图4-24-2、4-34-3）人字条纹人字条纹、山形条纹山形条纹、松枝状花样
26、松枝状花样的交点均指向裂纹的交点均指向裂纹源，即山形条纹汇集的方向和人字条纹所指的最终方向即为断裂的起点，源，即山形条纹汇集的方向和人字条纹所指的最终方向即为断裂的起点，而裂纹的扩展方向则为山形或人字扩大方向。而裂纹的扩展方向则为山形或人字扩大方向。这个判断方法对寻找脆性断裂源进而正确分析失效原因是有实际意义这个判断方法对寻找脆性断裂源进而正确分析失效原因是有实际意义的。的。第25页/共102页图4-2 锅炉钢板的解理断口锅炉钢板的解理断口第26页/共102页图4-3 爆炸破坏筒断口上出现的人爆炸破坏筒断口上出现的人字形花样字形花样第27页/共102页2.2.准解理断口准解理断口 在在某某些些
27、脆脆性性断断口口上上，通通过过电电子子显显微微镜镜可可看看到到解解理理断断裂裂的的特特征征形形貌貌，同时又伴随着有一定的塑性变形痕迹，这种断口称为准解理断口。同时又伴随着有一定的塑性变形痕迹，这种断口称为准解理断口。断口中塑性变形痕迹所占比例就是划分解理与准解理的大致依据。断口中塑性变形痕迹所占比例就是划分解理与准解理的大致依据。准准解解理理断断口口呈呈结结晶晶状状或或细细瓷瓷状状，断断口口齐齐平平、呈呈亮亮灰灰色色，有有强强烈烈的的金金属光泽和明显的结晶颗粒或类似细瓷碎片的断口。属光泽和明显的结晶颗粒或类似细瓷碎片的断口。第28页/共102页3.3.晶界脆性断口晶界脆性断口 晶界脆性断口包括
28、回火脆性断口、氢脆断口、应力腐蚀断口、淬裂晶界脆性断口包括回火脆性断口、氢脆断口、应力腐蚀断口、淬裂断口，由脆性析出相在晶界上的析出而形成的晶界断口等。断口，由脆性析出相在晶界上的析出而形成的晶界断口等。晶界脆性断口的宏观形貌的基本特征为小刻面状或粗瓷状；断裂前晶界脆性断口的宏观形貌的基本特征为小刻面状或粗瓷状；断裂前没有明显塑性变形，断口附近没有颈缩现象；断口一般与正应力垂直，没有明显塑性变形，断口附近没有颈缩现象；断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，边缘没有剪切唇。断口表面平齐，边缘没有剪切唇。断口的颜色较灰暗（断口的颜色较灰暗（但比韧性断口要亮但比韧性断口要亮），且呈规则的粗糙表面，），
29、且呈规则的粗糙表面，有时也呈现出晶粒的外形（有时也呈现出晶粒的外形（图图4-44-4）。）。第29页/共102页图图4-44-4第30页/共102页 图图4-44-4为中碳钢轴件因锻造加热温度过高造成钢材组织过烧而在使用为中碳钢轴件因锻造加热温度过高造成钢材组织过烧而在使用中发生的脆性断裂。又由于此零件的原始组织中含有较多的夹杂、成分中发生的脆性断裂。又由于此零件的原始组织中含有较多的夹杂、成分偏析等带状缺陷，造成零件各向异性，致使该脆性断口具有木纹状特征。偏析等带状缺陷，造成零件各向异性，致使该脆性断口具有木纹状特征。对对一一些些具具有有极极粗粗大大晶晶粒粒的的材材料料，其其沿沿晶晶断断裂裂
30、的的宏宏观观断断口口呈呈“冰冰糖糖状状”特特征征，如如极极粗粗大大晶晶粒粒的的钛钛合合金金冲冲击击断断口口；当当晶晶粒粒很很细细小小时时，则则肉肉眼眼无无法法辨辨别出冰糖状形貌，此时，断口一般呈结晶状，断口也较粗糙。别出冰糖状形貌，此时，断口一般呈结晶状，断口也较粗糙。高温蠕变断裂的断口，也常是沿晶断裂，具有冰糖状特征。高温蠕变断裂的断口，也常是沿晶断裂，具有冰糖状特征。第31页/共102页脆性断口微观形貌特征脆性断口微观形貌特征 1.1.解理断口解理断口 2.2.准解理断口准解理断口 3.3.沿晶断口沿晶断口第32页/共102页 1.1.解理断口解理断口 解理断裂常发生于低温、高应变速率、应
31、力集中（解理断裂常发生于低温、高应变速率、应力集中（如缺口如缺口）及粗大晶粒）及粗大晶粒的条件下，裂纹一经形成，便会迅速扩展。的条件下，裂纹一经形成，便会迅速扩展。因为解理的存在取决于晶体因为解理的存在取决于晶体 结构，并且它沿着十分确定的原子面扩展，结构，并且它沿着十分确定的原子面扩展，所以人们认为解理断口应是十分平滑的，相邻的区域没有塑性变形，而实际所以人们认为解理断口应是十分平滑的，相邻的区域没有塑性变形，而实际情况并非如此。情况并非如此。实际上实际上，在电镜下观察每一个解理小刻面，发现这些小刻面并不是一个，在电镜下观察每一个解理小刻面，发现这些小刻面并不是一个单一的解理面。金属解理断口
32、的微观形貌最主要特征是河流花样（单一的解理面。金属解理断口的微观形貌最主要特征是河流花样（图图4-54-5），），图中显示的裂纹萌生于扭转亚晶界。图中显示的裂纹萌生于扭转亚晶界。第33页/共102页图4-5 解理断裂解理断裂第34页/共102页 河河流流花花样样的的形形成成是是解解理理并并非非沿沿单单一一的的结结晶晶学学平平面面进进行行，而而是是沿沿着着相相互互平行的许多平面以不连续的方式开裂的。平行的许多平面以不连续的方式开裂的。不不在在一一个个平平面面上上的的解解理理裂裂纹纹在在向向前前扩扩展展时时，通通过过二二次次解解理理或或与与螺螺型型位位错错相相交交时时产产生生割割阶阶，即即解解理理
33、台台阶阶，解解理理台台阶阶在在裂裂纹纹扩扩展展过过程程中中逐逐渐渐会会合合，直至最后断裂。直至最后断裂。河河流流花花样样就就是是裂裂纹纹扩扩展展中中的的解解理理台台阶阶在在微微观观断断口口上上的的表表现现。裂裂纹纹源源在在河流的上游，顺流方向为裂纹扩展方向（河流的上游，顺流方向为裂纹扩展方向（图图4-64-6、图、图4-74-7）。）。第35页/共102页图图4-6 4-6 二次解理和撕裂形成台阶二次解理和撕裂形成台阶 第36页/共102页图图4-7 4-7 河流花样形成示意图河流花样形成示意图 第37页/共102页 晶界常使解理断口呈现更复杂的形态。当解理裂纹通过小角度倾斜晶界晶界常使解理断
34、口呈现更复杂的形态。当解理裂纹通过小角度倾斜晶界时，由于小角度晶界由刃型位错组成，其两侧晶体仅相互倾斜一小角度，且时，由于小角度晶界由刃型位错组成，其两侧晶体仅相互倾斜一小角度，且有公共交截线，则它们对河流花样的穿过不产生多大影响，裂纹能穿过晶界，有公共交截线，则它们对河流花样的穿过不产生多大影响，裂纹能穿过晶界，“河流河流”能连续地延伸到相邻晶粒内。能连续地延伸到相邻晶粒内。当当解解理理裂裂纹纹通通过过扭扭转转晶晶界界时时，因因晶晶界界由由螺螺位位错错组组成成，其其两两侧侧晶晶体体以以边边界界为为公公共共面面转转动动一一小小角角度度，使使两两侧侧解解理理面面存存在在位位问问差差，故故裂裂纹纹
35、不不能能连连续续通通过过晶晶界界而而必必须须重重新新形形核核，在在晶晶界界处处形形成成新新的的“河河流流”，产产生生河河流流激激增增。当当裂裂纹纹穿过大角度晶界时也形成大量穿过大角度晶界时也形成大量“河流河流”。第38页/共102页 解解理理断断裂裂的的另另一一微微观观特特征征是是舌舌状状花花样样（图图4-84-8、图图4-94-9）。因因其其在在电电子子显显微镜下类似人的舌头而得名。微镜下类似人的舌头而得名。在在体体心心立立方方金金属属中中，在在主主解解理理面面100100上上扩扩展展的的裂裂纹纹与与孪孪晶晶面面112112相相遇遇时时，裂裂纹纹在在孪孪晶晶处处沿沿112112面面产产生生二
36、二次次解解理理（即即二二次次裂裂纹），而而孪孪晶晶以以外外的的裂裂纹纹仍仍沿沿100100扩扩展展，二二次次裂裂纹纹沿沿孪孪晶晶面面扩扩展展，超超过过孪孪晶晶再再沿沿100100面面继继续续扩扩展。展。因此因此，获得形似舌头的特征花样。，获得形似舌头的特征花样。第39页/共102页图图4-8 4-8 舌状花样舌状花样 第40页/共102页图图4-9 4-9 解理舌形成示意图解理舌形成示意图 第41页/共102页2.2.准解理断口准解理断口 这种断口常出现在淬火回火的高强度钢中，有时也出现在贝氏体组织这种断口常出现在淬火回火的高强度钢中，有时也出现在贝氏体组织的钢中。的钢中。准解理断口的微观形貌
37、特征是：准解理断口的微观形貌特征是：具有河流花样，有小解理刻面，以及由隐蔽裂纹扩展接近产生塑性变具有河流花样，有小解理刻面，以及由隐蔽裂纹扩展接近产生塑性变形所形成的撕裂棱，有时也有舌状花样。形所形成的撕裂棱，有时也有舌状花样。因此因此，准解理裂纹即具有解理断口的形貌特征，又具有韧性断口的形，准解理裂纹即具有解理断口的形貌特征，又具有韧性断口的形貌特征（貌特征（韧窝、撕裂棱韧窝、撕裂棱），故其断口的微观形貌是介于解理断口与韧性断），故其断口的微观形貌是介于解理断口与韧性断口之间的一种断口形貌。口之间的一种断口形貌。第42页/共102页准解理断口与解理断口的区别表现准解理断口与解理断口的区别表现
38、在：在：（1 1）准准解解理理裂裂纹纹多多萌萌生生于于晶晶粒粒内内部部的的空空洞洞、夹夹杂杂物物、硬硬质质点点处处，而而解解理理裂裂纹纹则则萌萌生生在在晶晶粒粒的边界或相界面上；的边界或相界面上；（2 2）裂裂纹纹传传播播的的路路径径不不同同，准准解解理理是是裂裂纹纹向向四四周周扩扩展展，裂裂纹纹的的扩扩展展从从解解理理台台阶阶逐逐渐渐过过渡渡向向撕撕裂裂棱棱，相相对对于于解解理理裂裂纹纹要要不不连连续续得得多多，而而且且多多是是局局部部扩扩展展。解解理理裂裂纹纹是是由由晶晶界界向向晶晶内内定定向扩展，表现出河流走向；向扩展，表现出河流走向；（3 3）准准解解理理小小刻刻面面不不是是晶晶体体学
39、学解解理理面面。在在调调质质钢钢中中准准解解理理小小刻刻面面的的尺尺寸寸比比回回火火马马氏氏体体的的尺尺寸寸要要大大得得多多，与与原原奥奥氏氏体体晶晶粒粒尺尺寸寸相相近近。解解理与准解理之间的主要区别归于理与准解理之间的主要区别归于表表4-34-3第43页/共102页表表4-3 4-3 解理断裂与准解理断裂的区别解理断裂与准解理断裂的区别 解理准解理形核位置晶界或其它界面夹杂、空洞、硬质点、晶内扩展面标准解理面不连续、局部扩展、碳化物及质点影响路径、非标准解理面连接二次解理面解理、撕裂棱撕裂棱、韧窝断口形态尺寸以晶粒为大小，解理平面原奥氏体晶粒大小，呈凹盆状第44页/共102页3.3.沿晶断口
40、沿晶断口 沿晶脆性断裂是沿晶粒界面所发生的断裂，断口的微观特征是晶界面上沿晶脆性断裂是沿晶粒界面所发生的断裂，断口的微观特征是晶界面上相当平滑，整个断面上多面体感很强，没有明显塑性变形，具有晶界刻面相当平滑，整个断面上多面体感很强，没有明显塑性变形，具有晶界刻面（小平面小平面）的冰糖状断口形貌，冰糖块状恰好反映出晶粒这种多面体的特征。）的冰糖状断口形貌，冰糖块状恰好反映出晶粒这种多面体的特征。第45页/共102页4.3 4.3 脆性断裂的裂纹萌生与扩展脆性断裂的裂纹萌生与扩展 断裂的全过程包括裂纹的萌生与扩展，当材料性质与外加应力配合断裂的全过程包括裂纹的萌生与扩展，当材料性质与外加应力配合最
41、不利时，就有可能首先萌生裂纹，裂纹萌生理论很多，但都与位错运最不利时，就有可能首先萌生裂纹，裂纹萌生理论很多，但都与位错运动受阻导致应力集中有关。动受阻导致应力集中有关。脆性裂纹的萌生机理脆性裂纹的萌生机理 脆性裂纹的扩展脆性裂纹的扩展第46页/共102页目前公认的理论是：目前公认的理论是：strohstroh位位错错塞塞积积理理论论，该该理理论论的的核核心心是是位位错错遇遇障障碍碍受受阻阻，形形成成位位错错塞塞积积群群，产产生生应应力力集集中中，当当该该应应力力中中的的正正应应力力达达到到材材料料断断裂裂强强度度时时，即即萌生裂纹；萌生裂纹；cottrellcottrell位位错错反反应应理
42、理论论，该该理理论论认认为为在在体体心心立立方方金金属属中中，若若沿沿两两相相交交滑滑移移面面上上存存在在有有两两个个全全位位错错，当当他他们们相相遇遇时时会会发发生生位位错错反反应应形形成成新新的的位位错错，而而新新合合成成的的位位错错不不在在其其滑滑移移面面上上，故故为为不不动动位位错错，并并将将阻阻碍碍后后续续位错的运动，从而形成位错塞积群，造成应力集中而导致开裂；位错的运动，从而形成位错塞积群，造成应力集中而导致开裂；第47页/共102页 smithsmith碳化物边界形成裂纹理论，该理论认为铁素体内的位错运碳化物边界形成裂纹理论，该理论认为铁素体内的位错运动于碳化物边界将造成位错受阻
43、，引起应力集中有可能导致碳化物开动于碳化物边界将造成位错受阻，引起应力集中有可能导致碳化物开裂。裂。有关裂纹扩展的理论则与断裂机制有关，如脆性解理断裂、韧性有关裂纹扩展的理论则与断裂机制有关，如脆性解理断裂、韧性断裂、疲劳断裂等，它们的裂纹扩展也都与位错有关，断裂、疲劳断裂等，它们的裂纹扩展也都与位错有关，因此，位错理论是研究塑性变形与断裂微观机理的基础，后面我因此，位错理论是研究塑性变形与断裂微观机理的基础，后面我们分别给以讨论。们分别给以讨论。第48页/共102页脆性裂纹的萌生机理脆性裂纹的萌生机理 1.1.解理裂纹的萌生解理裂纹的萌生 1 1）位错塞积理论）位错塞积理论（Zener-St
44、rohZener-Stroh理论）理论）2 2）位错反应理论）位错反应理论（cottrellcottrell理论）理论）3 3）脆性第二相开裂理论）脆性第二相开裂理论（SmithSmith理论）理论）2.2.沿晶脆性裂纹的萌生沿晶脆性裂纹的萌生 第49页/共102页1.1.解理裂纹的萌生解理裂纹的萌生 如上所述如上所述，解理断裂是典型的脆，解理断裂是典型的脆性断裂，然而解理裂纹的产生却与材料性断裂，然而解理裂纹的产生却与材料的塑性变形有关。我们知道金属的塑性的塑性变形有关。我们知道金属的塑性变形是位错在切应力作用下运动的结果。变形是位错在切应力作用下运动的结果。因此因此，关于解理裂纹的萌生机制
45、可，关于解理裂纹的萌生机制可用位错理论来解释。用位错理论来解释。脆性裂纹的萌生机理脆性裂纹的萌生机理第50页/共102页（1 1）位错塞积理论）位错塞积理论（Zener-StrohZener-Stroh理论）理论）ZenerZener、StrohStroh认为解理裂纹的产生，并不是靠先天存在的裂纹，而是靠认为解理裂纹的产生，并不是靠先天存在的裂纹，而是靠塑形变形。塑形变形。许多实验证明，塑性变形的确是产生解理裂纹的必要条件。该理论模型许多实验证明，塑性变形的确是产生解理裂纹的必要条件。该理论模型如如图图4-104-10所示。金属材料在切应力作用下，局部发生变形时，某一滑移面上所示。金属材料在切
46、应力作用下，局部发生变形时，某一滑移面上的位错源开始启动，产生了一系列位错，位错沿滑移面上的滑移方向前进，的位错源开始启动，产生了一系列位错，位错沿滑移面上的滑移方向前进，当遇到障碍物如晶界、孪晶界时，即发生塞积（当遇到障碍物如晶界、孪晶界时，即发生塞积（如界面如界面O O处处），从而引起应力），从而引起应力集中。集中。第51页/共102页图图4-10 4-10 位错塞积形成的裂纹位错塞积形成的裂纹第52页/共102页 这种应力集中有两种可能：这种应力集中有两种可能：一一种种为为激激发发邻邻近近晶晶粒粒的的位位错错源源，产产生生新新位位错错，使使屈屈服服从从一一晶晶粒粒传传播播到另一晶位；到另
47、一晶位；另另一一种种假假如如不不能能使使邻邻近近晶晶粒粒屈屈服服，则则在在某某一一方方面面上上（与与滑滑移移方方向向成成角角）因因产产生生的的最最大大拉拉应应力力达达到到理理论论断断裂裂强强度度时时便便会会产产生生解解理理裂裂纹纹。此此最最大大应力发生在应力发生在=70.5=70.5处，其近似值为：处，其近似值为：式中式中 滑移面上的有效切应力滑移面上的有效切应力 d d晶粒直径。从位错源晶粒直径。从位错源S S到塞积头到塞积头O O的距离可视为的距离可视为d/2d/2 r r自位错塞积头到裂纹形成点的距离自位错塞积头到裂纹形成点的距离（6-16-1）第53页/共102页 完整晶体沿解理面断裂
48、的理论断裂强度为，完整晶体沿解理面断裂的理论断裂强度为，式中式中 为表面能，为表面能，为原子晶面间距，为原子晶面间距，E E为拉伸杨氏模量。为拉伸杨氏模量。如此，形成裂纹的力学条件为：如此，形成裂纹的力学条件为：（6-26-2）式中式中 形成裂纹所需的切应力。形成裂纹所需的切应力。第54页/共102页 如如 与晶面间距与晶面间距 相当，且相当，且 ，为泊松比，则上式可写为为泊松比，则上式可写为 (4-3)(4-3)表明解理裂纹形成所需要的应力与晶粒尺寸有关。表明解理裂纹形成所需要的应力与晶粒尺寸有关。Zener-StrohZener-Stroh理论存在的问题是理论存在的问题是：大量位错塞积将产
49、生很大应力集中，使相邻晶粒内的位错源开动从而大量位错塞积将产生很大应力集中，使相邻晶粒内的位错源开动从而松弛应力集中，使裂纹难以形成；松弛应力集中，使裂纹难以形成；此外此外，没有考虑应力状态的影响。，没有考虑应力状态的影响。第55页/共102页（2 2）位错反应理论）位错反应理论（cottrellcottrell理论）理论）CottrellCottrell理理论论模模型型如如图图4-114-11所所示示。在在体体心心立立方方金金属属中中，有有两两个个相相交交的的滑滑移移面面 和和(101)(101)与与解解理理面面(001)(001)相相交交，三三面面之之交交线线为为010010，现现沿沿 和
50、和(101)(101)滑滑移移面面上上分分别别有有位位错错群群 和和 相相遇遇于于010010轴轴，并并产产生生下下列位错反应：列位错反应：+a001第56页/共102页 由由于于反反应应后后位位错错能能量量降降低低，所所以以参参加加反反应应的的位位错错会会相相互互吸吸引引，自自动动合合并并。但但新新形形成成的的位位错错线线在在(001)(001)面面上上，由由于于(001)(001)不不是是体体心心立立方方金金属的固有滑移面，故属的固有滑移面，故 001001为为不动位错不动位错。于于是是在在此此不不动动位位错错后后的的几几个个位位错错塞塞积积便便可可使使晶晶体体沿沿(001)(001)解解