学术干货│领略断口分析的奥妙

在做拉伸、弯曲等宏观力学性能实验的时候，试件会在力的作用下分成若干部分。得到了力学性能数据评估了材料的性能固然值得高兴，可是试样在外力作用下所形成的断口同样也体现着材料的性能。研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值．下面就让小编带领大家一起走进材料的断口世界，一探究竟。

首先材料的断裂过程可以分为两个阶段：裂纹的形成与扩展。

按断裂前有无宏观塑性变形分类：韧性（延性）断裂（ductile fracture）、脆性断裂(brittle fracture) ；

1.韧性（延性）断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的斯裂过程。这类断口在扫描电镜下，可以明显看到一个又一个的韧窝（微坑），韧窝周围的白色脊线称为撕裂棱。韧窝的形成包含了微孔形成、长大和连结等过程。在每一个韧窝内都含有一个第二相质点或者折断的夹杂物或者夹杂物颗粒。它们是微孔形成的核心。在加载力的作用下，初始裂纹沿拉伸方向延长，形成空洞（裂纹扩展阶段）；空洞连接的结果—断裂。

图1 韧性断口分析

该文作者通过拉伸断口中的形态来说明退火温度对双相钢韧性的影响。总的来说，大量韧窝的存在说明在b图与c图的退火温度下，材料表现出良好的塑性。其中两图中韧窝的尺寸存在一定的差异，b图中的韧窝尺寸普遍较小可能是由于该温度下的晶粒尺寸细小，进而导致拉伸过程中孔洞的尺寸也较小，c图中的较大的韧窝是由于尺寸较大的马氏体的断裂而产生的。

2. 脆性断裂（解理断裂）：材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形（伸长和缩颈）的断裂现象。试样脆性断裂后，在宏观上看，断口较为平齐，光亮。此类断口的特征有三：解理台阶、河流状花样和舌状花样。然而在SCI论文中对这一区别并无要求，确定脆性断裂的一大特点便是有无解理台阶（解理面），舌状花样与河流状花样的实质还是脆性断裂，所以仅以河流状花样举了例子。

2.1解理台阶（最明显特征）

象征韧性断裂的韧窝已无处可寻，取而代之的是一簇相互平行的、位于不同高度的晶面形成的解理台阶。

图2 解理台阶特征分析

该文作者运用电子束选区熔化制备了铁素体不锈钢。在图a、b和c中，解理面（cleavage）的出现证明了此时拉伸断口为脆性断口，说明了在该熔融工艺中材料的脆性比较大。

2.2 河流状花样

图3 河流状花样断口分析

作者研究高温和应变速率对铝合金的影响对试样进行了力学性能测试，用扫描电镜对断口进行微观形貌观察时发现断口平齐，并且有河流状花样，由此便可说明该处理工艺增加了材料脆性。

二、按照脆性断裂时裂纹扩展途径分类：穿晶断裂和沿晶(晶界)断裂。其中穿晶断裂，通常是裂纹沿着一定的晶面或者滑移面、孪晶面扩展而使材料断开。沿晶(晶界)断裂，通常是指裂纹沿着晶界扩展的一种脆性断裂。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度而造成了该断裂的发生。其区别如下图3示意图所示

图4 穿晶断裂和沿晶断裂的区别

2.1 穿晶断裂

图5 穿晶断裂断口分析

作者通过扫描电镜对断口的观察，认为在低含量氧化锌含量下的氧化铟烧结试样的致密度较高，晶粒尺寸也较大，试样的断裂方式为穿晶断裂，从而得出试样具有较高的弯曲强度。

2.2沿晶断裂

图6 沿晶断裂断口分析

图6所示的断口为沿晶断裂断口，在扫描电镜下，图6a的断口表面可以看到晶粒边界（预示着沿晶断裂），并且具有变形现象。综合断口观察，可以得出由于在晶粒边界处存在微孔，这些微孔导致了裂纹沿晶粒边界扩展，从而形成沿晶断裂断口。

参考文献

【1】Microstructure, mechanical properties and fracture behavior of ultra-high strength dual-phase steel.
【2】Characterization of oxide dispersion strengthened ferritic steel fabricated by electron beam selective melting.
【3】High temperature cleavage fracture in 5383 aluminum alloy.
【4】Sintering behavior and refining grains of high density tin doped indium oxide targets with low tin oxide content.
【5】Microstructural stability and mechanical properties of a newly developed Ni–Fe-base superalloy.

本文由材料人编辑部学术干货组seeding供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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