學術干貨│領略斷口分析的奧妙

在做拉伸、彎曲等宏觀力學性能實驗的時候，試件會在力的作用下分成若干部分。得到了力學性能數據評估了材料的性能固然值得高興，可是試樣在外力作用下所形成的斷口同樣也體現著材料的性能。研究材料斷裂的宏觀與微觀特征、斷裂機理、斷裂的力學條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學意義，而且也有很大的實用價值．下面就讓小編帶領大家一起走進材料的斷口世界，一探究竟。

首先材料的斷裂過程可以分為兩個階段：裂紋的形成與擴展 。

按斷裂前有無宏觀塑性變形分類：韌性（延性）斷裂（ductile fracture）、脆性斷裂(brittle fracture) ；

1.韌性（延性）斷裂：材料斷裂前及斷裂過程中產生明顯宏觀塑性變形的斯裂過程。這類斷口在掃描電鏡下，可以明顯看到一個又一個的韌窩（微坑），韌窩周圍的白色脊線稱為撕裂棱。韌窩的形成包含了微孔形成、長大和連結等過程。在每一個韌窩內都含有一個第二相質點或者折斷的夾雜物或者夾雜物顆粒。它們是微孔形成的核心。在加載力的作用下，初始裂紋沿拉伸方向延長，形成空洞（裂紋擴展階段）；空洞連接的結果—斷裂。

圖1 韌性斷口分析

該文作者通過拉伸斷口中的形態來說明退火溫度對雙相鋼韌性的影響。總的來說，大量韌窩的存在說明在b圖與c圖的退火溫度下，材料表現出良好的塑性。其中兩圖中韌窩的尺寸存在一定的差異，b圖中的韌窩尺寸普遍較小可能是由于該溫度下的晶粒尺寸細小，進而導致拉伸過程中孔洞的尺寸也較小，c圖中的較大的韌窩是由于尺寸較大的馬氏體的斷裂而產生的。

2. 脆性斷裂（解理斷裂）：材料斷裂前基本上不產生明顯的宏觀塑性變形（伸長和縮頸）的斷裂現象。試樣脆性斷裂后，在宏觀上看，斷口較為平齊，光亮。此類斷口的特征有三：解理臺階、河流狀花樣和舌狀花樣。然而在SCI論文中對這一區別并無要求，確定脆性斷裂的一大特點便是有無解理臺階（解理面），舌狀花樣與河流狀花樣的實質還是脆性斷裂，所以僅以河流狀花樣舉了例子。

2.1解理臺階（最明顯特征）

象征韌性斷裂的韌窩已無處可尋，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臺階。

圖2 解理臺階特征分析

該文作者運用電子束選區熔化制備了鐵素體不銹鋼。在圖a、b和c中，解理面（cleavage）的出現證明了此時拉伸斷口為脆性斷口，說明了在該熔融工藝中材料的脆性比較大。

2.2 河流狀花樣

圖3 河流狀花樣斷口分析

作者研究高溫和應變速率對鋁合金的影響對試樣進行了力學性能測試，用掃描電鏡對斷口進行微觀形貌觀察時發現斷口平齊，并且有河流狀花樣，由此便可說明該處理工藝增加了材料脆性。

二、按照脆性斷裂時裂紋擴展途徑分類：穿晶斷裂和沿晶(晶界)斷裂。其中穿晶斷裂，通常是裂紋沿著一定的晶面或者滑移面、孿晶面擴展而使材料斷開。沿晶(晶界)斷裂，通常是指裂紋沿著晶界擴展的一種脆性斷裂。一般情況下，晶界不會開裂。發生沿晶斷裂，勢必由于某種原因降低了晶界結合強度而造成了該斷裂的發生。其區別如下圖3示意圖所示

圖4 穿晶斷裂和沿晶斷裂的區別

2.1 穿晶斷裂

圖5 穿晶斷裂斷口分析

作者通過掃描電鏡對斷口的觀察，認為在低含量氧化鋅含量下的氧化銦燒結試樣的致密度較高，晶粒尺寸也較大，試樣的斷裂方式為穿晶斷裂，從而得出試樣具有較高的彎曲強度。

2.2沿晶斷裂

圖6 沿晶斷裂斷口分析

圖6所示的斷口為沿晶斷裂斷口，在掃描電鏡下，圖6a的斷口表面可以看到晶粒邊界（預示著沿晶斷裂），并且具有變形現象。綜合斷口觀察，可以得出由于在晶粒邊界處存在微孔，這些微孔導致了裂紋沿晶粒邊界擴展，從而形成沿晶斷裂斷口。

參考文獻

【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.

本文由材料人編輯部學術干貨組seeding供稿，材料牛編輯整理。

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