李紅英

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

金屬拉伸試樣的斷口分析

李紅英

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

提出了金屬拉伸試樣斷口分析方法，討論了試樣在拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)力分布、斷裂過(guò)程以及影響斷口形貌的因素，為斷裂形態(tài)分類和斷裂原因分析提供了重要依據(jù)。

斷裂；拉伸斷口；應(yīng)力分布；穿晶斷裂；杯錐狀斷口；纖維區(qū)；韌窩

在分析金屬構(gòu)件重大斷裂事故時(shí)，需對(duì)斷裂件進(jìn)行性能的重新測(cè)定和重演性實(shí)驗(yàn)［1］。性能測(cè)定包含材料的化學(xué)分析、力學(xué)性能的測(cè)定及金相鑒定，是對(duì)斷件材質(zhì)及性能作一次新的評(píng)定。而重演性實(shí)驗(yàn)，是模仿工作運(yùn)行的實(shí)際情況，適當(dāng)加速，使其在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂。觀察分析斷口，與實(shí)際斷件斷口的分析結(jié)果進(jìn)行比較，根據(jù)數(shù)據(jù)和圖像的處理，綜合得出結(jié)論。

過(guò)載斷裂在機(jī)械破壞類型中，比例僅次于疲勞斷裂，其斷口的宏觀特征與拉伸斷口的形貌一樣，本文就此展開(kāi)探討分析。

1 斷裂及斷口分析

金屬材料受到外力作用后，其內(nèi)部受脅能量升高，此時(shí)，通過(guò)塑性變形來(lái)松弛降低能量。當(dāng)金屬不能繼續(xù)塑性變形時(shí)，若再增加應(yīng)力，它便以斷裂的形式徹底松弛［2］。

零件斷裂后的自然表面稱為斷口，其結(jié)構(gòu)與外貌記錄了斷裂前裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和斷裂瞬間的信息。由于金屬中裂紋的擴(kuò)展方向沿著消耗能量最?。丛咏Y(jié)合力最弱的）區(qū)域進(jìn)行，且與最大應(yīng)力方向有關(guān)，因此，斷口是材料性能最弱或零件所受應(yīng)力最大的部位。分析斷口可以研究材料的強(qiáng)度和斷裂機(jī)理，找出零件斷裂失效的原因，從而判定出事故責(zé)任、改進(jìn)構(gòu)件設(shè)計(jì)和制造工藝，防止事故的再次發(fā)生。

2 金屬材料拉伸斷口的類型

金屬斷裂類型有很多種。若按材料拉伸斷裂前產(chǎn)生的塑性變形量分，斷面收縮率大于5％為韌性斷裂，小于5％為脆性斷裂。故金屬拉伸斷口有韌性斷口和脆性斷口兩大類。

2.1 韌性斷口

韌性斷口的特征：材料斷裂前發(fā)生了大量塑性變形，原晶粒被拉長(zhǎng)或破碎，不再保持原來(lái)的大小、形狀，斷口呈灰色無(wú)光澤的纖維狀，有時(shí)能看到滑移的痕跡。按斷口的形狀分為杯錐狀斷口和剪切滑移型斷口兩種［2-3］。

2.1.1 杯錐狀斷口

圖1 杯錐狀斷口形成示意圖

拉伸韌性斷裂的過(guò)程有：微孔形核、長(zhǎng)大和聚合三個(gè)階段。光滑試樣在拉應(yīng)力作用下，局部出現(xiàn)“頸縮”，在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)［4］，且心部軸向應(yīng)力最大，見(jiàn)圖1a；致使試樣心部的夾雜物或第二相粒子破裂，形成微孔，見(jiàn)圖1b；隨著應(yīng)力的增大，微孔在縱向與橫向不斷增加和長(zhǎng)大，聚合成微裂紋，方向垂直于拉應(yīng)力方向，見(jiàn)圖1c；最后，裂紋沿剪切面擴(kuò)展到試件表面，剪切面方向與拉伸軸線近似成45°，見(jiàn)圖1d。這三個(gè)階段構(gòu)成典型的“杯錐”失效斷面，形成杯錐狀特征，見(jiàn)圖1e。其微觀結(jié)構(gòu)為穿晶斷裂。

中、低碳鋼以及鐵素體、珠光體和馬氏體不銹鋼的拉伸斷口呈典型的杯錐狀斷口。

2.1.2 剪切滑移型斷口

剪切滑移型斷口，是沿一定的晶面或晶向以剪切或滑移的方式斷裂的。斷面與最大正應(yīng)力方向呈45°角，而與最大切應(yīng)力方向一致。如板材試樣的斜斷面平整、規(guī)則，狀如刀鋒。從微觀角度看，也屬于穿晶斷裂。

2.1.3 其它形狀斷口

因熱處理或熱加工工藝不當(dāng)、內(nèi)應(yīng)力未完全消除、材料內(nèi)部存在氧化物、硫化物、氣體等缺陷，拉伸試樣會(huì)出現(xiàn)半杯錐狀、發(fā)射狀或鋸齒狀等形狀的斷口。它們?nèi)跃哂许g性斷口的特征［5］。

韌性斷裂在斷裂前出現(xiàn)大的塑性變形，有明顯的失效預(yù)兆，它對(duì)構(gòu)件和環(huán)境造成的危險(xiǎn)性遠(yuǎn)小于脆性斷裂。

2.2 脆性斷口

脆性斷裂的特征：構(gòu)件斷裂前產(chǎn)生微量塑性變形，斷口附近截面的收縮率不超過(guò)3％，原來(lái)的晶粒未被歪曲，其大小和形狀保持原狀。斷裂面與拉伸應(yīng)力垂直。斷口平齊光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀，如鑄鐵的拉伸斷口呈現(xiàn)粒狀。

脆性斷裂前無(wú)明顯預(yù)兆，裂紋的擴(kuò)展速度很快，接近音速。斷裂突然發(fā)生且有碎片，危害性很大，會(huì)引起嚴(yán)重的后果。

進(jìn)行斷口分析時(shí)，采用宏觀和微觀兩種方法。斷口宏觀分析是用肉眼或借助普通放大鏡觀察斷口的形貌特征，分析金屬材料斷裂源的位置、裂紋擴(kuò)展方向，判斷金屬斷裂的性質(zhì)；斷口微觀分析是借助光學(xué)和電子顯微鏡觀察分析斷口的微觀形態(tài)、結(jié)晶學(xué)特征，確定斷裂類型，探討裂紋形成、擴(kuò)展和斷裂的機(jī)理。

3 靜載荷下的宏觀斷口分析

零件在使用中因靜載荷引起破壞的情況不多，但通過(guò)靜載拉伸試驗(yàn)可得到材料的基本破斷特征。

3.1 光滑圓試樣在拉伸應(yīng)力下的斷口形貌

斷口上呈現(xiàn)三個(gè)區(qū)域：纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)，稱為斷口三要素，見(jiàn)圖2。裂紋起源于纖維區(qū)，經(jīng)過(guò)快速擴(kuò)展而形成放射區(qū)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到表面時(shí)，形成了屬于韌性斷裂的剪切唇，最后形成杯錐狀斷口［2］。

圖2 光滑圓試樣斷口三要素示意圖

3.1.1 纖維區(qū)

纖維區(qū)位于斷裂的起始處，在斷口中央，與主應(yīng)力垂直，斷口上有顯微孔洞形成的鋸齒狀形貌，其底部的晶粒象纖維一樣被拉長(zhǎng)，故稱纖維區(qū)。

3.1.2 放射區(qū)

纖維區(qū)是裂紋緩慢擴(kuò)展的標(biāo)志，放射區(qū)是裂紋快速擴(kuò)展的表征。放射區(qū)有放射花樣，按形貌分為“放射纖維”和“放射剪切”兩種。每根放射花樣稱為放射元，其放射方向與裂紋擴(kuò)展方向一致。“放射纖維”的放射元呈直的纖維狀；“放射剪切”花樣的宏觀形貌似菊花狀。

3.1.3 剪切唇

剪切唇與放射區(qū)相毗鄰，表面光滑，與拉應(yīng)力方向成45°角，形狀如杯，是典型的剪切斷裂。

以上三個(gè)區(qū)所占整個(gè)斷面的比例，隨著加載速度、溫度及構(gòu)件的尺寸而變化。當(dāng)加載速度降低、溫度上升、構(gòu)件尺寸變小時(shí)，都使纖維區(qū)和剪切唇區(qū)增大。加載速度增大，放射區(qū)增大，塑性變形程度減小；構(gòu)件截面增大時(shí)，由于結(jié)構(gòu)上的缺陷幾率增多，使得強(qiáng)度降低，塑性指標(biāo)也下降。

可見(jiàn)，同一種金屬材料因溫度、應(yīng)力等條件的變化，韌脆斷裂會(huì)發(fā)生變化。進(jìn)行破斷分析時(shí)，根據(jù)斷裂面三個(gè)區(qū)的形態(tài)及在斷口所占比例，可粗略地評(píng)價(jià)構(gòu)件的性能，判斷材料的韌性。纖維區(qū)和剪切唇越大，則材料的塑性、韌性越好，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)纖維區(qū)直接與剪切唇相連接的特征；材料的強(qiáng)度高，放射區(qū)比例越大，表明材料的塑性差，脆性大，此時(shí)纖維區(qū)縮小。

3.2 帶缺口的圓試樣的拉伸斷口

由于缺口的存在，改變了應(yīng)力分布狀態(tài)，出現(xiàn)了應(yīng)力集中，裂紋直接在缺口或缺口附近產(chǎn)生。此時(shí)纖維區(qū)沿圓周分布，裂紋從試樣表面向內(nèi)部擴(kuò)展，見(jiàn)圖3。

材料缺口敏感性試驗(yàn)，是為查明材料在有缺口情況下，抵抗脆斷的能力。以缺口試樣與光滑試樣拉伸斷裂強(qiáng)度的比值Kt作為缺口敏感系數(shù)來(lái)衡量。

圖3 缺口拉伸試樣及斷口示意圖

1）脆性或低塑性金屬材料，缺口強(qiáng)度σn小于光滑試樣的強(qiáng)度σb（即Kt＝σn/σb＜1），則該材料存在缺口敏感性。

2）塑性好的金屬材料，其缺口強(qiáng)度大于光滑試樣的強(qiáng)度（Kt＞1），則該材料無(wú)缺口敏感性，即材料對(duì)缺口不敏感。Kt值越大，抗脆性破壞的能力愈高。

3.3 矩形試件的拉伸斷口

試樣的形狀、尺寸不同會(huì)影響拉伸斷口的形貌。無(wú)缺口矩形試樣的斷口與圓試樣相同，有三個(gè)區(qū)域。由于試樣幾何形狀的改變，裂紋主要沿寬度方向擴(kuò)展，纖維區(qū)呈橢圓形，放射區(qū)為“人字紋”花紋，人字紋的尖頂指向纖維區(qū)（即裂紋源），靠近表面的區(qū)域是剪切唇，見(jiàn)圖4a。試樣厚度對(duì)斷口形貌影響很大，當(dāng)厚度減小時(shí)，剪切唇所占面積增大，放射區(qū)縮小。如薄板試樣的斷口是全剪切的，造成剪切型斷口，見(jiàn)圖4b。

圖4 （a）矩形試件斷口示意圖（b）厚度對(duì)矩形試件斷口的影響

當(dāng)材料性能、加載速度和受力狀態(tài)不同時(shí)，斷口三個(gè)區(qū)域的形態(tài)、大小和相對(duì)位置也會(huì)發(fā)生變化。而缺口存在不但改變斷口中各區(qū)所占的比例，而且裂紋源位置也發(fā)生改變。

4 斷口的微觀分析

多晶體金屬材料斷裂時(shí)，根據(jù)裂紋擴(kuò)展途徑分為穿晶斷裂和晶間斷裂兩大類，見(jiàn)圖5。穿晶斷裂的特點(diǎn)是裂紋穿過(guò)晶粒內(nèi)部發(fā)生斷裂。這是由于材料晶粒本身強(qiáng)度不高，或在結(jié)晶過(guò)程中沿晶粒內(nèi)某些晶面夾入了雜質(zhì)導(dǎo)致的。穿晶斷裂有韌性斷裂，也有脆性斷裂，依其微觀斷裂方式分為剪切斷裂和解理斷裂。晶間斷裂是裂紋沿著晶界擴(kuò)展，多數(shù)為脆性斷裂。

圖5 穿晶斷裂和晶間斷裂示意圖

4.1 韌性斷裂的微觀斷口

剪切斷裂屬于韌性斷裂，是晶體在切應(yīng)力作用下，沿滑移面滑移而造成的斷裂。分兩類：一類是微孔聚集型斷裂，另一類是滑斷或純剪斷。

4.1.1 微孔聚集型斷裂

拉伸試樣縮頸中心的斷裂屬于微孔聚集型斷裂。顯微觀察斷口上分布著許多不同形狀、大小和深淺的微坑稱為韌窩，見(jiàn)圖6。微坑中有第二相粒子。

圖6 穿晶斷裂的韌窩斷口形貌

韌窩的大小和深淺與材料斷裂時(shí)空隙核心的數(shù)量及塑性有關(guān)。若韌窩的形核位置很多或材料塑性較差，則斷裂時(shí)形成的韌窩尺寸較小、較淺；反之，韌窩形核位置較少，如在大晶粒單相合金或純金屬中，則形成較大、較深的韌窩。

韌窩的形狀因應(yīng)力狀態(tài)而異。拉伸試樣杯錐狀斷口的纖維區(qū)部分，在拉應(yīng)力作用下呈等軸韌窩；剪切唇部分，在切應(yīng)力作用下呈剪切韌窩；若是在撕裂應(yīng)力作用下，則呈撕裂韌窩。

在判斷材料是韌性還是脆性時(shí)，宏觀斷口形貌的觀察很重要，當(dāng)宏觀斷口特征不明顯，而微觀形貌上又有大量韌窩，韌窩花樣才能作為韌性斷裂的判斷依據(jù)。

4.1.2 滑斷或純剪斷

一般發(fā)生于塑性好的純金屬或單相合金中，特別是單晶體中常發(fā)生這種斷裂，宏觀斷口呈鋒利的楔形；多晶體金屬的斷口呈刀尖型。純剪切斷裂的微觀形態(tài)為“蛇形滑動(dòng)”花樣，若變形程度加劇，形成“漣波”花樣。

4.2 脆性斷裂的微觀斷口

脆性斷裂的微觀結(jié)構(gòu)有解理斷裂和晶間斷裂。

解理斷裂：是晶體受力后，原子間結(jié)合鍵被破壞，在拉應(yīng)力作用下沿一定的晶面（即解理面）劈開(kāi)而產(chǎn)生的穿晶斷裂，主要發(fā)生在體心立方或密排六方晶格的金屬中。解理斷口的微觀形貌為“河流狀”花樣和“舌狀”花樣。金屬的解理斷裂是典型的脆性斷裂，低溫、應(yīng)力集中、沖擊載荷下易引起。

晶間斷裂：又稱沿晶斷裂，是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂。當(dāng)金屬或合金材料的晶界為顯微組織中最薄弱部分時(shí)，例如：①晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相；②微量有害雜質(zhì)元素，如P，S，Si，Sn等偏聚于晶界；③環(huán)境介質(zhì)，如氫脆、應(yīng)力腐蝕在晶界造成損傷，導(dǎo)致晶間斷裂。其宏觀斷口無(wú)明顯塑性變形，呈結(jié)晶狀，顏色較暗。微觀形貌呈“冰糖狀”花樣，見(jiàn)圖7。

晶間斷裂的發(fā)生在很大程度上取決于晶界面的狀態(tài)和性質(zhì)。實(shí)踐表明，提純金屬，凈化晶界，防止雜質(zhì)原子在晶界上偏聚或脫溶，避免脆性第二相在晶界析出等，均可以減少金屬發(fā)生沿晶脆性斷裂的傾向。因此，應(yīng)用X射線能譜分析法確定沿晶斷裂面的化學(xué)成分，對(duì)從冶金因素來(lái)認(rèn)識(shí)材料的致脆原因，提出改進(jìn)工藝措施有指導(dǎo)意義。

圖7 晶間斷裂的冰糖狀斷口形貌

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析構(gòu)件斷裂原因時(shí)，要抓住失效中起主要作用的因素，如斷裂源、斷裂形狀及導(dǎo)致斷裂的原因等重點(diǎn)分析和研究［6］。

無(wú)論是何種斷口都是在力的作用下造成的，特別是表面?zhèn)蹏?yán)重的斷件，要從受力方面分析、校對(duì)斷件的尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求，以及從性能組織方面入手，準(zhǔn)確判斷出斷裂源的位置。

對(duì)于超負(fù)荷引起的斷口，其纖維區(qū)就是斷裂源所在地；對(duì)于脆性斷口，可利用斷口上的“發(fā)射狀”或“人字紋”的匯集處尋找；對(duì)疲勞斷口可按貝紋線的匯集處尋找斷裂源。

最后，用金相、電子顯微鏡等設(shè)備對(duì)斷裂源進(jìn)行分析，得出斷裂的根本原因。

［1］鄭文龍.金屬構(gòu)件斷裂分析與防護(hù)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980.

［2］汪守樸.金相分析基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［3］魏文光.金屬的力學(xué)性能測(cè)試［M］.北京：科學(xué)出版社，1980.

［4］馮廣占.材料力學(xué)答疑［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［5］康力，張安義.金屬工藝性［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

［6］李紅英.機(jī)械事故的取證分析［J］.煤礦機(jī)械，2010（4）：255-256.

〔編輯 石白云〕

Fracture Analysis of the Metal Tensile Specimen

LI Hong-ying
（School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003）

In this paper，metal tensile specimen fracture analysis，tensile test specimen are discussed the stress distribution in the fracture process and the factors that affect the fracture surface，the fracture failure of a morphological classification and provides an important basis.

fracture；tensile fracture analysis；stress distribution；transgranular fracture；cup cone fracture；fiber area；dimple

TG14

A

1674-0874（2011）01-0076-04

2010-10-22

李紅英（1965-），山西原平人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：金屬材料的力學(xué)與金相分析。