李紅英

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003）

金屬拉伸試樣的斷口分析

李紅英

（山西大同大學煤炭工程學院，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中的應力分布、斷裂過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；應力分布；穿晶斷裂；杯錐狀斷口；纖維區(qū)；韌窩

在分析金屬構件重大斷裂事故時，需對斷裂件進行性能的重新測定和重演性實驗［1］。性能測定包含材料的化學分析、力學性能的測定及金相鑒定，是對斷件材質(zhì)及性能作一次新的評定。而重演性實驗，是模仿工作運行的實際情況，適當加速，使其在預期的時間內(nèi)發(fā)生斷裂。觀察分析斷口，與實際斷件斷口的分析結果進行比較，根據(jù)數(shù)據(jù)和圖像的處理，綜合得出結論。

過載斷裂在機械破壞類型中，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，通過塑性變形來松弛降低能量。當金屬不能繼續(xù)塑性變形時，若再增加應力，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，其結構與外貌記錄了斷裂前裂紋的發(fā)生、擴展和斷裂瞬間的信息。由于金屬中裂紋的擴展方向沿著消耗能量最?。丛咏Y合力最弱的）區(qū)域進行，且與最大應力方向有關，因此，斷口是材料性能最弱或零件所受應力最大的部位。分析斷口可以研究材料的強度和斷裂機理，找出零件斷裂失效的原因，從而判定出事故責任、改進構件設計和制造工藝，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，原晶粒被拉長或破碎，不再保持原來的大小、形狀，斷口呈灰色無光澤的纖維狀，有時能看到滑移的痕跡。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

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

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。斷面與最大正應力方向呈45°角，而與最大切應力方向一致。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、內(nèi)應力未完全消除、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，有明顯的失效預兆，它對構件和環(huán)境造成的危險性遠小于脆性斷裂。

2.2 脆性斷口

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

脆性斷裂前無明顯預兆，裂紋的擴展速度很快，接近音速。斷裂突然發(fā)生且有碎片，危害性很大，會引起嚴重的后果。

進行斷口分析時，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、裂紋擴展方向，判斷金屬斷裂的性質(zhì)；斷口微觀分析是借助光學和電子顯微鏡觀察分析斷口的微觀形態(tài)、結晶學特征，確定斷裂類型，探討裂紋形成、擴展和斷裂的機理。

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，但通過靜載拉伸試驗可得到材料的基本破斷特征。

3.1 光滑圓試樣在拉伸應力下的斷口形貌

斷口上呈現(xiàn)三個區(qū)域：纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)，稱為斷口三要素，見圖2。裂紋起源于纖維區(qū)，經(jīng)過快速擴展而形成放射區(qū)，當裂紋擴展到表面時，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，故稱纖維區(qū)。

3.1.2 放射區(qū)

纖維區(qū)是裂紋緩慢擴展的標志，放射區(qū)是裂紋快速擴展的表征。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，與拉應力方向成45°角，形狀如杯，是典型的剪切斷裂。

以上三個區(qū)所占整個斷面的比例，隨著加載速度、溫度及構件的尺寸而變化。當加載速度降低、溫度上升、構件尺寸變小時，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；構件截面增大時，由于結構上的缺陷幾率增多，使得強度降低，塑性指標也下降。

可見，同一種金屬材料因溫度、應力等條件的變化，韌脆斷裂會發(fā)生變化。進行破斷分析時，根據(jù)斷裂面三個區(qū)的形態(tài)及在斷口所占比例，可粗略地評價構件的性能，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，此時會出現(xiàn)纖維區(qū)直接與剪切唇相連接的特征；材料的強度高，放射區(qū)比例越大，表明材料的塑性差，脆性大，此時纖維區(qū)縮小。

3.2 帶缺口的圓試樣的拉伸斷口

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

材料缺口敏感性試驗，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度的比值Kt作為缺口敏感系數(shù)來衡量。

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，缺口強度σn小于光滑試樣的強度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，其缺口強度大于光滑試樣的強度（Kt＞1），則該材料無缺口敏感性，即材料對缺口不敏感。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、尺寸不同會影響拉伸斷口的形貌。無缺口矩形試樣的斷口與圓試樣相同，有三個區(qū)域。由于試樣幾何形狀的改變，裂紋主要沿寬度方向擴展，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，見圖4a。試樣厚度對斷口形貌影響很大，當厚度減小時，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，見圖4b。

圖4 （a）矩形試件斷口示意圖（b）厚度對矩形試件斷口的影響

當材料性能、加載速度和受力狀態(tài)不同時，斷口三個區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置也會發(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，根據(jù)裂紋擴展途徑分為穿晶斷裂和晶間斷裂兩大類，見圖5。穿晶斷裂的特點是裂紋穿過晶粒內(nèi)部發(fā)生斷裂。這是由于材料晶粒本身強度不高，或在結晶過程中沿晶粒內(nèi)某些晶面夾入了雜質(zhì)導致的。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空隙核心的數(shù)量及塑性有關。若韌窩的形核位置很多或材料塑性較差，則斷裂時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，在拉應力作用下呈等軸韌窩；剪切唇部分，在切應力作用下呈剪切韌窩；若是在撕裂應力作用下，則呈撕裂韌窩。

在判斷材料是韌性還是脆性時，宏觀斷口形貌的觀察很重要，當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”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

脆性斷裂的微觀結構有解理斷裂和晶間斷裂。

解理斷裂：是晶體受力后，原子間結合鍵被破壞，在拉應力作用下沿一定的晶面（即解理面）劈開而產(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，是裂紋沿晶界擴展的一種脆性斷裂。當金屬或合金材料的晶界為顯微組織中最薄弱部分時，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、應力腐蝕在晶界造成損傷，導致晶間斷裂。其宏觀斷口無明顯塑性變形，呈結晶狀，顏色較暗。微觀形貌呈“冰糖狀”花樣，見圖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，應用X射線能譜分析法確定沿晶斷裂面的化學成分，對從冶金因素來認識材料的致脆原因，提出改進工藝措施有指導意義。

圖7 晶間斷裂的冰糖狀斷口形貌

5 結束語

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

無論是何種斷口都是在力的作用下造成的，特別是表面?zhèn)蹏乐氐臄嗉獜氖芰Ψ矫娣治?、校對斷件的尺寸是否符合設計要求，以及從性能組織方面入手，準確判斷出斷裂源的位置。

對于超負荷引起的斷口，其纖維區(qū)就是斷裂源所在地；對于脆性斷口，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、電子顯微鏡等設備對斷裂源進行分析，得出斷裂的根本原因。

［1］鄭文龍.金屬構件斷裂分析與防護［M］.上海：上海科學技術出版社，1980.

［2］汪守樸.金相分析基礎［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1986.

［3］魏文光.金屬的力學性能測試［M］.北京：科學出版社，1980.

［4］馮廣占.材料力學答疑［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.機械事故的取證分析［J］.煤礦機械，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，實驗師，研究方向：金屬材料的力學與金相分析。