工程材料的顯微結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，特定的顯微結(jié)構(gòu)在特定的外界條件下有特定的斷裂物理機(jī)制和微觀形貌特征。

穿晶韌窩斷裂

韌窩是金屬延性斷裂的主要微觀特征。韌窩又稱作迭波、孔坑、微孔、微坑等。韌窩是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)形核、長大、聚集，最后相互連接而導(dǎo)致斷裂后，在斷口表面所留下的痕跡。雖然韌窩是延性斷裂的微觀特征，但不能僅僅據(jù)此就作出斷裂屬延性斷裂的結(jié)論。

1韌窩的形成

韌窩形成的機(jī)理比較復(fù)雜，大致可分為顯微空洞的形核、顯微空洞的長大和顯微空洞的聚集三個(gè)階段。

2韌窩的形狀韌窩的形狀

韌窩的形狀主要取決于所受的應(yīng)力狀態(tài)，最基本的韌窩形狀有等軸韌窩、撕裂韌窩和剪切韌窩三種。

滑移分離

金屬斷裂過程均起始于變形。金屬的塑性變形方式主要有滑移、孿生、晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散性蠕變四種。孿生一般在低溫下才起作用；在高溫下，晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散性蠕變方式較為重要。而在常溫下，主要的變形方式是滑移。過量的滑移變形出現(xiàn)滑移分離，其微觀形貌有滑移臺(tái)階、蛇形花樣、漣波等。晶體材料的滑移面與晶體表面的交線稱為滑移線。滑移部分的晶體與晶體表面形成的臺(tái)階稱為滑移臺(tái)階。由這些數(shù)目不等的滑移線或滑移臺(tái)階組成的條帶稱為滑移帶。

滑移分離斷口形貌

滑移分離的基本特征：斷面傾斜，呈45°角；斷口附近有明顯的塑性變形，滑移分離是在平面應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的。滑移分離的主要微觀特征是滑移線或滑移帶、蛇形花樣、漣波花樣、延伸區(qū)。

蛇形花樣，多晶體材料受到較大的塑形變形產(chǎn)生交滑移，導(dǎo)致滑移面分離，形成起伏彎曲的條紋，通常稱為蛇形滑移花樣。

若變形程度加劇，則蛇形滑移花樣因變形而平滑化，形成漣波花樣。

如若繼續(xù)變形，漣波花樣也將進(jìn)一步平坦化，在斷口上留下了沒有什么特殊形貌的平坦區(qū)，稱為延伸區(qū)。

解理斷裂

解理斷裂是金屬在正應(yīng)力作用下，由于原子結(jié)合鍵的破壞而造成的沿一定的晶體學(xué)平面（即解理面）快速分離的過程。解理斷裂是脆性斷裂的一種機(jī)理，屬于脆性斷裂，但并不是脆斷的同義語，有時(shí)解理可以伴有一定的微觀塑性變形。解理面一般是表面能量最小的晶面。面心立方晶系的金屬及合金，在一般情況下，不發(fā)生解理斷裂。

解理斷裂的形貌特征

典型的解理斷口微觀形貌有以下重要特征：解理臺(tái)階、河流花樣、“舌”狀花樣、魚骨狀花樣、扇形花樣等。

圖6舌狀花樣

圖7 典型的解理斷口形貌特征 A臺(tái)階 B河流花樣

圖8解理扇形花樣

圖9魚骨狀花樣

某設(shè)備裝配脫板螺母后發(fā)現(xiàn)有多個(gè)該型螺母在橢圓形收口處存在細(xì)小裂紋。裂紋附近未觀察到塑性變形痕跡，裂紋較平直，由此說明裂紋開裂為脆性開裂。

圖10裂紋形態(tài)

圖11裂紋斷口區(qū)域?yàn)榻饫?沿晶斷裂的脆性斷裂特征

準(zhǔn)解理斷裂

是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷裂形式。首先在不同部位，同時(shí)產(chǎn)生許多解理裂紋核，然后按解理方式擴(kuò)展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，與相鄰的解理小刻面相連，形成撕裂棱。

圖12某設(shè)備十字槽扁圓頭螺釘斷口準(zhǔn)解理斷面形貌

準(zhǔn)解理斷口宏觀形貌比較平整。基本上無宏觀塑性或宏觀塑性變形較小，呈脆性特征。其微觀形貌有河流花樣、舌狀花樣及韌窩與撕裂棱等。

案例：某廠設(shè)備彈簧發(fā)生斷裂，斷口如圖呈準(zhǔn)解理斷裂形貌。

圖13準(zhǔn)解理斷裂形貌

圖14彈簧斷口

沿晶斷裂

沿晶斷裂又稱晶間斷裂，它是多晶體沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分離，即沿晶界發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。

按斷面的微觀形貌，通常可將沿晶斷裂分為兩類：沿晶韌窩斷裂和沿晶脆性斷裂。

圖15沿晶脆性斷裂

圖16沿晶韌窩斷裂

回火脆、氫脆、應(yīng)力腐蝕、液體金屬致脆以及因過熱、過燒引起的脆斷斷口大都為沿晶脆性斷裂特征；而蠕變斷裂、某些高溫合金的室溫沖擊或拉伸斷口往往為沿晶韌窩形貌。

另外還有兩種情況也屬沿晶斷裂范疇。一是沿結(jié)合面發(fā)生的斷裂，如沿焊接結(jié)合面發(fā)生的斷裂；二是沿相界面發(fā)生的斷裂，如在兩相金屬中沿兩相的交界面發(fā)生的斷裂。

案例：

某發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試過程中，成功起動(dòng)至慢車時(shí)，信號(hào)盤出“斷開空調(diào)”信息，停車進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)中燃油—空氣散熱器出口處卡箍斷裂（位置如圖17）。

根據(jù)氫含量測定結(jié)果可知，鋼帶中的氫含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出一般鋼中對(duì)氫含量的要求值，可以判斷為氫脆導(dǎo)致沿晶斷裂。

圖17

圖18基體區(qū)域的沿晶斷裂特征

疲勞斷裂

1定義

疲勞斷裂是材料（或構(gòu)件）在交變應(yīng)力反復(fù)作用下發(fā)生的斷裂。

2疲勞斷裂的危害性形狀

多數(shù)機(jī)件承受的應(yīng)力是周期性變動(dòng)的；

疲勞破壞表現(xiàn)為突然斷裂，斷裂前無顯著變形；

造成疲勞破壞時(shí)，循環(huán)交變應(yīng)力中的最高應(yīng)力一般遠(yuǎn)低于靜載荷下材料的強(qiáng)度極限；

零件的疲勞斷裂不僅取決于材質(zhì)，而且對(duì)零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、外界環(huán)境等非常敏感；

很大一部分機(jī)件承受彎曲扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

3疲勞斷裂過程

疲勞裂紋的萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展及失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段。

4疲勞裂紋的萌生

交變載荷產(chǎn)生局部滑移→滑移線變粗形成滑移帶→駐留滑移帶的形成→駐留滑移帶擠入槽和擠出峰的形成→萌生疲勞裂紋。

（a）在晶界附近起源 （b）在滑移帶的缺口處起源

圖19疲勞裂紋的萌生示意圖

5疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的兩個(gè)階段

疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展第一階段

與正應(yīng)力呈45°，擴(kuò)展深度很淺。

斷裂形貌特征：

√類解理小平面

√平行鋸齒狀斷面

圖20葉片疲勞斷裂第一階段鋸齒狀斷面

疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展第二階段

疲勞裂紋按第一階段方式擴(kuò)展一定距離后，將改變方向，沿著與正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。此時(shí)正應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生重大影響。這就是疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的第二階段，疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段斷面上最重要的顯微特征是疲勞條帶，又稱疲勞輝紋。

6疲勞條帶的類型與形態(tài)

延性疲勞條帶（晶體學(xué)和非晶體學(xué)）、脆性疲勞條帶（晶體學(xué)和非晶體學(xué)）

圖21 a.延性疲勞條帶  b.脆性疲勞條帶

案例：某蓄壓油箱疲勞裂紋

圖22 源區(qū)處疲勞條帶

圖23 源區(qū)位置疲勞弧線