韧性(延性、塑性)断口的微观特征

(1)滑移分离 当金属在外载作用下产生塑性变形时,在金属内就会沿着一定的晶体学平面和方向产生滑移。由于绝大多数金属材料为多晶体,位向不同的晶粒间相互约束,滑移必然是沿着多个滑移系进行,滑移系相互交叉。结果在断口上呈现出蛇形滑动特征,若形变加剧,则蛇形滑动花样因变形而平滑,形成涟波花样。继续变形,涟波花样也将进一步平坦化,在断口上形成无特征的平坦面,称为延伸区。

(2)韧窝 金属韧性断裂最主要的微观形貌特征就是韧窝,也称之为微孔、微坑等,如图4-12所示。

1)韧窝的形成。韧窝特征的形成为空洞聚集,即显微空洞生核、长大、集聚直至断裂。

金属内部形成的大量显微空洞在外力的作用下不断长大,同时几个相邻显微空洞之间的基体横截面在不断缩小,直至彼此连接而导致断裂,形成韧窝断口形貌。

2)韧窝的形状。韧窝的形状主要取决于应力状态,最基本的韧窝形状有三种,即等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝,后两种又称为拉长韧窝。

等轴韧窝是在正应力作用下形成的,如单向拉伸。这时显微空洞沿空间三个方向的长大速率相同。在相匹配的断口表面上,韧窝的形状是相同的。

撕裂韧窝是在撕裂应力作用下形成的,如缺口平面应变断裂韧度试样及落锤撕裂试样的应力状态。韧窝呈抛物线状,两个相匹配断口表面上韧窝的拉长方向是一致的,凸向都指向裂纹源。

剪切韧窝是在切应力作用下形成的,如拉伸、冲击、断裂韧度试样的剪切唇部分的应力状态。韧窝也是抛物线状的,与撕裂韧窝不同的是,两个相匹配断口表面上韧窝的拉长方向相反。

上述三种不同形状和匹配组合的韧窝只是最基本的简化形式,这是为了更好地说明空洞萌生处的应力状态或滑移方向对韧窝状态(形状和方向)的影响。由于在实际的断裂中很少有单一拉伸或剪切的应力状态,绝大多数情况下是多种单一应力状态的组合,同时裂纹的局部扩展方向也在不断地发生变化,因此会导致匹配断口的不均匀应变,产生多种不同形状和匹配组合的韧窝断口。

3)韧窝的尺寸。韧窝的尺寸包括它的平均直径和深度。影响韧窝尺寸的主要因素为第二相质点的尺寸、形状、分布、材料本身的相对塑性、变形硬化指数、外加应力、温度等。

在金属的韧窝断口中,一般最常见的是尺寸大小各不相同的韧窝,如图4-13所示,如大韧窝周围密集着小韧窝的情况。

图4-13 大小不同的韧窝

第二相质点对韧窝的形核有着重要的作用,第二相质点的尺寸和分布对韧窝的尺寸有着很大的影响,一般来说,较大的韧窝中有较大的质点。

金属材料本身的相对塑性以及变形硬化指数的大小直接影响着显微空洞的聚集、连接的方式。通常,变形硬化指数越大的材料越难以发生内缩颈,将生成更多的显微空洞或通过剪切断裂而连接,因此导致韧窝变小、变浅。受材料本身微观结构和相对塑性的影响,韧窝会表现出完全不同的形态和大小。

应变速率和温度通过对材料的塑性和硬化指数发生作用而影响韧窝的尺寸:随温度的增加,韧窝深度增加;对于某些合金,随应变速率的增加,韧窝的直径增加。

应力的大小和应力状态也通过对材料塑性变形能力的影响间接地影响着韧窝的深度。

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