解理断裂的微观特征

解理断裂的微观特征。

单晶的解理断口应该是原子尺度光滑的,是没有任何特征的。低倍观察这些面也是极为平坦的镜面。然而,即使是纯金属的单晶也存在晶格缺陷,这些缺陷导致解理裂纹扩展发生偏差进而产生了断口形貌。同时,解理裂纹可能在多个位置生核,这样解理裂纹就在不同的平面上甚至是在同一类型的平行平面上扩展,如果裂纹沿着两个平行的解理面扩展,则在两者交界处形成台阶,这在断口上也能够得到反映。

解理断口的微观特征有解理台阶、河流花样和“舌头”花样等。

解理台阶。解理台阶是两个不同高度的解理面相交时形成的。解理裂纹与螺位错交截以及次生解理、撕裂是形成解理台阶的两种主要方式。

河流花样。解理断口最主要的特征是其线条的形状与水系网络的相似性,根据它们的形状,把这些线条称为河流花样。它们的产生源于裂纹扩展并不局限在单一的平面内,而是偏离一个平面跑到邻近的平面上去了,或者这些解理面碰到组织缺陷而分离成若干部分,最终的结果是出现一系列平行且同时扩展的裂纹,这些裂纹通过它们之间的金属条带的断开面相互连接。因此,所谓“河流”实际上是一些台阶,它们把不同裂纹连接起来。

形成台阶会消耗掉一定数量的额外能量,因此河流花样会趋于合并,河流花样从支流汇合成主流,这样一来,河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。逆流而上就能找到断裂起始区。

在多晶体中,由于晶粒的取向不同,当解理裂纹从一个晶粒进入到相邻晶粒时(也就是说解理裂纹通过晶界时),扩展方向会发生变化。

晶界会使解理断口呈现更复杂的形态。当解理裂纹前沿与一倾斜型小角度晶界相遇时,河流只是简单地改变方向,在相邻晶粒内继续“流动”。这是因为小角度倾斜晶界是由同号刃型位错垂直排列而成,裂纹与刃型位错相交并不引起台阶的增减。

当解理裂纹前沿与一扭转型小角度晶界相遇时,河流会激增。这是因为扭转晶界是由大量的螺位错组成,当裂纹穿过晶界时,与大量的螺位错交割,使台阶激增而形成大量的河流。

当解理裂纹扩展到大角度晶界(大多数晶界属于大角度晶界)时,由于晶界结构复杂,两晶粒之间缺乏连续性,晶粒之间的位向差又很大,这些都使解理裂纹无法连续通过,这时裂纹需重新生核进而扩展,因此有可能在新的晶粒中出现大量的河流,而且河流台阶的高度差很大,也有可能使原有的河流消失。

另一种可能是解理裂纹通过大角度晶界后形成解理扇形。解理裂纹通过晶界后,在新的晶粒中某一点上生核,从该处开始裂纹扩展到整个晶粒。在这个晶粒内部,河流花样以裂纹源为中心。以扇形的方式向外扩展,形成解理扇形。

舌状花样和鱼骨状花样。在体心立方和密排六方结构金属中存在着机械孪晶,或者是更常见的情况——在变形过程中生成孪晶。裂纹前沿遇到孪晶时,会以孪晶和基体分离的方式而偏离原来的扩展方向,结果是形成舌状花样。解理舌也是解理断裂的典型特征之一。裂纹前沿和孪晶相互作用有时会产生另外一种花样——鱼骨状花样。

瓦纳线。极脆的金属解理断裂时,会出现“瓦纳线”(根据第一位描述玻璃材料断裂图像的作者命名)的解理特征。“瓦纳线”与宏观人字纹花样相似,但其扩展方向恰恰相反。它是一组很清晰的台阶,是在裂纹快速扩展中,裂纹尖端与某一缺陷相遇时发射出的弹性波与裂纹前沿相交的轨迹。玻璃、陶瓷等脆性材料在快速扩展过程中,经常会出现这种特征形貌。

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