机械装备失分析小课堂——韧性断口小档案

    断口是断裂过程信息的承载体，断口征是构件所经受的应力、环境、材料三要素综合作用的结果。构件的材料不同、经受的环境条件不同、承受的载荷不同，断口表现出来的征也不同。
 
    今天的小课堂，就让我们起来了解下韧性断口吧！
 
    韧性断口的三要素
    韧性断裂的种典型断口是拉伸试样的杯锥状断口，杯部较粗糙，呈纤维状，锥部区域呈浅灰色，比较光滑区，并与杯部成45°角。
    金属光滑拉伸试样断口上通常有三个宏观征区域，即图1（a）所示的纤维区、放射区和剪切唇区，图1（b）为拉伸试样的实际断口形貌，断口中间区域为纤维区，外圈为剪切唇，两者之间为放射区，存在向外呈放射状的微裂纹。
    通常情况下，金属材料的断口上均会出现这三种形貌征，但三个区域的位置、形状、大小及分布各有不同。有时在断口上只出现种或两种，即断口三要素有时不同时出现，这和材料的种类、强度或硬度高低、环境温度、受力状态等因素有关。
    断口上纤维区较大表明材料的韧性较好，放射区增大表明材料的韧性降低，脆性增大。对于脆的材料，几乎不存在纤维区。     图1(a)断口三要素示意图，(b)实际光滑拉伸试样断口形貌
    断口三要素在断口分析中的应用
    1）判断断裂源位置
    在通常情况下，正应力作用下的韧性断裂源区位于纤维区的中心部位，因此找到了纤维区的位置就可以确定断裂源的位置；另种方法是利用放射区的形貌征进行判断，在般情况，放射条纹收敛处为裂纹源位置。
    2）判断裂纹的扩展方向
    通常裂纹的扩展方向是由纤维区指向剪切唇区方向，在放射区的放射条纹指向裂纹扩展方向。如果是板材零件，断口上放射区的宏观征为人字条纹，其反方向为裂纹的扩展方向。
    断口上有两种或三种要素区时，剪切唇区是断裂区，般和剪切唇相对的位置就是断裂源区。图2是个铸铝构件失断口，根据断口上放射纹的指向可判断断口上存在两个源区，分别位于两个凸出的筋表面。
 
    图2 裂纹扩展方向和裂纹源判断
    韧性断口的微观征
    韧性断口微观形态主要为韧窝。构件受到的应力类型不同，断口上的韧窝形貌也不同。     图3为裂纹三种张开类型和受力情况，Ⅰ型裂纹的微观征为正韧窝，见图3（d），Ⅱ、Ⅲ型裂纹的微观征为剪切韧窝，见图3（f）。
    韧窝也称微坑，其大小与形核数量、材料韧性、环境温度，以及应变速率有关；材料韧性好、夹杂或二相粒子少、环境温度高、应变速率慢则韧窝尺寸较大；反之则韧窝尺寸较小。
    夹杂物或二相粒子是韧窝（微坑）的形核位置，它们的大小及密度决定了韧窝的大小，但并不是所有的夹杂物都是形成微坑的核心，在图4（d）中几个较大的韧窝才观察到夹杂物，而在图4（e）中大多数微坑中都存在夹杂物颗粒。     图3(a)、(b)、(c)裂纹的三种张开形式，
    (d)正韧窝，(e)韧窝中的二相颗粒，(f)剪切型韧窝
    今天的小课堂，我们为大家详细的介绍了韧性断口的相关资料，下周，我们将继续为大家介绍断口方面的知识，咱们下周再见啦~大家周末愉快！