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失效分析基础 “脆性断口之沿晶断口” 详解

1. 沿晶断裂的定义:沿晶断裂是指金属材料中的裂纹沿晶界扩展而产生的一种断裂。当沿晶断裂断口形貌呈粒状时又称晶间颗粒断裂。多数情况下沿晶断裂属于脆性断裂,但也可能出现韧性断裂,如高温蠕变断裂。当金属或合金沿晶界析出连续或不连续的网状脆性相时,在外力的作用下,这些网状脆性相将直接承受载荷,很易于破碎形成裂纹并使裂纹沿晶界扩展,造成试样沿晶界断裂,它是完全脆性的正断。

2.沿晶断裂产生原因:在一般情况下,晶界的结合力高于晶界内的结合力,晶界是强化因素。但如果热处理不当或环境、应力状态等因素使晶界被弱化成裂纹扩展的优先通道,材料就会被发生沿着晶界断裂。


产生沿晶断裂一般有3种原因:


(1)晶界上有脆性沉淀相。如果脆性相在晶界面上覆盖得不连续,例如AIN粒子在钢的晶界面上的分布,将产生微孔聚合型沿晶断裂;如果晶界上的脆性沉淀相是连续分布的,例如奥氏体Ni-Cr钢中形成的连续碳化物网状,则将产生脆性薄层分裂型断裂。


(2)晶界有使其弱化的夹杂物。如钢中晶界上存在P、S、As、Sb、Sn等元素。


(3)环境因素与晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化,例如高温蠕变条件下的晶界弱化,应力腐蚀条件下晶界易于优先腐蚀等,均促使沿晶断裂产生。

3.沿晶断裂的扩展路径(图1):沿晶断口的形貌取决于材料本身晶粒的形状。



4.沿晶断口的分类:

(1)按断口表面形态分类:

a、常见的沿晶分离(图2):断口呈现不同程度的晶粒多面体外形的岩石状花样或,晶粒明显,且立体感强,晶界上多显示光滑无特征形貌。

b、沿晶韧窝断口(图3):断口表面的晶界上有大量的小韧窝,这是晶界显微空洞生核长大连接的结果。

(2)按产生晶间脆性的原因分类(介绍常见的3种):

a、和热偏析有关的沿着晶断口,如回火脆断口(图4);

b、由晶间沉淀相诱发的沿晶断口(图5);

c、由于环境介质作用造成的沿晶断口,包括:

a)应力腐蚀沿晶断口(图6)

b)氢脆沿晶脆性断口(图7)

c)低熔点金属脆性沿晶断口(图8)

9)蠕变沿晶断口(图9)。




文章来源:机械装备缺陷与失效分析



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