沿晶断裂和解理断裂(沿晶断裂断口特征)

失效分析基础“脆性断口之沿晶断口与解离断口”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)。

1．解理断裂的定义：解理断裂时金属或者合金在外加正应力作用下沿着某些特定低指数结晶学平面（解理面）发生的一种低能断裂现象，一般呈现脆性特征，很少塑性变形，断面呈结晶状，有许多强烈反光的小平面（或小刻面）。

注：解理面：( cleavage plane)是指矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质的平面。解理面一般光滑平整，一般平行于面间距最大，面网密度最大的晶面，因为面间距大，面间的引力小，这样就造成解理面一般的晶面指数较低，如Si的解理面为(111)。

2．解理断裂的微观特征：解离断口的微观特征有解理台阶、河流花样、解理扇形、“舌头”花样、“鱼骨花样”、瓦纳线等，图1为一个典型的解理解断口形貌。

（1）解理台阶（图3）：是两个不同高度的解理面相交时形成的。

（2）河流花样（图4）：解理断口最主要的特征是其线条的形状与水系网格的相似性，根据他们的形状，把这些线条称为河流花样。所谓的“河流”实际上是一些台阶，他们把不同的裂纹连接起来。

（3）解理扇形（图5）： 解理裂纹通过晶界后，在新的晶粒中某一点上生核，从此处开始裂纹扩展到整个晶粒。在这个晶粒内部，河流花样以裂纹源头为中心，以扇形的方式向外扩展，形成解理扇形。

（4）“舌头”、“鱼骨”花样（图6、图7）： 体心立方和密排六方结构金属（金属学及与热处理书中第一章有介绍）中存在着机械孪晶。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西，而形成解理舌花样或鱼骨花样。

（5）瓦纳线（图8）：极脆的材料（如：玻璃）解理断裂断裂时，会出现一种所谓的“瓦纳线”的解理特征。值得注意的是：“瓦纳线”与人字纹花样相似，但其扩展的方向恰恰相反，人字汇聚的方向为裂纹扩展方向。

3. 晶界对解理河流的影响（图9）：解理裂纹从一个晶粒进入到相邻晶粒时（解理裂纹通过晶界），扩展方向会发生变化。当解理裂纹前沿与一倾斜小角度晶界相遇时，河流只是简单改变方向，在相邻晶粒内继续流动。

4.解理断口中各形貌的联系：在晶内低能界面断裂（解理面）→解理面相交（解理台阶）→解理台阶汇聚（河流花样、扇形花样）。

文章来源：机械装备缺陷与失效分析/常州精密钢管博客网等

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