韧性断口的特征和诊断方法

韧性断裂又称为延性断裂、塑性断裂，是指断裂前发生明显宏观塑性变形的断裂。当韧性较好的材料所承受的载荷超过了该材料的强度极限时，就会发生韧性断裂。韧性断裂是一个比较缓慢的过程，在断裂过程中需要不断地消耗能量，伴随着大量的塑性变形。与脆性断裂不同，几乎所有晶体结构的合金在合适的条件下都会发生韧性断裂，如大部分工程构件的过载断裂就是韧性断裂。

由于断裂前有明显的宏观塑性变形，只要对构件进行例行的检查，在失效前人们就能够察觉到，因此韧性断裂在工程上的危害性比脆性断裂要小得多。另外，韧性断裂的机制比脆性断裂要复杂得多，因此研究进展比较缓慢。

1.韧性断口的宏观特征

（1）断口特征三要素 从宏观形貌来看，韧性断口一般分为杯锥状（或双杯状）、凿峰状、纯剪切断口等。其中塑性金属光滑圆试样拉伸杯锥状断口是一种最为常见的韧性断口。这种类型断口通常可分为三个区域，即纤维区、放射区和剪切唇区，也就是所谓的断口特征的三要素，如图4-5所示。

图4-6所示为18Cr2Ni4WA钢光滑圆试样淬火+低温回火拉伸断口。

图4-5 光滑圆试样拉伸断口示意图

图4-6 18Cr2Ni4WA钢光滑圆试样 淬火+低温回火拉伸断口

纤维区：位于断口的中央，是材料处于平面应变状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，属于正断断裂。断口的颜色是断口对光的反射的结果，纤维状断口颜色发暗是由于这种断口表面对光的反射能力很弱（散射能力强）的缘故。

放射区：紧接着纤维区的第二个区域是放射区，纤维区和放射区的交界线标志着裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化。放射区的特征是放射花样，放射线发散的方向为裂纹扩展方向。放射条纹的粗细取决于材料的性能、微观结构及试验温度等。根据放射花样的形态，可分为“放射纤维”和“放射剪切”两种，“放射纤维”的放射元呈纤维状，一般总是直的。“放射剪切”的放射元并不总是直的，若裂纹源偏离试样中心，且放射线很粗时，放射花样就发生弯曲。

剪切唇区：最后断裂的区域形成剪切唇，剪切唇表面较光滑，与拉伸应力呈45°角，属于切断型断裂。它是平面应力状态下发生的快速不稳定扩展。在一般情况下，剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。根据剪切唇的大小及在断口上所占的位置，可分为两种情况，一种情况是断口上只有纤维区和剪切唇区两个区域，这时剪切唇区在断口表面所占的比例较大。裂纹从试样中心的纤维区向外扩展时，裂纹外侧整个区域都有很大的塑性变形。而剪切唇区就在该塑性区中形成。另一种情况是，断口上同时有纤维区、放射区和剪切唇区，剪切唇区与放射区相邻，这时它所占的比例较小。因为裂纹在放射区中快速扩展时，塑性变形限制在裂纹前端很小的区域内，只有当塑性变形区随裂纹扩展临近试样表面时，才形成剪切唇区。当断裂过程相对于试样断口来说完全对称时，剪切唇仅存在于试样断口两侧中的一侧，呈杯状，另一侧呈锥状；当不对称时，剪切唇可能同时存在于断口的两侧。

对于带缺口的圆形拉伸试样，断口三要素的分布与光滑圆形试样不同。试样中心部分，基本上是放射区；纤维区在试样周围形成环状；裂纹源在缺口底部萌生，裂纹扩展方向刚好与光滑试样相反，从周围开始向中心扩展；这类断口基本上无剪切唇，如图4-7所示。

在室温下很纯的金属中，还会出现“双杯状”断口，该断口是全纤维断口，没有放射区和剪切唇区。这是由于纤维区的裂纹单一地沿垂直于轴的方向缓慢扩展，并且在未断区域发生强烈的塑性变形而逐渐形成一个很大的中心空洞。

如果试样的中心没有萌生裂纹，断面收缩率可达到100%，材料会被拉成一个点，形成凿峰状断口。

纯剪切断口也是一种常见的韧性断口，这种断口的平面和拉伸轴呈45°角，断口比较光亮，但断口附近也有明显的宏观塑性变形的痕迹。具有较低抗剪强度的材料（如镁合金、大多数变形铝合金和冷加工钢等）易于产生这种断口。

由上可见，韧性断口的宏观基本特征是：断口附近有明显的宏观塑性变形；断口外貌呈杯锥状，杯锥底垂直于主应力，锥面平行于最大切应力，与主应力呈45°角；或整个断口平行于最大切应力，与主应力呈45°角的剪切断口；断口表面呈纤维状，颜色灰暗。

图4-7 缺口圆试样拉伸断口示意图

（2）断口三要素的分布及应用

1）断口三要素的分布。在通常情况下，金属材料的断口均要出现断口三要素形貌特征，所不同的仅仅是三个区域的位置、形状、大小及分布不同而已。有时在断口上只出现一种或两种断口形貌特征，即断口三要素有时并不同时出现。这是受材质、温度、受力状态等因素的影响。

断口三要素的分布有四种情况：断口上全部为剪切唇区，如纯剪切型断口或薄板拉伸断口等就属于这种情况；断口上只有纤维区和剪切唇区，而没有放射区；断口上没有纤维区，仅有放射区和剪切唇区，如低合金钢在-60℃的拉伸断口；断口三要素同时出现，这是最常见的断口宏观形貌特征。

2）断口三要素在断裂失效分析中的应用。

①裂纹源位置的确定。在通常情况下，裂纹源位于纤维区的中心部位，因此找到了纤维区的位置就可确定裂纹源的位置。另一方法是利用放射区的形貌特征，在一般条件下，放射条纹收敛处为裂纹源位置。

图4-8 人字纹反方向指向裂纹扩展方向

②裂纹扩展方向的确定。在断口三要素中，放射条纹指向裂纹扩展方向。通常，裂纹的扩展方向是由纤维区指向剪切唇区方向。如果是板材构件，断口上放射区的宏观特征为人字纹，其反方向为裂纹的扩展方向，如图4-8所示。需要指出的是，如果在板材的两侧开有缺口，则由于应力集中的影响，形成的人字纹尖顶指向与无缺口时正好相反，逆指向裂纹源。

断口上有两种或三种要素区时，剪切唇区是最后断裂区。

（3）断口三要素的影响因素

1）构件形状的影响。圆形拉伸试样断口三要素中形态及位置的变化，如图4-5、图4-7所示；矩形拉伸试样的变化情况，如图4-9所示，纤维区呈现椭圆形且位于中心部位，放射区的形状往往为人字纹，剪切唇区为矩形框与自由表面相接。

韧性较好的室温冲击断口上往往可见到断口三要素，如图4-10所示。

图4-9 矩形试样拉伸断口示意图

纤维区在缺口中部呈半圆状，放射区呈现半轮辐型，剪切唇区在三侧边缘区域（矩形试样厚度越薄，剪切唇区的面积越大，放射区面积越小）。图4-11为30CrMnMoRE钢淬火+低温回火-40℃冲击断口实物图。

图4-10 冲击断口三要素分布示意图

图4-11 30CrMnMoRE钢淬火+低温回火-40℃冲击断口实物图

2）环境温度的影响。温度对断口三要素的影响比较明显，对于同一材料及相同形状的试样，随着温度的降低，断口上的纤维区和剪切唇区减少，而放射区面积增加。随着试验温度的升高，则出现相反的变化。

3）材料强度的影响。在室温条件下，随着材料强度的增加，纤维区与放射区由大变小，而剪切唇区由小变大，这与一般认为剪切唇区表示延性断裂的看法相反。

2.韧性断口的微观特征

（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。(www.xing528.com)

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4-12 金属韧性断裂最主要的微观形貌特征

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。

3.韧性断口的诊断

断口的诊断就是观察断口的形貌特征（包括宏观和微观），判断断口的性质，找到产生此断口的原因（包括内因和外因），进而深入分析其断裂机理。断口的诊断是预防材料或构件断裂，提出改进或完善措施的前提和基础。

按断口诊断的深度来分，诊断分为断口性质的诊断、断口形成原因的诊断和断口形成机理的诊断，其中断口形成原因的诊断是断口诊断的核心，断口性质的诊断是断口形成原因诊断的前提，而断口形成机理的诊断则是断口形成原因诊断的深入或延伸，三者是一个统一的整体。

（1）韧性断口性质的诊断 断口性质是对断口宏观和微观形貌的描述和判断。

对断口的性质进行诊断，首先应该对断口的宏观形貌有正确的描述。如前所述，韧性断口的宏观特征如下：断口附近有明显的宏观塑性变形；断口外貌呈杯锥状，杯锥底垂直于主应力，锥面平行于最大切应力，与主应力呈45°角；或整个断口平行于最大切应力，与主应力呈45°角的剪切断口；断口表面呈纤维状，颜色灰暗。

用肉眼或借助放大镜或利用体视光学显微镜观察，具备上述特征的断口即为韧性断口。这种基本的分析是相对简单的，但是仅仅对断口的宏观形貌进行简单的描述还是远远不够的。为了更深入地了解断口，需要对断口的微观性质进行诊断。

滑移特征（蛇行滑移、涟波、无特征区）及韧窝是韧性断口的典型微观形貌特征。但是，有上述花样的断口不一定是韧性断口，因为即使在脆性断口中，个别区域也可能产生微区的塑性变形而形成韧窝。因此，用微观形貌特征判断材料是不是韧性断裂时应十分谨慎，只有在大量的视野中观察到大面积的韧窝后，才能诊断为韧性断裂。

由于影响材料的失效模式和断裂特征的因素很多，一般的韧性断裂不一定具备以上全部特征，一般从断口的宏观、微观特征即可以做出判断。金属韧性断口的特征和诊断依据见表4-2。

（2）韧性断口形成原因的诊断 断裂经历裂纹的萌生、扩展直至最终破断阶段，而每一个阶段都与内部的、外部的、力学的、化学的以及物理的等诸多因素有关，同时断裂过程的每一阶段又会在断口上留下相应的痕迹、形貌与特征。可以说，断口的形貌、颜色、表面粗糙度、裂纹扩展路径等均与断裂时的应力状态、环境介质及材料性质有关。对断口进行分析可以反过来推断断裂过程，寻找断裂原因。

表4-2 金属韧性断口的特征和诊断依据

1）对材料塑性的判断。金属材料的塑性是指其断裂前发生塑性变形的能力，是一个宏观的概念。材料塑性变形的方式和大小与它所承受的应力状态、应变速率、温度等有关。一般来说，应力状态越“软”，同一种材料所表现出来的塑性就越大；应变速率越大、温度越低，同一种材料所表现出来的塑性越小。可见，材料的塑性变形大小是相对的，并不是材料的常数。

可以根据断口上纤维区、放射区、剪切唇区三个区域的相对大小，纤维区纤维的长短以及断裂过程中缩颈的大小来估计材料的塑性变形能力。

纤维区所占的面积比例越大，说明材料的塑性越好。在塑性极好的情况下会产生双杯状的全纤维断口，整个断口都是纤维状形貌，没有放射标记和剪切唇，断口的四周边缘处有强烈的塑性变形痕迹。另外还可能只有纤维区和剪切唇区，这也表明材料的塑性很好。上述两种情况下，纤维细长，纤维区颜色发暗，这都是材料塑性好的表现。随着材料塑性的降低，放射区所占的面积比例逐渐增加，相应的纤维区和剪切唇区所占的面积比例减少，同时纤维变短，纤维区颜色变亮。

缩颈是材料塑性变形大小的直接反映，缩颈越大，材料的塑性就越好。塑性极好的材料还会出现凿峰状断口（缩颈到一点断裂）。

由于韧窝的尺寸受材料的硬化指数、塑性变形能力、应力状态、应变速率和温度的影响，因此它反映了材料断裂前塑性变形的大小。韧窝的尺寸越大（平均直径越大，深度越深），材料的塑性就越好。

2）对载荷类型的判断。在各种不同的载荷下，断口表面的形态会有所不同。反过来，可以根据断口的表面形态特征来估计载荷的类型。判断韧性断裂的载荷类型一般根据断口的外形，宏观塑性变形的方式及微观滑移带，或宏观纤维状断口的形态特征及微观韧窝的形状、尺寸来进行。

静拉伸应力造成的韧性断口往往呈杯锥状（圆形试样）或呈45°剪切断口，它的塑性变形是以缩颈的方式表现出来。断口的微观特征是具有大面积的韧窝，纤维区的韧窝一般是等轴的，而剪切唇区的韧窝是稍微拉长的剪切韧窝。因此，一旦发现有缩颈的杯锥状断口或有缩颈的45°方向上的切断断口，就可以判定其载荷为静拉伸载荷。

静压缩应力造成的韧性断口呈45°切断断口形状。

静扭转应力造成的韧性断口与扭转轴呈90°，断口表面通常表现为漩涡状。静扭转断裂的宏观塑性变形为扭角的方式（例如，如果在圆柱体试样表面上做轴向标记，那么这些线会围绕表面做螺旋运动），断口上的纤维沿切应力方向分布。微观形貌为拉长韧窝，匹配断口表面上的韧窝均呈剪切型，但拉长的方向相反，拉长的程度也不尽相同。由于扭转试样表面的应力和应变最大，因此对材料的表面缺陷如表面划伤、焊接缺陷、淬火微裂纹等很敏感，裂纹多从这些位置萌生。

在受静弯曲应力作用的构件中，存在由中性轴分隔开的受拉区和受压区，受拉区表面的应力超过抗拉强度时就会出现韧性断裂。

在冲击弯曲应力的作用下，由于加载速率很快，试样来不及充分的塑性变形，因此塑性变形不是比较均匀地分布在每个晶粒中，而是集中在局部区域。冲击载荷造成的韧性断口与静弯曲韧性断口不同，断口上的纤维成行排列。每行纤维都代表着断裂过程中某瞬间裂纹前沿的位置；每排纤维的法线方向代表着裂纹扩展的方向。断口上通常都有剪切唇区，但剪切唇在整个试样周围是不完整的。表4-3列出了不同加载方式下金属材料韧性断口的特征。

表4-3 加载方式对金属材料韧性断口特征的影响

韧性断裂的模式和原因相结合，分类如下：

根据上述分类，可对韧性断裂模式和原因的特征判据进行分析，见表4-4。化学成分合格与否是对选材牌号而言的；由于设计的原因引起的韧性断裂虽然材料的化学成分和显微组织是符合设计选材牌号的，但它的力学性能（如强度不够）不合格，这属于选材的失误。而材料的化学成分、显微组织和力学性能均不符合设计的要求是由于混料造成的。对于工艺原因和环境原因造成的韧性断裂，虽然材料的化学成分是符合设计要求的，但它们的显微组织和力学性能均不合格，前者是由于热处理不合格造成的，而后者是由于使用过程中如高温软化造成的，显微组织中有软化相存在。

表4-4 韧性断裂模式和原因的特征判据

造成韧性断裂的共同原因是构件所承受的应力超过了材料的强度极限（如抗拉强度）。之所以造成这种情况，可以是设计的原因，或是材质的原因，或是工艺的原因，或是使用的原因，而诊断到底是什么原因造成的韧性断裂，则要通过对化学成分、显微组织和力学性能的对比分析来确定。

4.韧脆转移现象

金属材料的低温脆性及韧脆转移是一个非常重要的现象。

低温脆性的评定指标（即韧脆转移温度判据）对于低温结构设计和选材是很关键的，是防止低温脆断的重要依据，对工程实践有着重要的指导意义。温度、应力和应力集中是造成低温低应力脆断的条件，对于在不同服役条件下工作的构件，应有不同的指标作为低温脆性的判据。

人们根据低温拉伸试验、系列冲击试验、落锤试验、宽板拉伸试验、低温爆破试验等手段考察材料的断裂性能与温度的关系，并提出了相应的韧脆转移温度判据。其中，系列温度冲击试验是最为常用的方法。缺口冲击试样的断口一般存在三个区域，如图4-14所示，即纤维区、放射区和剪切唇区，三个区域的相对比例和分布取决于材料的塑性。通常裂纹源位于缺口根部的中段亚表面处，对塑性较好的材料，裂纹沿两侧和深度方向稳定扩展，形成中部突进式的纤维区，然后失稳扩展成放射区，最后形成剪切唇区。由于试样的无缺口侧承受压缩应力，应力状态较软，有时在该处还会出现二次纤维区。如果材料的塑性好，则整个断口可能只有纤维区和剪切唇区。如果材料的塑性很差，则二次纤维区消失，甚至观察不到剪切唇区，整个断口几乎都为放射区。

图4-14 缺口冲击试样的断口