4.3.2.1 韧性断口
韧性断口的宏观形貌特征是呈纤维状和剪切唇。
1.纤维状形貌特征 纤维状形貌是韧性断口最突出的标记，纤维区在光滑圆形拉伸试样断口的中央部位。一般情况下，纤维状呈现凹凸不平及灰暗色的宏观外貌。
纤维状形貌特征不仅在拉伸断口中出现，也会在冲击断口中出现。通常，冲击断口在缺口处呈半圆形区域；塑性较好的材料，往往在冲击断口中可能出现两个纤维状区域。
2.剪切唇形貌特征 剪切唇为倾斜断裂面。一般情况下，剪切唇与拉伸轴成45°角。剪切唇形貌较光滑，与鹅毛状近似，往往在断口的边缘出现，是构件断裂最后分离的部位。
4.3.2.2 解理断口
解理断口为脆性断口，断裂时不产生或产生较小的宏观塑性变形。解理断口的两个最突出的宏观特征是小刻面和放射状条纹。
1.小刻面 解理断口上的结晶面，在宏观上呈无规则取向，当断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。一般称这些发光的小平面为“小刻面”，即解理断口是由许多“小刻面”所组成的。根据这个宏观形貌特征，很容易判别解理断口。
2.放射状或人字条纹 解理断口的另一个宏观形貌特征是具有人字条纹或放射状条纹，如图4-26所示。图中的箭头指示处为裂纹源，在裂纹源附近的宏观断口形貌为放射状条纹，其两侧的宏观断口形貌均为人字条纹。人字条纹指向裂纹源，其反向即倒人字条纹方向为裂纹的扩展方向。因此，可根据人字条纹的取向，很容易判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。放射状条纹的收敛处为裂纹源，其放射方向为裂纹的扩展方向。另外，其他断口也可能出现放射状或人字条纹形貌。
图4-26 低温钢板脆性断口形貌特征
4.3.2.3 疲劳断口
疲劳断口由平滑的疲劳断裂区和凸凹不平的最终断裂区组成。疲劳断裂区域的“晶粒”比较细小，有时呈现一种发亮的研磨面。最终断裂区（也称为瞬断区）在韧性金属中为纤维状，而在脆性金属中则为粗糙的结晶状。疲劳断裂区是疲劳裂纹渐进式扩展，即裂纹缓慢扩展形成的，而最终断裂区（即静载断裂区）则是裂纹快速扩展，在一个或几个载荷循环内使构件完全断裂而形成的。疲劳断口的这两个区域可以从宏观上明显地看出，如图4-27所示。
下面仅就这两个区域以及疲劳断口上的最突出的宏观标记来叙述其宏观形貌特征。
1.平滑区 严格地讲，疲劳的平滑区包括疲劳裂纹的萌生及扩展两部分。但在一般情况下，疲劳断口上的疲劳裂纹萌生部分不太明显，区域较小（0.10～0.25mm范围），宏观上不易分辨出来。这里讲的平滑区仅指疲劳裂纹的稳定扩展区域。
（1）疲劳裂纹扩展方向。平滑区是裂纹缓慢扩展形成的，通常呈脆性的细瓷状宏观外貌。裂纹扩展方向与最大拉应力方向垂直，在平滑区中用肉眼或放大镜观察时，可以观察到“年轮”或称“贝壳状”、“海滩状”等宏观标记。年轮线与裂纹方向垂直，根据年轮条纹的变化，可以判别裂纹的扩展方向及裂纹源位置。
有时在疲劳断口的平滑区上分布着很多疲劳台阶或放射状条纹，它们所指引的方向，均表示裂纹的局部扩展方向。
图4-27 疲劳断口宏观外貌特征
（2）磨光标记。由于机械零部件的疲劳断口常常是在运行过程中形成的，因此两个断面在运行过程中相互摩擦很严重，往往在平滑区中出现磨光的宏观特征，特别是在裂纹源附近，其磨光的程度更为突出。
（3）疲劳扩展区的颜色。疲劳裂纹扩展区与最终断裂区相比，前者形成时所需的时间比后者长，加之疲劳裂纹源常常在表面或次表面形成，因此疲劳裂纹扩展区常与外界相通。断口表面受到空气、水、水蒸气及其他介质的氧化或腐蚀，以致在断口上常呈现黑色或褐色。
有时疲劳裂纹扩展区无明显颜色，这表示裂纹与外界相隔绝，空气、水等介质未能进入裂纹腔体。这时的疲劳源，常在表面或表面之下。
（4）疲劳台阶。在多源疲劳断裂中，各个裂纹源不是在同一个平面上。随着裂纹的扩展，裂纹连接时，在不同平面之间的连接处形成台阶、折纹等标记。台阶愈多，表示材料所受的应力或应力集中愈大，疲劳源的数目愈多。裂纹源附近的疲劳台阶通常称为一次疲劳台阶，其他的称为二次疲劳台阶。
（5）“棘轮”标记。对于一些轴类构件，多源疲劳断口的台阶常构成“棘轮”标记，它表示所受的扭转应力或应力集中较大。
2.“年轮”条纹 疲劳“年轮”，又称为“贝壳状”或“海滩状”条纹，它是疲劳断口最突出的宏观形貌特征。如果在宏观断口上观察到“年轮”条纹，就可判为疲劳断口，如图4-27所示。
（1）“年轮”的产生。“年轮”表示裂纹前沿在间歇扩展时的依次位置，它是机器在开车、停车或负荷变动较大时造成的，故“年轮”也称为疲劳“前沿线”。轮纹间尺寸较大，用肉眼或放大镜就可以看到。在实验室试验的试样中，往往不出现或出现很少这种宏观条纹，因为此时在裂纹扩展过程中并无大的干扰存在。(www.xing528.com)
（2）“年轮”的形状。若“年轮”条纹绕着裂纹源成为向外凸起的同心圆状，表示材料对缺口不敏感（如低碳钢）；相反，若围绕裂纹成凹杯状时，则表示材料对缺口敏感（如高碳钢）。“年轮”之所以形成凸状或凹状，是由于疲劳裂纹在材料的外缘和内部的扩展速率不相同所致。例如，对缺口敏感的材料，裂纹沿外缘的扩展速率较内部为大，故“年轮”形成凹杯状，如图4-28a所示。对于缺口不敏感的材料，外缘的扩展速率较内部小，故“年轮”围绕裂纹源呈现同心圆，如图4-28b所示。
图4-28 疲劳“年轮”形状与材料缺口敏感性的关系示意图
a）缺口敏感的材料 b）缺口不敏感的材料
此外，材料的热处理状态、受力状态、晶粒大小及环境介质等，对疲劳裂纹扩展速率均有一定的影响。
（3）“年轮”的变化。若“年轮”的间距是规则的，则表示所受应力的变化是规则的；若“年轮”的间距不规则，则表示所受应力的变化也不规则。“年轮”间距较小时，表明材料较韧，疲劳裂纹扩展速率较缓慢。“年轮”在软的材料中容易出现，而在硬的材料中则不大容易出现。
另外，应力状态也会改变“年轮”的形态，例如拉-压疲劳，疲劳源及“年轮”仅在一侧产生及扩展，而在反复弯曲应力作用下的疲劳断裂，疲劳源及“年轮”可能在两侧产生及扩展。
3.最终断裂区 它是由于疲劳裂纹扩展到一定程度，使截面缩小，材料强度不够所引起的瞬时超载断裂造成的。它具有裂纹快速断裂特征，断口形貌凸凹程度较大。此区域有时称之为瞬时断裂区，简称为瞬断区或静断区。
（1）瞬断区的大小。疲劳断口的瞬断区由纤维状、剪切唇及放射状三个部分组成。瞬断区的大小取决于载荷的大小、材料的优劣及环境介质等因素。在通常情况下，瞬断区面积较大时，表示所受载荷较大或材料较脆；相反，瞬断区面积较小时，表示载荷较小或材料韧性较好。
（2）瞬断区的位置。瞬断区的位置越处于断面中心部位，表示所受外力越大；瞬断区的位置若处于自由表面，则表示构件所受外力较小。此外，瞬断区的位置还与应力状态有关。
（3）瞬断区的形貌特征。疲劳裂纹的瞬断区处于疲劳裂纹的失稳断裂阶段。因此，瞬断区的形貌特征在通常情况下，具有断口三要素的全部形貌特征。不过，有时断裂条件发生变化，断口三要素也要发生变化，可能只出现一种或两种形貌特征。其中，应力状态对瞬断区形貌的影响更为显著。
4.3.2.4 环境介质断裂
环境介质断裂主要是指金属材料在应力和腐蚀介质、温度、环境等联合作用下，产生沿晶或穿晶脆性断裂的现象。经常接触到的环境断裂有腐蚀疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等。不同类型的断裂有各自的断口特征。
1.腐蚀疲劳断口 腐蚀疲劳断口的形貌特征与一般疲劳断口形貌相类似，不同的是由于腐蚀环境的影响，形成了一些独特的形貌。在断口上既能观察到疲劳断口的形貌特征，同时又能观察到腐蚀或应力腐蚀断口的形貌特征。
（1）腐蚀疲劳的裂纹源多起源于材料表面上的腐蚀坑或表面缺陷处。在裂纹源附近可能存在着几个腐蚀坑，即腐蚀疲劳均为多源疲劳。
（2）腐蚀疲劳断口的二次裂纹较多，且在腐蚀坑的底部能看到较集中的二次裂纹分布情况。
（3）腐蚀疲劳断口有沿晶断裂，也有穿晶断裂或混合断裂的形貌。
（4）由于受介质的影响，腐蚀疲劳断口的条纹会腐蚀溶解，因此断口上的条纹呈模糊状。
2.应力腐蚀断口 应力腐蚀断裂是在一定的腐蚀环境和一定的拉应力作用下引起的早期脆性断裂，其断口称为应力腐蚀断口。
应力腐蚀裂纹源常常发生于金属材料的表面，由于化学腐蚀作用往往在裂纹源处形成腐蚀坑。在一般情况下，应力腐蚀裂纹源经常是多源的，这些裂纹在扩展过程中发生合并，形成台阶或放射状条纹。裂纹的扩展部分具有明显的放射条纹，其汇聚处为裂纹源，其放射方向为裂纹的扩展方向，如图4-29所示。
图4-29 某电站厂汽轮机叶片应力腐蚀开裂的宏观断口外貌
3.氢脆断裂 材料中由于含氢较高而引起的断裂称为氢脆。氢脆断裂方式可能是穿晶的，也可能是沿晶的。氢脆本身不是一种独立的断裂机制，氢的存在往往有助于某种机制的断裂，如氢引起的解理断裂或沿晶断裂等，如图4-30所示。一般情况下，钢材在环境介质的作用下吸收氢，将产生沿晶脆性断裂；而在冶金过程中吸收氢，将产生穿晶脆性断裂。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
