微孔洞汇聚及其韧性破坏机理分析

由微孔洞汇聚或滑移面分离引起的断裂为韧性断裂。

金属材料的韧性断裂一般是以第二相粒子为起点，经微孔洞成核、长大、汇聚而形成的。断裂过程可分为以下三个阶段。

（1）微孔洞形成：当外载荷达到一定大小时，在金属中强度较低的夹杂物或第二相粒子中，或它们与基体的界面处首先开裂，形成孔洞。

（2）裂纹形成：随着塑性变形的增大，微孔洞逐渐长大并相互汇合，形成裂纹。

（3）裂纹扩展：裂纹与前方的孔洞汇合，逐步向前发展，最终形成断裂面。

在韧性断裂的断口处有大量小坑，称为塑坑或韧窝（dimple），在韧窝底部常可以观察到夹杂物或第二相粒子。韧性断裂面上有大量韧窝，说明材料在此局部区域内曾发生过剧烈的剪切变形（见图6-11）。

图6-11　韧性断裂面上的韧窝

（a）钛合金（×3000×5/10）；（b）高韧度铜（×3000×5/10）

韧窝内部是非金属第二相粒子，在第二相粒子周围产生微孔洞，随材料整体塑性变形的增大，微孔洞长大、汇聚，最后形成断面。第二相粒子的尺寸或分布具有不规则性，因此，韧窝大小也具有分散性。微孔洞成核后，在应力作用下逐渐长大和聚合。微孔洞有两种汇聚模式。一种模式如图6-12（a）所示，随着微孔洞长大，微裂纹与微孔洞之间的材料体积缩小，形成“内颈缩”。内颈缩发展到一定程度时，裂纹尖端与长大了的相邻微孔洞相连。裂纹依次和前方微孔洞聚合，于是裂纹扩展。另一种扩展模式是裂纹尖端与微孔洞之间（或微孔洞与相邻微孔洞之间）的材料快速剪切裂开，使裂纹与微孔洞（或微孔洞与微孔洞）相连，如图6-12（b）所示。

图6-12　微孔洞汇聚的两种模式

韧性断裂是切应力和正应力共同作用的结果，前者促使材料中产生某种缺陷，而后者使缺陷在变形中逐渐形成微孔洞，微孔洞长大并汇聚，最终导致断裂。

韧窝形状取决于应力状态，与第二相粒子本身关系不大。单向拉伸引起拉伸断裂时，韧窝为球状（见图6-13（a））。当破坏为剪切断裂时，韧窝呈椭球状（见图6-13（b）），这种韧窝称为剪切韧窝（shear dimple）。在缺口底部或裂纹底部，宏观断裂受σ1支配，局部受多轴应力约束的影响（σ2≠σ3），韧窝也为椭球状（见图6-13（c）），这种韧窝称为撕裂韧窝（tear dimple）。所以由韧窝形状可以大致推测应力状态。(www.xing528.com)

图6-13　应力状态与韧窝形状

以下从位错理论的观点考察微孔洞形核的机理（见图6-14）。

当第二相粒子相对基体较硬时，在第二相粒子周围会产生多重同心圆位错环，如图6-14（a）所示。从一个断面看，第二相粒子两侧分别塞集符号相反的刃型位错，如图6-14（b）所示，位错塞积引起的应力集中要么使粒子本身断开，要么使粒子和基体界面发生剥离，随后更多位错流入剥离后的空隙，形成微孔洞，如图6-14（c），实际情况可能是有多个滑移面参与，如图6-14（d）、图6-14（e）所示。

图6-14　微孔洞形核

材料屈服后，在继续发生塑性变形的过程中，在第二相粒子周围，滑移局部阻塞而形成微孔洞，即韧性破坏过程中，微孔洞的形成并不要求滑移完全停止。而解理裂纹的形成需要滑移完全被阻止。这种差别就导致脆性断裂与韧性断裂塑性变形量的差别。第二相粒子周围的微孔洞在以后的塑性变形过程中不断长大，孔洞之间发生汇聚，导致最终断裂。

韧性材料的光滑圆棒试样在拉伸时，发生杯锥状断裂。其断裂过程（见图6-15）说明如下。

图6-15　韧性断裂过程

随着载荷的增大，塑性变形加剧，试样中心部位处于三轴拉伸应力状态，这是塑性约束的作用效果，如图6-15（b）所示。中心部位三轴拉伸应力状态促进此处微孔洞的长大与汇集，形成大致为币状的宏观裂纹，如图6-15（c）所示。裂纹与其他孔洞汇聚扩展，在接近试样表面时，塑性约束消失，裂纹沿最大切应力方向（即45°方向）扩展，导致试样最终断裂，如图6-15（d）所示。对于薄板试样，塑性约束很小，宏观断裂形态一般为剪切型。另外，对于韧度较小的材料，塑性约束效应也较小，中心部位三轴拉伸应力状态不易出现，因而多以表面缺陷为起点产生破坏。微孔洞汇聚断裂的破坏机理和解理断裂一样，都是裂纹扩展导致的。

高纯度金属中的第二相粒子极少，微孔洞不易形成，断裂宏观上表现为刀尖状断裂，其机理是滑移面分离（见图6-16）。这虽然是一种极端的情况，但这种破坏机理可用于说明一般韧性断裂过程。孔洞之间的材料可视作高纯度材料，这部分材料的断裂通过与图6-16类似的机理来实现，其结果是形成微孔洞汇聚（内部颈缩）。

图6-16　刀尖状断裂