【斷口賞析】你的韌窩沒有酒，我卻醉得像條狗！

06-11

1、韌窩斷口簡介

在微孔聚集型斷裂的斷口上，覆蓋著大量顯微微坑，稱為「韌窩"。韌窩是金屬塑性斷裂的主要微觀特徵。它是材料在微區範圍內塑性變形產生的顯微空洞，經形核、長大、聚集最後相互連接而導致斷裂後，在斷口表面上所留下的痕迹。

韌窩的形狀主要由所受的應力狀態所決定，一般可以出現三種不同形狀的韌窩花樣：正交韌窩、剪切韌窩、撕裂韌窩。

韌窩的大小包括平均直徑和深度，用韌窩寬度和深度來度量。影響韌窩大小的主要因素從材料方面講為第二相的大小、密度、基體的塑性變形能力、形變硬化指數等，從外界條件講與應力大小和載入速率有關。一般在斷裂條件相同時，韌窩尺寸越大，表示材料的塑性越好。

2、韌窩斷口賞析

圖為TC4(Ti-6Al-4v)鈦合金在500℃和700℃的高溫拉伸斷口形貌，在500℃時斷口中的韌窩為普通的形貌特徵，然而在700℃測試試樣的斷口出現了大量顆粒狀的形貌特徵。700℃時斷口中顆粒形貌特徵產生的可能原因：鈦合金出現明顯氧化的溫度在600℃左右，這也是限制鈦合金應用溫度不能超過600溫度的主要因素之一。TC4實際應用在400℃以下，但是要研究超塑性或做超塑性成形，總是要超過600℃的。700℃拉伸斷口總要考慮氧化因素了。（來源：小木蟲）

DP780雙相鋼不同應變速率下的拉伸斷口形貌(a)0.001/s；(b)0.01/s；(c)0.067/s；(d)1/s；(e)10/s；(f)100/s；(g)500/s；(h)1000/s。較低應變速率(0.001~0.067/s)條件下，韌窩在塑性變形階段得到充分長大，形成大量韌窩；隨應變速率增加，斷口韌窩未見明顯變化。當應變速率>1/s時，斷口韌窩越來越不均勻，韌窩尺寸差別較大，大尺寸韌窩深度亦明顯增加，斷口起伏程度增大；還能觀察到越來越多的孔洞。(來源：Li S, et al. J Mater Eng Perform. 2015(24):2426-2434.)

DP600/DP980異種金屬激光焊後的拉伸斷口形貌，拉伸速率1×10?2 s?1, (a)斷口中心區域，(b)接近試樣表面的斷口。(來源：Farabi N, et al. J Alloy Compd. 2011(509):982-989.)

AZ31B 鎂合金在應變速率1×10-3s-1不同變形溫度下的斷口形貌。a)100 ℃；b)200 ℃；c)300 ℃。可以看出, 在較低的變形溫度100 ℃時, 韌窩很淺, 也很少。隨著溫度的升高, 到200 ℃時, 斷口出現了大量韌窩, 且韌窩明顯加深, 韌窩周圍存在著非常明顯的較薄的撕裂棱, 表現出非常典型的韌窩聚合型延性斷裂的特徵。在變形溫度到300 ℃時, 沿晶斷裂的特徵很明顯, 且晶界滑移引起的晶間微小空洞連接成較大的空洞而導致斷裂的發生。這說明, 由於鎂合金的密排六方晶體結構, 在較低的溫度時, 其變形主要受位錯運動控制, 隨著溫度升高, 原子擴散能力增強, 受擴散控制的晶界滑移逐漸取代了位錯運動, 並開始主導AZ31B 鎂合金的變形過程。(來源：楊東峰等，塑性工程學報，2011,2(18):76-80)

T6 狀態下時效不同時間AA2024 合金樣品斷口的較低倍和較高倍SEM 像：(a)(b)欠時效5 h；(c)(d)峰值時效18 h；(e)(f)過時效48 h。可見斷裂機製為混合型，隨時效狀態不同，各種機制存在競爭關係。欠時效狀態下斷口形貌主要由沿晶界的粗大棱條狀裂紋、穿晶的韌性剪切撕裂紋以及粗大第二相(約10 μm)脆斷形成的韌窩構成，並以前兩種特徵最多。峰值時效狀態下的斷口形貌主要由沿晶界的粗大裂紋和粗大第二相脆斷孔坑構成，並以前一種特徵為最多。同樣的，這些粗大的裂紋被成片的韌窩連接起來。韌窩的尺寸和內部結構與欠時效狀態樣品情況幾乎相同。過時效狀態下，合金的斷口形貌與其它狀態相比有較大不同，主要由粗大第二相脆斷形成的孔坑、成片的韌窩及少量沿晶斷裂特徵構成。韌窩數量明顯增多但深度較淺，小韌窩尺寸也有所減小，平均為0.5 μm，同時，密度增加。韌窩數量和密度的增加，說明了裂紋源的增加有利於降低樣品斷裂前所需消耗的塑性變形能，增加裂紋擴展速度，從而得到較低的UPE 值。(來源：尹美傑等，中國有色金屬學報，2015,25(12):3271-3281)

X90管線鋼母材和焊縫試樣在空氣中的拉伸斷口形貌。可以看出，母材試樣的頸縮現象較焊縫試樣的更為明顯，前者的拉伸斷口上呈現大而深的等軸韌窩，而後者斷口上則是微孔洞與小韌窩相間而生，斷口存在蛇形滑移特徵，表現為典型的韌窩微孔型韌性斷裂特徵。這是由於材料內部存在的位錯在拉伸過程中於晶界、相界和缺陷等處形成位錯塞積群，在應力集中處誘發微孔洞萌生和長大，從而導致發