電鏡下看金屬拉伸斷裂過程,理解金屬斷裂失效機理

​先看一個頭發的拉伸斷裂視頻:

是不是第一次見?微觀的世界足夠震撼的。


拉伸試驗是一種常用的分析方法,可以提供有關物體彈性的信息,以及物體受到壓力或拉力時產生的阻力。這種測試可以對多種材料進行分析,分析材料受力時變化行為。


拉伸試驗的主要目的是評估相關參數(比如楊氏彈性模量)或研究剪切應力如何影響材料性能。拉伸試驗可以幫助研究人員創建模型並研發更好的材料。但怎麼能看到拉伸試驗的過程呢?

↑↑Phenom XL 拉伸臺 - 金屬拉伸斷裂試驗


金屬斷口

金屬斷口通常是一個凹凸不平的粗糙面,而且是塊狀樣品,取樣容易,在掃描電鏡的樣品倉中可進行傾斜旋轉多角度觀察,因此掃描電鏡非常適合斷口分析。


下面,對於典型的金屬斷口形貌作一些簡單的介紹:


對於不同斷裂機制形成的斷口,其微觀結構各有獨特的形貌特徵,一般將其分為兩大類:


  • 一類伴隨著明顯塑性變形的延性斷口
  • 另一類是幾乎不伴隨塑性變形而斷裂的脆性斷口


金屬多晶材料的斷裂,通過空洞核的形成、長大和相互連接的過程進行,這種斷裂稱為韌窩斷裂(dimple fracture)。韌窩斷裂是屬於一種高能吸收過程的斷裂,是延性斷裂中的一種。


如圖 1 所示,其斷口特徵為:宏觀形貌呈纖維狀,微觀形態呈蜂窩狀。斷裂面是由一些細小的窩坑構成,窩坑實際上是長大了的空洞核,通常稱為韌窩,它是韌窩斷裂的最基本形貌特徵和識別韌窩斷裂機制的最基本依據。


韌窩的尺寸和深度與材料的延展性有關,而韌窩的形狀也同受到的破壞應力有關。因此,對於斷口面上吻合部位的韌窩幾何形狀、尺寸和深度進行分析,就可以確定斷裂時所在部位的應力狀態和裂紋擴展的方向,並可對材料的延展性進行評價。

電鏡下看金屬拉伸斷裂過程,理解金屬斷裂失效機理

圖 1 金屬韌窩狀斷裂


沿晶脆性斷裂是指斷裂路徑沿著不同位向的晶界(晶粒間界)所發生的一種屬於低能吸收過程的斷裂。根據斷裂能量消耗最小原理,裂紋的擴展路徑總是沿著原子鍵合力最薄弱的表面進行。


晶界強度不一定最低,但如果金屬存在著某些冶金因素使晶界弱化(例如雜質原子 P、S、Si、Sn 等在晶界上偏聚或脫溶,或脆性相在晶界析出等),則金屬將會發生沿晶脆性斷裂。


沿晶脆性斷裂的斷口特徵是:在宏觀斷口表面上有許多亮面,每個亮面都是一個晶粒的界面。如果進行高倍觀察,就會清晰地看到每個晶粒的多面體形貌(如圖 2 所示),類似於冰糖塊的堆集,故有冰糖狀斷口之稱。


電鏡下看金屬拉伸斷裂過程,理解金屬斷裂失效機理

圖 2 金屬材料脆性斷裂

電鏡下看金屬拉伸斷裂過程,理解金屬斷裂失效機理


除了金屬,咱們再看一個有意思的拉伸鍛鍊視頻,這些視頻估計大家都是第一次見,微觀中的斷裂:

這是皮革的原位拉伸實驗視頻↑↑


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