对韧性断裂与脆性断裂的一点基本认识

断裂是金属材料受到外载荷作用时发生的产要破坏方式，最常见的两种破坏类型：韧性断裂和脆性断裂。本期主要介绍这方面知识供读者们交流和学习。

韧性断裂。在微观层面上，延性断裂的特征在于韧窝结构（图1a）：由夹杂物或较粗的沉淀物引起的微孔被扩大，并且在进一步屈服过程中，它们之间的材料是颈缩和剪切的。这些韧窝的深度可以被认为是金属延展性的度量。

a) 带有微观双相结构的两相CrNi钢：韧窝里含有氮碳化物。
 
当夹杂物大且扁平时，例如普通轧钢中的硫化物和氧化物，它们垂直于轧制平面（短横向）会导致“层状撕裂”。填充有夹杂物的扁平凹槽被带有韧窝的断裂区分开。（图1b）。

b) 低碳钢中的层状剪切：凹槽内充满扁平的夹杂物通过带有韧窝结构的基体分离开来。

作为特殊情况，可以找到无结构区域。在用于发电机端环的冷加工奥氏体锰钢中（图1c）。这种钢的屈服强度有局限性，形成粗滑移带并提供裂纹路径。
 

c) 冷作奥氏体锰钢：由于滑移带开裂导致无结构区出现。

脆性断裂。在一般情况下，脆性断裂扩展是穿晶的。在金属强度较高的情况下，即淬火和回火钢，也有时裂纹沿着晶界（晶间断裂）扩展。裂纹的边界是奥氏体，形成如上所述的钢的高温相。在冷却过程中，这些晶界消失时，奥氏体转化为铁素体或马氏体。
 
解理断裂。在解理的过程中，分离沿着一个特定的晶面进行，在BCC金属中一般沿着一个{100}晶面进行。 FCC金属在正常情况下不发生解理。

a) 含铬高合金钢：碳化物作为裂纹源。
 
裂纹形核的地方滑移过程受到阻碍，例如在沉淀相（图2a）或晶界处。由于颗粒相对于彼此方向不同，裂纹表现为梯田式的台阶（图2b）。新形成的不同裂纹面连接在一起，进一步裂纹扩展产生了河流状花样。

b) 铸钢：河流花样，裂纹萌生于晶界。
 
解理面的平坦性说明，只有两个原子平面参与断裂面形成过程。但在裂解过程中，塑性区也形成在运行裂纹的前面。这种塑性区消耗了断裂功的主要部分。取决于裂纹面的材料发生塑性变形时塑性区的横向范围。
 
在焊接过程中，在两相奥氏体-铁素体CrNi钢（25%铬5%镍）熔合线附近的奥氏体可以转化为δ铁素体。在随后的冷却过程中，δ-铁素体再次转变将发生，部分导致奥氏体微晶沿晶界形成薄壳。

鉴于铁素体的状态，钢随着温度下降发生脆化，就像其它铁素体钢一样，但并不这么快。在开裂过程中，铁素体晶粒按通常的方式沿着{ 100 }晶面断裂。当到达晶界时裂纹停止，主要归因于在晶界上存在韧性奥氏体。邻近晶粒新的裂纹形核。因此，不同晶粒间的开裂相互独立，只有在一定的屈服后，晶界区才被分离出来。因此没有形成河流花样（图2c）。

c) 两相CrNi钢：单个晶粒内孤立开裂，无河流花样。
 
在淬火和回火钢，马氏体也将沿着{ 100 }面解理开裂。由于在单个的马氏体块间存在取向的显著差异，裂纹通过晶界交叉被阻碍，类似于前面提到的两相钢这种情况，即剪切过程必须发生，将不同解理面联合起来，因此很难见到解理面（图2d）。

d) 硬化的低合金钢：细的解理面。