——不同斷口在SEM下的微觀分析?

前期回顧

上期我們探索了螞蟻在掃描電子顯微鏡下的形貌。從整體形貌到細(xì)節(jié)上的形貌，詳細(xì)的描述了螞蟻身體上的各個(gè)結(jié)構(gòu)的形貌以及功能。本期我們繼續(xù)借助掃描電子顯微鏡研究不同加工條件下合金的斷口，以表征其塑性性能。

序? 言

合金通常要經(jīng)過鑄造、壓力加工（如軋制、擠壓、鍛造、拉絲以及沖壓等）和熱處理等過程，以獲得優(yōu)良的組織，制成合適的型材和工件，應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)等各種領(lǐng)域。在產(chǎn)品批量生產(chǎn)前，通常利用一系列的拉伸試驗(yàn)以檢驗(yàn)材料的一些力學(xué)性能。從拉伸試驗(yàn)過程中，可以得出一系列的拉伸曲線，以表征材料的本征彈性、塑性、韌性等。在拉伸曲線的最后階段，試樣在外力作用下喪失連續(xù)變形，就會(huì)斷成兩段。試樣的斷裂過程包括裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)基本過程。

金屬材料的斷裂過程在工程上有很大的實(shí)際意義。橋梁、輪船、汽車、宇航器的斷裂行為給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的危害。金屬材料的抗斷裂行為主要取決于兩大因素。一是外因。如應(yīng)力狀態(tài)、溫度、濕度等。二是內(nèi)因。如顯微組織和化學(xué)成分等。人們可以通過調(diào)整合金的化學(xué)成分，改善加工參數(shù)以及熱處理方案，以提高材料的性能指標(biāo)。人們?cè)谧非蠛辖鸬母邚?qiáng)度的同時(shí)，越來越關(guān)注材料的塑性和韌性等。本文主要通過一些合金的斷口的微觀形貌來分析材料的塑性指標(biāo)。

材料的斷裂主要分為兩大類：塑性斷裂和脆性斷裂。塑性斷裂又叫延性斷裂，斷裂前發(fā)生大量的宏觀塑性變形；脆性斷裂過程中，幾乎沒有宏觀塑性變形，但是在局部區(qū)域內(nèi)存在一定的微觀塑性變形。

本文選取了四種不同變形量的鋁合金的斷口，觀察其形貌組織，以表征其塑性指標(biāo)。

? ? ? ? ??20%變形量下的合金斷口——形貌分析

從圖1可以看出，20%變形量下樣品的斷口主要是韌窩解理型斷口，在解理斷口的周圍有一些韌窩。一般來說，韌窩越大，分布越多，材料的塑性性能越好。在較低的倍數(shù)下，有解理臺(tái)階和微裂紋的形成。解理裂紋繼續(xù)擴(kuò)展過程中，解理臺(tái)階相互匯合，形成“河流花樣”。在較高的放大倍數(shù)下，可以從這些解理斷口看出試樣的晶粒呈長(zhǎng)條狀分布，這些長(zhǎng)條狀晶粒的尺寸多為15um左右，主要是由于加工變形造成的。在這些長(zhǎng)條狀晶粒的周圍分布著少量的小晶粒，這些小尺寸晶粒的尺寸多為5um左右，主要是由于局部再結(jié)晶造成的。此外，在有的解理斷口中還含有少量的第二相顆粒或孔洞。這些孔洞可能是由于在斷裂過程中，晶體內(nèi)部的第二相顆粒的脫落留下的位置造成的。

圖1?? 20%變形量下合金的斷口形貌圖

? ? ? ? ??30%變形量下的合金斷口——形貌分析

圖2?? 30%變形量下合金的斷口形貌圖

從圖2可以看出，30%變形量下樣品的斷口主要是韌窩解理型斷口。與20%變形量下樣品相比，30%變形量下樣品的韌窩增多，表征在較大的變形量下，材料的塑性增強(qiáng)。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是韌窩的體積增大，二是韌窩的數(shù)量增多。在較高的放大倍數(shù)下，從這些解理斷口看出呈長(zhǎng)條狀分布的變形晶粒，這些長(zhǎng)條狀晶粒的尺寸多為10um左右。在這些長(zhǎng)條狀晶粒的周圍分布著少量再結(jié)晶晶粒，這些小尺寸晶粒的尺寸多為3um-5um左右。此外，在這些解理斷口分布區(qū)域還有一些撕裂棱和第二相顆粒的分布。

? ? ? ? ??50%變形量下的合金斷口——形貌分析

從圖3可以看出，50%變形量下樣品的斷口主要是韌窩解理斷口。有明顯的解理臺(tái)階以及“河流花樣”。在較高的放大倍數(shù)下，從解理斷口的形貌可以看出長(zhǎng)條狀晶粒的周圍分布著大量的近乎等軸的再結(jié)晶晶粒。這些長(zhǎng)條狀晶粒較少，且其尺寸多在7um-10um范圍內(nèi)，這些小尺寸晶粒的尺寸多為5um左右。表明材料發(fā)生了明顯的再結(jié)晶。在這些解理斷口中有第二相顆粒的分布，且這些顆粒尺寸較20%變形量下的顆粒尺寸要小一些。表明第二相顆粒的固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，材料的力學(xué)性能以及塑性會(huì)有一定的改善。在這些幾乎等軸的晶粒邊緣含有一定的韌窩。這些韌窩的體積較小，可能是由于大變形量下顆粒尺寸較小，形成的韌窩也比較小。

圖3?? 50%變形量下合金的斷口形貌圖

? ? ? ? ?60%變形量下的合金斷口——形貌分析

從圖4可以看出，60%變形量下樣品的斷口主要是韌窩解理斷口，在解理斷口的周圍有一些韌窩。從解理斷口可以看出晶粒都呈近乎等軸分布，且這些晶粒的尺寸較50%變形量下的晶粒尺寸較大。這表明再結(jié)晶過程已經(jīng)較充分進(jìn)行，并且發(fā)生了一定程度的再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的行為，這不利于材料的塑性性能。在部分幾乎等軸的解理斷口中含有細(xì)小的第二相顆粒。這些第二相顆粒起到了很好的固溶強(qiáng)化的作用，對(duì)材料的塑性性能也有一定的益處。

圖4? 60%變形量下合金的斷口形貌圖

后記

通過掃描電子顯微鏡下不同變形條件下的合金的斷口形貌觀察，可以看出隨著變形量的增加，合金的再結(jié)晶程度增加，晶粒的尺寸逐漸減小，第二相的顆粒也會(huì)發(fā)生一定的碎化。材料的塑性會(huì)有一定的提高。但是，當(dāng)變形量到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，部分再結(jié)晶晶粒會(huì)發(fā)生一定的長(zhǎng)大，可能對(duì)合金的塑性性能有一定的損害。

當(dāng)然，材料的力學(xué)性能與多種外因和內(nèi)因有關(guān)。我們?cè)谶x擇合適的加工工藝同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)合金的成分、改善合金的熱處理工藝等，獲得優(yōu)良的塑性性能。