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OPTON的微观世界之从合金的断口看材料的塑性性能

欧波同

2017/08/14

扫描电镜（SEM/EDS）

——不同断口在SEM下的微观分析

前期回顾

上期我们探索了蚂蚁在扫描电子显微镜下的形貌。从整体形貌到细节上的形貌，详细的描述了蚂蚁身体上的各个结构的形貌以及功能。本期我们继续借助扫描电子显微镜研究不同加工条件下合金的断口，以表征其塑性性能。
序言

合金通常要经过铸造、压力加工（如轧制、挤压、锻造、拉丝以及冲压等）和热处理等过程，以获得优良的组织，制成合适的型材和工件，应用在国民经济等各种领域。在产品批量生产前，通常利用一系列的拉伸试验以检验材料的一些力学性能。从拉伸试验过程中，可以得出一系列的拉伸曲线，以表征材料的本征弹性、塑性、韧性等。在拉伸曲线的最后阶段，试样在外力作用下丧失连续变形，就会断成两段。试样的断裂过程包括裂纹的萌生和裂纹的扩展两个基本过程。
金属材料的断裂过程在工程上有很大的实际意义。桥梁、轮船、汽车、宇航器的断裂行为给国民经济带来了巨大的危害。金属材料的抗断裂行为主要取决于两大因素。一是外因。如应力状态、温度、湿度等。二是内因。如显微组织和化学成分等。人们可以通过调整合金的化学成分，改善加工参数以及热处理方案，以提高材料的性能指标。人们在追求合金的高强度的同时，越来越关注材料的塑性和韧性等。本文主要通过一些合金的断口的微观形貌来分析材料的塑性指标。
材料的断裂主要分为两大类：塑性断裂和脆性断裂。塑性断裂又叫延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形；脆性断裂过程中，几乎没有宏观塑性变形，但是在局部区域内存在一定的微观塑性变形。
本文选取了四种不同变形量的铝合金的断口，观察其形貌组织，以表征其塑性指标。
20%变形量下的合金断口——形貌分析
从图1可以看出，20%变形量下样品的断口主要是韧窝解理型断口，在解理断口的周围有一些韧窝。一般来说，韧窝越大，分布越多，材料的塑性性能越好。在较低的倍数下，有解理台阶和微裂纹的形成。解理裂纹继续扩展过程中，解理台阶相互汇合，形成“河流花样”。在较高的放大倍数下，可以从这些解理断口看出试样的晶粒呈长条状分布，这些长条状晶粒的尺寸多为15um左右，主要是由于加工变形造成的。在这些长条状晶粒的周围分布着少量的小晶粒，这些小尺寸晶粒的尺寸多为5um左右，主要是由于局部再结晶造成的。此外，在有的解理断口中还含有少量的第二相颗粒或孔洞。这些孔洞可能是由于在断裂过程中，晶体内部的第二相颗粒的脱落留下的位置造成的。

图1 20%变形量下合金的断口形貌图

30%变形量下的合金断口——形貌分析

图2 30%变形量下合金的断口形貌图

从图2可以看出，30%变形量下样品的断口主要是韧窝解理型断口。与20%变形量下样品相比，30%变形量下样品的韧窝增多，表征在较大的变形量下，材料的塑性增强。主要表现在两个方面，一是韧窝的体积增大，二是韧窝的数量增多。在较高的放大倍数下，从这些解理断口看出呈长条状分布的变形晶粒，这些长条状晶粒的尺寸多为10um左右。在这些长条状晶粒的周围分布着少量再结晶晶粒，这些小尺寸晶粒的尺寸多为3um-5um左右。此外，在这些解理断口分布区域还有一些撕裂棱和第二相颗粒的分布。
50%变形量下的合金断口——形貌分析

从图3可以看出，50%变形量下样品的断口主要是韧窝解理断口。有明显的解理台阶以及“河流花样”。在较高的放大倍数下，从解理断口的形貌可以看出长条状晶粒的周围分布着大量的近乎等轴的再结晶晶粒。这些长条状晶粒较少，且其尺寸多在7um-10um范围内，这些小尺寸晶粒的尺寸多为5um左右。表明材料发生了明显的再结晶。在这些解理断口中有第二相颗粒的分布，且这些颗粒尺寸较20%变形量下的颗粒尺寸要小一些。表明第二相颗粒的固溶强化作用增强，材料的力学性能以及塑性会有一定的改善。在这些几乎等轴的晶粒边缘含有一定的韧窝。这些韧窝的体积较小，可能是由于大变形量下颗粒尺寸较小，形成的韧窝也比较小。

图3 50%变形量下合金的断口形貌图

60%变形量下的合金断口——形貌分析

从图4可以看出，60%变形量下样品的断口主要是韧窝解理断口，在解理断口的周围有一些韧窝。从解理断口可以看出晶粒都呈近乎等轴分布，且这些晶粒的尺寸较50%变形量下的晶粒尺寸较大。这表明再结晶过程已经较充分进行，并且发生了一定程度的再结晶晶粒长大的行为，这不利于材料的塑性性能。在部分几乎等轴的解理断口中含有细小的第二相颗粒。这些第二相颗粒起到了很好的固溶强化的作用，对材料的塑性性能也有一定的益处。
图4 60%变形量下合金的断口形貌图

后记

通过扫描电子显微镜下不同变形条件下的合金的断口形貌观察，可以看出随着变形量的增加，合金的再结晶程度增加，晶粒的尺寸逐渐减小，第二相的颗粒也会发生一定的碎化。材料的塑性会有一定的提高。但是，当变形量到达一定数值时，部分再结晶晶粒会发生一定的长大，可能对合金的塑性性能有一定的损害。
当然，材料的力学性能与多种外因和内因有关。我们在选择合适的加工工艺同时，可以通过调节合金的成分、改善合金的热处理工艺等，获得优良的塑性性能。

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