——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。從整體形貌到細節(jié)上的形貌，詳細的描述了螞蟻身體上的各個結(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，應用在國民經(jīng)濟等各種領(lǐng)域。在產(chǎn)品批量生產(chǎn)前，通常利用一系列的拉伸試驗以檢驗材料的一些力學性能。從拉伸試驗過程中，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，就會斷成兩段。試樣的斷裂過程包括裂紋的萌生和裂紋的擴展兩個基本過程。
金屬材料的斷裂過程在工程上有很大的實際意義。橋梁、輪船、汽車、宇航器的斷裂行為給國民經(jīng)濟帶來了巨大的危害。金屬材料的抗斷裂行為主要取決于兩大因素。一是外因。如應力狀態(tài)、溫度、濕度等。二是內(nèi)因。如顯微組織和化學成分等。人們可以通過調(diào)整合金的化學成分，改善加工參數(shù)以及熱處理方案，以提高材料的性能指標。人們在追求合金的高強度的同時，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。
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。
•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，有解理臺階和微裂紋的形成。解理裂紋繼續(xù)擴展過程中，解理臺階相互匯合，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條狀分布，這些長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?；蚩锥?。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。主要表現(xiàn)在兩個方面，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條狀分布的變形晶粒，這些長條狀晶粒的尺寸多為10um左右。在這些長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化作用增強，材料的力學性能以及塑性會有一定的改善。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)較充分進行，并且發(fā)生了一定程度的再結(jié)晶晶粒長大的行為，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小的第二相顆粒。這些第二相顆粒起到了很好的固溶強化的作用，對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，第二相的顆粒也會發(fā)生一定的碎化。材料的塑性會有一定的提高。但是，當變形量到達一定數(shù)值時，部分再結(jié)晶晶粒會發(fā)生一定的長大，可能對合金的塑性性能有一定的損害。
當然，材料的力學性能與多種外因和內(nèi)因有關(guān)。我們在選擇合適的加工工藝同時，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。
