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碳钢拉伸实验及断口分析（断口形貌观察部分）

计划学时：2学时

工程构件或机械零件的尺寸、形状或材料性能都会在某种外界因素的作用下发生变化，

甚至发生局部或整体的破断，产生机械失效现象，正确地辨认和评价可能影响设计和产品生

产的全部潜在失效形式，才能成功地设计并生产出能够防止过早出现失效现象的产品，本实

验通过对含钒碳钢金属材料拉伸实验后进行断口的宏观及微观分析，探讨了断裂的物理本质

与规律、断裂的基本类型、金属断裂的微观机制以及裂纹扩展机理。

【实验目的】

(1)了解断裂及断口的分类。

(2)理解断口的形貌特点。

(3)掌握断口形貌观察。

【实验原理及内容】

断裂是指物体在外力作用下发生分离的现象。断裂按不同的角度进行分类：服役条件、

断裂应变、断裂面的取向、断口形貌及断裂路径等。其中按断口形貌可分为沿晶断裂（对应

沿晶断口）、解理断裂（解理断口）、准解理断裂（准解理断口），纯剪切断裂及微孔聚集型

断裂（对应韧窝断口）。其中前三类属于脆性断裂，后两者属于韧性断裂。而在很多情况下

断裂面显示混合断口，有可能存在沿晶和解理（或准解理），也可能韧窝或准解理（或沿晶）

共存。有时宏观断口的不同区域显示不同的微观断口。

脆性断裂就是指没有宏观塑性应变的断裂。它是由位于一般弹性范围内并超过晶面中材

料的结合力的载荷所造成的。所对应的断口属于脆性断口。宏观脆性断口看不到纤维区和剪

切唇，只存在放射区，放射线发源于断裂源。而解理裂纹沿解理面扩展就导致解理断裂。典

型的解理断口是由河流花样，扇形花样或羽毛状花样构成。而当脆性裂纹沿确定的低指数晶

面扩展时就能获得解理断口，但是如果脆性裂纹沿不能确定的晶面扩展时，断口上看不到明

显的河流花样或扇形花样，则称为准解理断口。另外对于多晶体，如果晶粒边界的结合强度

远比晶内要低时，脆性裂纹就会择优在晶界形核，并沿晶界扩展，从而导致沿晶断口，在断

面上可看到晶粒轮廓或多边体晶粒的截面图。

韧性断裂是指材料断裂前的宏观塑性变形（延伸率或断裂应变）或断裂前所吸收的能量

较大，则称为韧性断裂。韧性断裂断口包括纯剪切断口、杯锥状宏观断口及韧窝断口。纯剪

切断口是指某些单晶体，拉伸时可沿滑移面分离而导致剪切断裂。而韧性材料光滑圆柱拉伸

试样的宏观杯锥状断口呈纤维状，一般由纤维区、放射区及剪切唇三部分构成。而韧窝断口

是由于空洞形核、长大并连接就导致韧断，在断口上就显示出韧窝结构。从宏观来看，断口

上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，其断裂面是由三

个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成（图1[断口的三要素]）。

图1断的口三要素

这三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区（对冲击拉伸则有终了断裂区），

通常称它们为断口三要素。

对于同一种材料，三个区域的面积及其所占整个断口的比例随外界条件的改变而变化。

例如：加载速率愈大，温度愈低，则裂纹扩展区（即放射区）所占的比例也愈大。如果定义

裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为,则通常把=1时的断裂温度称为材料的韧性-脆性

转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度）。如果在同一温度和加载速率下比

较两种材料的断裂性质，则值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。

【实验仪器设备和材料】

扫描电子显微镜（SEM）、低碳钢拉伸试样断口、切割机、无水乙醇、吹风机等。

【实验步骤】

1.用切割机切割拉伸试棒获得完整断口试样；

2.超声波清洗仪清洗试样；

3.将试样装入扫描电镜进行形貌观察；

4.取出试样，整理实验室。

【注意事项】

1.切割试样时注意将试样夹紧，冷却水冷却，防止试样松动造成砂轮片破碎飞出伤人；

2.注意超声波清洗仪的使用说明；

3.不许触摸扫描电镜，也不得在未经指导老师的许可操作扫描电镜；

4.其它需要注意的安全事项。

【实验报告要求】

1.实验名称、学生姓名、班号、学号、组别和实验日期；

2.实验目的和要求；

3.实验仪器、设备与材料；

4.实验原理（含设备的构造）；

5.实验步骤；

6.注意事项；

7.