什么是金属的沿晶断裂？

沿晶断裂是材料在受到应力作用时，裂纹沿着晶粒之间的边界（晶界）扩展并导致材料断裂的一种失效形式。

1. 定义与机制

晶界作用：晶界是相邻晶粒间相连接的界面，通常因原子排列不规则、杂质富集、第二相析出等原因而成为材料中的薄弱区域。

断裂路径：裂纹优先沿晶界扩展，而非穿过晶粒内部（穿晶断裂）。

2. 沿晶断裂主要成因包括以下几个方面

环境因素：

应力腐蚀（SCC）：特定介质（如氯离子）与拉应力共同作用，弱化晶界。腐蚀造成的沿晶开裂见图1。

图1

氢脆：材料中溶入了较多的氢元素，氢原子扩散至晶界，降低晶界结合力（如高强度钢在酸洗后脆断）。

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高温蠕变：晶界在高温下滑移导致微孔洞聚集（如涡轮叶片长期高温工作）。

材料因素：

杂质偏聚：硫、磷等杂质在晶界富集（如钢的回火脆性）。

析出相：晶界析出脆性化合物（如铝合金中的β相）。图2为晶界较多析出相，受力容易产生沿晶开裂。

图2

工艺缺陷：

过烧：高温热处理导致晶界氧化或熔化（如焊接热影响区）。

不当热处理：如某些钢在500℃回火时发生回火脆性。

3. 典型特征

断口形貌：呈现“冰糖状”凹凸结构，扫描电镜下可见清晰的多边形晶粒轮廓。不同原因造成的沿晶特征，在形貌上也有区别。

断裂性质：多为脆性断裂，塑性变形极小，断口平齐。

二次裂纹：常伴随沿晶界的微小分支裂纹。见图3。

图3

4. 实际影响与对策

高风险场所：

高温部件：如燃气轮机叶片因蠕变发生沿晶断裂。

腐蚀环境：石化管道在H₂S环境中应力腐蚀开裂。

焊接结构：热影响区晶界弱化导致焊缝开裂。

预防措施：

成分优化：添加钼等元素抑制钢的回火脆性。

工艺控制：采用快速冷却避开脆化敏感温度区间。

环境防护：涂层隔离腐蚀介质，或使用缓蚀剂。

结构设计：减少应力集中，如变截面部位采取过渡圆角设计。

示例分析

案例1：某高压锅炉管道在运行中爆裂，电镜分析显示断口呈冰糖状，确定为硫化物应力腐蚀导致的沿晶断裂，解决方案为改用抗硫钢并加强水质处理。

案例2：航空铝合金紧固件发生氢脆断裂，因电镀过程中渗氢，后采用真空除氢工艺解决。

理解沿晶断裂产生机制，有助于在材料选择、工艺设计和服役维护中规避风险，避免材料晶界弱化，提升材料的可靠性。

发布于：天津市