金属断口分析课件.ppt

何玉怀北京航空材料研究院2011年6月26日,金属断口分析,内容提纲,1.断口分析的作用及意义2.断口（断裂）分类3.断口（断裂）的基本特征与机理4.断口分析内容5.断口与失效分析6.典型案例,断口分析的作用及意义,断口是试样或零件在试验或使用过程中发生断裂（或形成裂纹后打断）所形成的断面。记录材料在载荷和环境作用下断裂前的不可逆变形，以及裂纹的萌生和扩展直至断裂的全过程。定性和定量分析识别，并将断口特征与发生损伤乃至最终失效的过程联系起来，可以找出与失效相关的内在或外在原因。断口学作为失效分析学科的一个重要组成部分，在断裂失效分析中发挥了很大的作用。,断口分析的作用及意义,在机电产品的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。断裂力学方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并考虑材料内部存在缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。,断口分析的作用及意义,断裂失效分析从裂纹和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因和规律。断裂力学方法和金属物理方法之间架起联系的桥梁。,断口（断裂）分类,断裂与断口构件或试样在外力作用下导致裂纹形成扩展而分裂为两部分（或几部分）的过程称为断裂。包括裂纹萌生、扩展和最后瞬断三个阶段。各阶段的形成机理及其在整个断裂过程中所占的比例，与构件形状、材料种类、应力大小与方向、环境条件等因素有关。断裂形成的断面称为断口。断口上详细记录了断裂过程中内外因素的变化所留下的痕迹与特征，是分析断裂机理与原因的重要依据。,断口（断裂）分类,2.断裂分类 按断裂性质分类根据零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小可分为：塑性断裂：断裂前发生较明显的塑性变形。延伸率大于5%的材料通常称为塑性材料。脆性断裂：断裂前几乎不产生明显的塑性变形。延伸率小于3%的材料通常称为脆性材料。脆性断裂有穿晶脆断（如解理断裂、疲劳断裂）和沿晶脆断（如回火脆、氢脆）之分。塑性-脆性混合型断裂，又称为准脆性断裂。塑性断裂对装备与环境造成的危害远较脆性断裂小，脆性断裂往往会引起危险的突发事故。,断口（断裂）分类,按断裂路径分类依断裂路径的走向可以分为穿晶断裂和沿晶断裂两类。穿晶断裂，裂纹穿过晶粒内部。穿晶断裂可以是塑性的，也可以是脆性的。前者端口具有明显的韧窝花样，后者端口的主要特征为解理花样。沿晶断裂，断裂沿着晶粒边界扩展，可分为沿晶脆断和沿晶韧断(在晶界面上有浅而小的韧窝)。,断口（断裂）分类,按断面相对位移形式分类按两断面在断裂过程中相对运动的方向可以分为：张开型（型）。裂纹表面移动的方向与裂纹表面垂直。这种型式的断裂常见于疲劳及脆性断裂，其断口齐平，是工程上最常见和最危险的断裂类型。前后滑移型（型）。裂纹表面在同一平面内相对移动，裂纹表面移动方向与裂纹尖端的裂纹前沿垂直。剪切型（型）。裂纹表面几乎在同一平面内扩展，裂纹表面移动的方向和裂纹前沿线一致。剪切断口、斜断口和扭转断口是型以及型和型的组合。,断口（断裂）分类,按断裂方式分类按断面所受到的外力类型的不同分为正断、切断及混合断裂三种。正断断裂，受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应力方向相垂直。断口的宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、解理花样等。切断断口，是在切应力作用下而引起的断裂，断面与最大正应力方向成45角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为抛物状的韧窝花样。混合断裂，正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥杯状，混合断裂是最常见的断裂类型。,断口（断裂）分类,按断裂机制分类可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶以及疲劳等。其他分类方法按应力状态分类，可分为静载断裂（拉伸、剪切、扭转）、动载断裂（冲击断裂、疲劳断裂）等。按断裂环境分类，可分为低温断裂、中温断裂、高温断裂、腐蚀断裂、氢脆及液态金属致脆断裂等。按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等。按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂等。按断裂形成过程分类，可分为工艺性断裂和服役性断裂。如在铸造、锻造、焊接、热处理等过程形成的断裂为工艺性断裂。,如拉伸、冲击、爆破等为快速断裂，疲劳、蠕变等为慢速断裂，氢脆、应力腐蚀等为延迟断裂。,断口（断裂）的基本特征与机理,过载断口宏观特征三要素穿晶韧窝断裂 滑移分离 解理断裂 准解理断裂 延晶断裂 疲劳断裂,提纲,断口（断裂）的基本特征与机理,纤维区：该区一般位于断口的中央，是材料处于平面应变状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，属于正断型断裂。纤维区的宏观平面与拉伸应力轴相垂直，断裂在该区形核；放射区：该区紧接纤维区，使裂纹由缓慢扩展转化为快速的不稳定扩展的标志，其特征是放射线花样。放射线发散的方向为裂纹扩展方向。放射条纹的粗细取决于材料的性能、微观结构及试验温度等；剪切唇区：剪切唇区出现在断裂过程的最后阶段，表面较光滑，与拉伸应力轴的交角约45，属于切断型断裂。它是在平面应力状态下发生的快速不稳定扩展，在一般情况下，剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。,过载断口宏观特征三要素,断口（断裂）的基本特征与机理,过载断口宏观特征三要素,在通常情况下，金属材料的断口均会出现断口三要素形貌特征，所不同的仅仅是三个区域的位置、形状、大小及分布不同而已。但有时在断口上只出现一种或两种断口形貌特征，即优势有时断口三要素并不同时出现，这是受材质、温度、受力状态等因素的影响。断口三要素的分布有下列四种情况：断口上全部为剪切唇，例如纯剪切型断口或薄板拉伸断口就属于这种情况。断口上只有纤维区和剪切唇区，而没有放射区。断口上没有纤维区，仅有放射区和剪切唇区，例如低合金钢在-60时的拉伸断口。断口三要素同时出现，这是最常见的断口宏观形貌特征。,断口（断裂）的基本特征与机理,断口三要素在断裂失效分析中的应用裂源位置的确定。在通常情况下，裂源位于纤维状区的中心部位，因此找到了纤维区的位置就可以确定裂源德位置。另一方面是利用放射区的形貌特征，在一般条件下，放射条纹收敛处为裂源位置。裂纹扩展方向的确定。在断口三要素中，放射条纹指向裂纹扩展方向。通常，裂纹的扩展方向事由纤维区指向剪切唇区方向。如果是板材零件，断口上放射区的宏观特征为人字条纹，其反方向为裂纹的扩展方向。如果在板材的两侧开有缺口，则由于应力集中的影响，形成的人字纹尖顶指向与无缺口正好相反，逆指向裂纹源。断口上有两种或三种要素区时，剪切唇区是最后断裂区。,过载断口宏观特征三要素,断口（断裂）的基本特征与机理,穿晶韧窝断裂,金属延性断裂的主要微观特征。又称作迭波、孔坑、微孔、微坑等。材料在微区范围内塑性变形产生的显微孔洞，经形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。虽然韧窝是延性断裂的微观特征，但不能仅仅据此就作出断裂属于延性断裂的结论，因为延性断裂与脆性断裂的区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性变形。脆性断裂的断口上，个别区域也可能由于微区的塑变而形成韧窝。,断口（断裂）的基本特征与机理,穿晶韧窝断裂,韧窝的形成 显微空洞的形核、显微空洞的长大和显微空洞的聚集三个阶段。D.Brock，微孔聚集模型，第二相粒子形核模型。这个韧窝模型，可以同时解释在应力作用下，形成等轴韧窝或抛物线韧窝的过程和夹杂物或第二相粒子在切应力作用下，破碎而形成韧窝的现象。,断口（断裂）的基本特征与机理,穿晶韧窝断裂,韧窝的形状,韧窝的形状主要取决于所受的应力状态等轴韧窝：在正应力作用下，显微空洞的周边均匀增长，断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。剪切韧窝：在切应力作用下形成的，拉伸或冲击断口的剪切唇上，其形状呈抛物线形。匹配断口上抛物线的凸向相反。撕裂韧窝：在撕裂应力作用下形成的，尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上，也呈抛物线形。但是在匹配断口上，一对相匹配的撕裂韧窝不但形状相似，而且抛物线的凸向也相同。实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存，或在拉长韧窝的周围有少量的等轴韧窝。,断口（断裂）的基本特征与机理,穿晶韧窝断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,穿晶韧窝断裂,韧窝的大小韧窝的大小包括平均直径和深度深度常以断面到韧窝底部的距离来衡量影响韧窝大小的主要因素为第二相质点的大小、密度，基体的塑性变形能力，变形硬化指数，外加应力大小状态以及加载速度等。通常对于同一种材料，断裂条件相同时，韧窝尺寸越大，则表明材料的塑性越好。,断口（断裂）的基本特征与机理,滑移分离,金属断裂（除理想的解理断裂外）过程均起始于变形。金属塑性变形方式主要有滑移、孪生、晶界滑动和扩散性蠕变四种。孪生一般在低温下才起作用；在高温下，晶界滑动和扩散性蠕变方式较为重要。常温下，主要的变形方式是滑移。过量的滑移变形出现滑移分离，其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样、涟波等。,断口（断裂）的基本特征与机理,滑移分离,滑移带,滑移线：晶体材料的滑移面与晶体表面的交线滑移台阶：滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶滑移带：由滑移线或滑移台阶组成的条带。目前人们将在电镜下分辨出来的滑移痕迹称为滑移带滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层，滑移层宽度在5nm50nm 之间。随着外力的增加，一方面滑移带不断加宽；另一方面，在原有滑移带之间还会出现新的滑移带。,断口（断裂）的基本特征与机理,滑移分离,金属材料滑移的一般原则：滑移方向总是原子的最密排方向。滑移通常在最密排的晶面上发生。滑移首先沿具有最大且应力的滑移系发生。,断口（断裂）的基本特征与机理,滑移分离,滑移的形式,一次滑移：单晶材料在拉伸时，只在一组平行晶面的特定晶面上产生滑移。一次滑移晶体材料在滑移前后晶体的相对位向不变。多系滑移：当外力轴同时与几个滑移系的相对取向相同，且外力使这几个滑移系的分切应力同时达到临界值而同时产生滑移。在多系滑移中，最简单的情况就是二次滑移，即在两个不相平行的晶面上，沿两个滑移方向同时产生滑移。交滑移：在两个或两个以上滑移面共同按一个滑移方向的滑移。交滑移有很多滑移面参加滑移，滑移线不再是直线，而可变成弯曲的折线。,断口（断裂）的基本特征与机理,滑移分离,滑移的形式,滑移碎化：当一个晶粒产生滑移变形时，它受到相邻晶粒的束缚而阻止该晶粒的滑移，这样滑动的晶粒随着滑移变形量的增加而产生硬化现象；另一方面这个晶粒边界的应力场将促进相邻晶粒的滑移。与此同时，这个晶粒开动了更多的滑移系来反抗相邻晶粒的阻力，由此产生了多重滑移而引起滑移碎化。扭折带：在晶体材料滑移变形时，有时出现滑移部分的晶体相对于基体旋转一定的角度，滑移区域内的滑移线成S形弯曲，称为扭折带。扭折带两端的晶体区域具有不同的去向，但扭折带平面总是大致垂直于主要参与滑移的方向。,断口（断裂）的基本特征与机理,滑移分离,滑移的形式,波状滑移：在晶体材料中不仅有直线型的滑移线或滑移带，而且有波状的滑移线或滑移带。尤其是体心立方材料，由于它没有最密排的晶面，所以滑移没有一个确定的晶面，一般可能在几个较密的低指数面滑移，如110、112、123。而密排方向是，它便是滑移方向。共有48个滑移系，如果有很多的滑移系同时开动，除了产生直线滑移外，还可能产生波状滑移。,断口（断裂）的基本特征与机理,滑移分离,滑移分离断口形貌,滑移分离的基本特征是：断面倾斜，呈45角；断口附近有明显的塑性变形，滑移分离是在平面应力状态下进行的 滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样、延伸区。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键的破坏而造成的沿一定的晶体学平面（即解理面）快速分离的过程。解理断裂是脆性断裂的一种机理，属于脆性断裂，但并不是脆断的同义语，有时解理可以伴有一定的微观塑性变形。解理面一般是表面能量最小的晶面。面心立方晶系的金属及合金在一般情况下不发生解理断裂。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,解理裂纹的萌生与扩展,解理裂纹形核的位置：大都萌生于有界面存在的地方及位错易于塞积的地方。例如晶界、亚晶界、孪晶界、杂质及第二相界面等。解理裂纹的萌生：位错单向塞积、位错双向塞积、位错交叉滑移、刃型位错合并等。它们都是建立在解理生核之前存在变形这一前提之下。解理裂纹的扩展：解理裂纹形成后能否扩展至临界长度，不仅取决于应力大小和应力状态，而且还取决于材料的性质和环境介质与温度等因素。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,解理断裂的形貌特征,解理断裂区通常呈典型的脆性状态，不会产生宏观塑性变形。小刻面是解理断裂断口上明显的宏观特征。解理断口上的“小刻面”即为结晶面，呈无规则取向。典型的解理断口微观形貌有以下重要特征：解理台阶、河流花样、“舌”状花样、鱼骨状花样、扇形花样及瓦纳线等。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,解理台阶,解理台阶的形成途径主要有两种：一种是解理裂纹与螺位错相交截而形成台阶。假设晶体内存在一个螺位错，当解理裂纹沿解理面扩展时，与螺位错交截，产生一个高度为伯氏矢量的解理台阶。解理台阶在裂纹扩展过程中，要发生合并与消失或台阶高度减小等变化。另一种是通过次生解理撕裂的方式形成台阶。两个相互平行但处于不同高度上的解理裂纹可以通过次生解理或撕裂的方式互相连接而形成台阶。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,河流花样,解理裂纹扩展过程中，台阶不断地相互汇合，便形成河流花样。河流花样是解理断裂的重要微观形貌特征。在断裂过程中，台阶合并是一个逐步的过程。许多较小的台阶（即较小的“支流”）到“下游”又汇合成较大的台阶（即较大的“支流”。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。根据河流花样的流向，可以判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,河流花样,由于实际金属材料是多晶体，存在着晶界和亚晶界。当解理裂纹穿过晶界时，会使解理断裂出现复杂的情况：解理断裂穿过扭转晶界，将使河流激增。裂纹与小角度倾斜晶界相交时，河流可连续地穿过晶界，河流不发生激增。当裂纹穿过普通大角度晶界时，由于晶界上存在着的螺位错和刃位错，相邻晶粒的位向差很大，因而也会出现大量的河流，河流台阶的高差也较大。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,舌状花样,解理舌是解理断裂的典型特征之一。它的显微形貌为舌状。解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高的速度向前扩展时，在裂纹前端形成的。另外一种舌状花样是解理裂纹在扩展过程中局部发生二次解理，或者是滑移分离、或者是二次解理和滑移分离的混合。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,扇形花样,解理断裂面并不是等轴的，而是沿着裂纹扩展方向伸长，形成椭圆形或狭长形的特征，其外观类似扇形或羽毛形状。在一个晶粒内，河流花样有时不是发源于晶界，而是在晶界附近的晶内发源，河流花样以扇形的方式向外扩展。在多晶体材料中，扇形花样在各个晶粒内可以重复出现。利用扇形花样，也可以判明解理裂纹的裂源及裂纹的局部扩展方向。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,鱼骨状花样，在解理断口中，有时可以见到类似于鱼骨状花样,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,影响解理断裂的因素,环境温度：环境温度直接影响解理裂纹扩展时所吸收的能量的大小，随着温度的降低，解理裂纹扩展时所吸收的能量较小，更容易导致解理断裂。加载速度：加载速率不同，不仅影响解理裂纹扩展应力的大小，而且还影响材料应变硬化指数。在高应变速率下，有利于解理断裂发生。,影响解理断裂的因素主要有环境温度、介质、加载速度、材料的晶体结构、显微组织、应力大小与状态等。,断口（断裂）的基本特征与机理,解理断裂,影响解理断裂的因素,材料的种类、晶体结构及冶金质量对断裂起着重要的作用。在通常情况下所遇到的解理断裂，大多数都是属于体心立方和密排六方晶体材料，而面心立方晶体材料只有在特定的条件下才发生解理断裂。即使体心立方晶体材料，由于显微组织不同，其解理断裂的形貌特征也不相同。材料的显微缺陷、第二相粒子等分布在解理面上，则有利于解理断裂的发生。如氢集聚在100面，将产生氢解理断裂。,断口（断裂）的基本特征与机理,准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。首先在不同部位(如回火钢的第二相粒子处)，同时产生许多解理裂纹核。然后按解理方式扩展成解理小刻面。最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小刻面相连，形成撕裂棱。,准解理断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,准解理断裂,准解理断口与解理断口的不同准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子，而不像解理断裂那样，断裂源在晶粒边界或相界面上。裂纹传播的途径不同，准解理是由裂源向四周扩展，不连续，而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展，表现河流走向。准解理小平面的位向并不与基体(体心立方)的解理面100严格对应，相互并不存在确定的对应关系。在调质钢中准解理小刻面的尺寸比回火马氏体的尺寸要大得多，它相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。准解理断口宏观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小，呈脆性特征。其微观形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。,断口（断裂）的基本特征与机理,沿晶断裂,沿晶断裂又称晶间断裂，它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离，即沿晶界发生的断裂现象。晶界的键合力高于晶内，断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶，如韧窝型断裂、解理断裂等。如果热加工工艺不当，造成杂质元素在晶界富集与沿晶界析出脆性第二相、或因温度过高(加工温度与使用温度)使晶界弱化、或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时，晶界的键合力被严重削弱，往往在低于正常断裂应力的情况下，被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。沿晶断裂的路线一般沿着与局部拉应力垂直的晶界进行。,断口（断裂）的基本特征与机理,沿晶断裂,按断面的微观形貌，可将沿晶断裂分为两类：沿晶韧窝断裂：由晶界沉淀的分散颗粒作为裂纹核，然后以剪切方向形成空洞，最后空洞连接形成的细小韧窝而分离。这种沿晶断裂又称微孔聚合性沿晶断裂或沿晶韧断。沿晶脆性断裂：在断后的沿晶分离面平滑、干净、无微观塑性变形特征，往往呈现冰糖块形貌。这种沿晶断裂又叫沿晶光面断裂或非微孔聚合型沿晶断裂。,断口（断裂）的基本特征与机理,回火脆、氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆以及因过热、过烧引起的脆断断口大都为沿晶脆性断裂特征；蠕变断裂、某些高温合金的室温冲击或拉伸断口往往为沿晶韧窝形貌。还有两种情况也属沿晶断裂范畴。一是沿结合面发生的断裂，如沿焊接结合面发生的断裂；二是沿相界面发生的断裂，如在两相金属中沿两相的交界面发生的断裂。,沿晶断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳断裂是材料(或构件)在交变应力反复作用下发生的断裂。交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向同时都随时间作周期性改变的应力。这种改变可以是规律性的或不完全规律性的。,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳断裂的危害性多数机件承受的应力是周期性变动的(称为循环交变应力)。如各种发动机曲轴、发动机的主轴、齿轮、弹簧、涡轮叶片、钢轨、飞机螺旋桨以及各种滚动轴承等。这些零件的失效，据统计6080是属于疲劳断裂失效；疲劳破坏表现为突然断裂，断裂前无显著变形。不用特殊探伤设备，无法预察损坏迹象。除定期检查外，很难防范偶发性事故；,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳断裂的危害性造成疲劳破坏时，循环交变应力中的最高应力一般远低于静载荷下材料的强度极限；零件的疲劳断裂不仅取决于材质，而且对零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等非常敏感。加工过程也对疲劳抗力有很大影响。材料内部宏观、微观的不均匀性对材料抗疲劳性能的影响也远较静负荷下为大；很大一部分机件承受弯曲扭转应力。这种机件的应力分布都是表面应力最大。而表面情况，如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蚀及脱碳等都对疲劳抗力有极大的影响，增加了疲劳损坏的机会。,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳曲线、疲劳极限和疲劳寿命 在交变载荷下，金属承受的最大交变应力愈大，则至断裂的应力交变次数N愈少；疲劳曲线也称SN曲线。疲劳极限：疲劳极限是指一定的材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生破坏的最大应力，应力低到某值时，材料或构件承受无限多次应力循环或应变循环而不发生疲劳断裂。发生破坏时的应力循环次数或从开始承受应力直至断裂所经历的时间称为疲劳寿命。,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳断裂过程疲劳裂纹的萌生稳定扩展，而疲劳裂纹的稳定扩展又可分为两个阶段失稳扩展断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳裂纹的萌生(形核)在交变载荷作用下，材料发生局部滑移。随着循环次数的增加，滑移线在某些局部区域内变粗，并形成滑移带，其中一部分滑移带为驻留带。进一步增加循环次数，驻留滑移带上可以形成挤出峰、挤入槽现象，这就是疲劳裂纹的萌生。表面缺陷或材料内部缺陷起着尖缺口的作用，使应力集中，促进疲劳裂纹的形成。实际工程构件的疲劳裂纹大都在零件表面缺陷、晶界或第二相粒子处萌生。,疲劳断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳裂纹稳定扩展第一阶段在裂纹萌生后，在交变载荷作用下立即沿着滑移带的主滑移面向金属内部伸展。此滑移面的取向大致与正应力成45角，这时裂纹的扩展主要是由于切应力的作用。对于大多数合金来说，第一阶段裂纹扩展的深度很浅，大约在25个晶粒之内。这些晶粒断面都是沿着不同的结晶学平面延伸，与解理面不同。疲劳裂纹的第一阶段的显微特征取决于材料类型、应力水平与状态以及环境介质等因素。对于体心立方晶系及密堆六方晶系材料，这一阶段的断口区极小，又因断面之间相互摩擦等原因，使得这个区域的显微特征难以分辨。,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,对于面心立方晶系材料，例如镍基高温合金，在高温下的疲劳断裂，此阶段有两种类型的断裂形貌特征：类解理断裂小平面，裂纹严格地沿着晶粒内的111滑移面扩展。当其与晶界相遇时，稍微改变位向，显示出平坦、光滑和强的反光能力等特征。在涡轮叶片(材料为GH4037)的实际疲劳断裂失效断口，就观察到了这种典型的特征。在其上发现有滑移台阶、河流花样等微观特征。平行锯齿状断面。第一阶段裂纹沿着两组互不平行的111滑移面扩展，裂纹扩展的方向平行于两组111面的交线，即110方向。,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳裂纹稳定扩展第二阶段疲劳裂纹按第一阶段方式扩展一定距离后，将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展产生重大影响。疲劳裂纹扩展第二阶段断面上最重要的显微特征是疲劳条带，又称疲劳辉纹。,疲劳断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳条带的主要特征疲劳条带是一系列基本上相互平行的、略带弯曲的波浪形条纹，并与裂纹局部扩展方向相垂直；每一条条带代表一次应力循环，每条条带表示该循环下裂纹前端的位置，疲劳条带在数量上与循环次数相等；疲劳条带间距(或宽度)随应力强度因子幅的变化而变化；疲劳断面通常由许多大小不等、高低不同的小断块所组成，各个小断块上的疲劳条带并不连续，且不平行；断口两匹配断面上的疲劳条带基本对应。,疲劳断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳条带的数量一般与循环次数有对应关系，但并不一定完全相等，因为它受应力状态、环境条件、材质等因素的影响很大。疲劳条带有时也容易与其它花样相混淆，如滑移痕迹、解理台阶、瓦纳线，以及像珠光体之类的层状组织等。疲劳条带是疲劳断裂的基本特征，凡在断口上发现了疲劳条带，即可判定此断口为疲劳断裂。但如果在断口上未发现疲劳条带，并不能判断此断口为非疲劳断裂，还要根据宏观、微观的其它特征和其它分析工作的结果加以综合分析判断。,疲劳断裂,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳条带一般仅在疲劳裂纹扩展的第二阶段才能出现，但在某些合金中，第一阶段的后期有时也会出现疲劳条带。疲劳条带出现的必要条件是在疲劳裂纹前端必须处于张开型平面应变状态。疲劳条带的形成与材料的性质与环境条件等有关。延性材料容易形成疲劳条带，脆性材料则比较困难。例如体心立方晶系金属比面心立方金属形成疲劳条带要困难得多，其原因可能是体心立方金属的层错能高，滑移系多，易于交错滑移，不利于疲劳条带的形成。,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳条带的类型及其形态,延性疲劳条带 脆性疲劳条带,断口（断裂）的基本特征与机理,疲劳断裂,疲劳条带的形成机理疲劳裂纹尖端在一次循环中的压缩阶段，裂纹的两个面紧靠在一起，裂纹尖端表面产生塑性变形，接着在下半个拉伸循环中，裂纹角度张开，并使裂纹扩展向前产生一个增量a，这时便形成了一个条带。疲劳裂纹尖端存在显微空穴，当空穴长大到一定尺寸时便与主裂纹连接，使裂纹向前扩展了a距离。这便形成了一条间距为a的条带。在疲劳裂纹扩展过程中，裂纹尖端首先沿解理面断裂成一小段距离，然后因裂纹前端塑性变形而停止扩展。当下一周期开始时，又作解理断裂，如此往复即形成解理疲劳条带。,断口（断裂）的基本特征与机理,断口（断裂）的基本特征与机理,断口分析内容,宏观分析：用肉眼或40倍以下的放大镜、实体显微镜对断口进行观察分析，可有效地确定断裂起源和扩展方向；微观分析：用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等对断口进行观察、鉴别与分析，可以有效地确定断裂类型与机理。宏观分析和微观分析是不可分割的整体，二者不可互相取代，只能互相补充、相互促进。过分依赖微观分析而不重视宏观分析，只根据几个微观视场的特征就作出判断，往往会导致全局性的判断错误；反之，忽视微观分析而只进行宏观分析，也可能得出浮浅的乃至错误的结论。,断口分析内容,断口的获取与保护,裂纹打开与断口切取技术 方法：拉开、扳开、压开等。原则：根据裂纹的位置及裂纹扩展方向，来选定受力点。沿裂纹扩展方向受力，使裂纹张开形成断口，而避免在打开裂纹的过程中造成断裂面的损伤。如果造成零件开裂的应力是已知的，可用同类型的更大应力来打开裂纹。例如，对受循环拉应力的开裂件，可通过静拉伸法将裂纹打开。如果造成的应力是未知的，可采用三点弯曲法将裂纹打开。,断口分析内容,断口的获取与保护,切割方法：火焰切割，锯切，砂轮切割，线切割，电火花切割等。切割注意事项：要防止断口及其附近区域的显微组织因受热发生变化；要防止断面的形貌特征受到机械的或化学的损伤和污染。,断口分析内容,断口的获取与保护,断口的清洗技术清洗对象：断口表面上的尘埃、油污、腐蚀产物及氧化膜等。清洗方法：根据断口材料特性、附着物的种类选定对于断口表面只有尘埃或油渍污染者，推荐使用丙酮与超声波清洗；对于遭受轻微腐蚀氧化的断口，推荐使用醋酸纤维(AC)纸反复复型剥离法加以清洗；对于遭受较重腐蚀氧化的钢制零件断口，则推荐在10%H2SO4水溶液+缓蚀剂(1%卵磷酯)中超声波法清洗；对于高温合金的高温氧化断口，可使用氢氧化钠+高锰酸钾热煮法予以清洗。,断口分析内容,断口的获取与保护,断口的清洗技术注意事项：清洗之前，要对断口进行仔细的观察与检查。无论使用何种方法清洗，都应以既要除去断口表面的污物和腐蚀与氧化层，又不损伤断口的形貌特征为原则。,断口分析内容,断口的获取与保护,断口的保护与保存技术 切取断口与运送断口过程中，要严防断口表面遭受机械或化学损伤。在断口初检及清洗时，切忌用手去触摸断口表面，更不能将两个匹配断面对接碰撞，以免使断口表面产生人为的损伤。为了防止断口表面在运送与保存过程中遭受腐蚀与损伤，可在断口表面上涂抹一层保护材料，例如防锈漆、环氧树脂、醋酸纤维丙酮溶液等。保护材料应选择既无腐蚀作用又容易溶解除去的品种。也可直接用干净的塑料膜包扎保护断口。切记：不要由油、脂涂抹在断口上防锈。,断口分析内容,观察的目的性与客观性观察的目的是为了判定断裂的性质，寻找断裂的原因。观察对象(断口)是客观存在的事实，观察得到的结果只能是关于断口形象特征的反映，这是观察的客观性。观察的全面性和典型法断裂失效的本质存在于与断裂过程相关的各种现象及关系中。全面地观察失效事件在各个方面的表现与各种现象。对能够集中反映断裂本质的典型区域、典型现象进行深入细致的观察，以加深对失效事件本质与规律的认识。,断口观察的原则,断口分析内容,断口观察的原则 观察的受动性与主动性在观察断口时不应进行人为的干预与控制，只应对断裂特征作如实的观察与记录，这就是观察的受动性。观察的目的，观察对象及工具等都可以主动加以选择。观察活动中的感性因素与理性因素通过观测所获得的是关于断口定性和定量两个方面的实际材料和数据，即为认识中的感性经验材料。但这并不是说观察过程中没有任何理性和思维的因素。在观察过程中总是以某种理论作指导进行积极的思维活动，在描述和概括观察结果时，也总要使用专业知识和基础理论。,断口分析内容,断口宏观分析 主要任务确定断裂的类型和方式，为判明断裂失效的模式提供依据；寻找断裂起源区和断裂扩展方向；估算断裂失效件应力集中的程度和名义应力的高低(疲劳断口)；观察断裂源区有无宏观缺陷等。断口的宏观分析可为断口的微观分析和其它分析工作指明方向，奠定基础，是断裂失效分析中的关键环节。,断口分析内容,断口宏观分析,步骤：用肉眼观察断面形貌特征及其失效件的全貌，包括断口的颜色变化，变形引起的结构变化，断口附近的损伤痕迹等。对主要的特征区用放大镜和体视显微镜进行进一步的观察，确定重点分析的部位。,断口分析内容,断口宏观分析,注意要点：断口上是否存在放射花样及人字纹。这种特征一方面表征裂纹在该区的扩展是不稳定的、快速的；另一方面，沿着放射方向的逆向或人字纹尖顶，可追溯到裂纹源所在位置。断口上是否存在弧形迹线。这种特征表明裂纹在扩展过程中，由于应力状态(包括应力大小的变化、应力持续时间)的交变，断裂方向的变化，环境介质的影响，以及裂纹扩展速度的明显变化都会在断口上留下此种弧形迹线，如疲劳断口上的疲劳弧线等。,断口分析内容,断口宏观分析,注意要点：断口的粗糙程度。不同的材料，不同的断裂方式，其粗糙度可有很大的不同。一般说来，断口越粗糙，即表征断口特征的“花”样越粗大，则剪切断裂所占的比例越大。如果断口细平，多光泽，或者“花样”越细，则晶间断裂、解理断裂所起的作用也越大。断面的光泽与色彩。构成断面的许多小断面具有特有的金属光泽与色彩，当不同断裂方式所造成的这些小断面集合在一起时，断口的光泽与色彩会发生微妙的变化。例如，准解理、解理断裂的金属断口在阳光下转动断面进行观察时常可看到闪闪发光的小刻面。,断口分析内容,断口宏观分析,注意要点：断面与最大正应力的交角(倾斜角)。不同的应力状态，不同的材料及外界环境，断口与最大正应力的夹角不同。例如，在平面应变条件下断裂的断口，与最大正应力垂直。在平面应力条件下断裂的断口，与最大正应力呈45交角。断口特征区的划分和位置、分布与面积大小等。材料缺陷在断口上所呈现的特征。若材料内部存在缺陷，则缺陷附近存在应力集中，因而在断口上留下缺陷的痕迹。,断口分析内容,断口微观分析,直接观察法工具：体视显微镜、光学显微镜和电子显微镜 体视显微镜应用于断口的初步分析中。光学显微镜观察一些比较平坦的断口。在裂纹和断口分析中，光学显微镜主要是用来分析裂纹的形态，如裂纹的走向及其与组织的关系等。断口观察的电子显微镜主要工具是扫描电镜。可以直接观察尺寸较大的断口，并可进行微区化学成分、晶体取向测定等一系列分析工作。,断口分析内容,断口微观分析,扫描电镜观察的基本技术首先对断口从扫描电镜所能达到的较低放大倍数(550倍左右)作初步的观察，以求对断口的整体形貌、断裂特征区有全局性的了解与掌握和确定重点观察部位，切忌一开始就在高倍率下进行局部观察。在整体观察的基础上，找出断裂起始区，并对断裂源区（包括源区的位置、形貌、特征、微区成分、材质冶金缺陷、源区附近的加工刀痕以及外物损伤痕迹等）进行重点深入的观察与分析。,断口分析内容,断口微观分析,扫描电镜观察的基本技术对断裂不同阶段的形貌特征要逐一加以观察。以疲劳断口为例，除了对疲劳源区要进行重点观察外，对扩展区和瞬断区的特征均要进行仔细的观察，找出各区断裂形貌的共性与特性。断裂特征的识别。各种材料在不同的外界条件下的断裂机制不同，留在断口上的形貌特征也不同。在识别断裂形貌特征的基础上，还要注意观察各种形貌特征的共性与特性。例如对疲劳条带要区分是塑性还是脆性条带以及条带间距的疏密等。,断口分析内容,断口微观分析,扫描电镜观察的基本技术断口照片的选择。断口照片包括：断口的全貌照片、断裂源区照片和反映扩展区、瞬断区特征的典型照片。断口的全貌照片可提供断裂形貌的整体概念。对于较大的断口，可采用同一放大倍数分段拍摄然后剪切拼接或用光学照相机拍摄。在全貌照片上应标明各特征区及微观形貌特征照片的位置。断裂源区要有不同放大倍数的照片23张，以显示源区的全貌及细节特征。对于判定断裂机理的微观形貌特征要用合适的放大倍数拍摄，以充分显示形貌特征细节为原则。对于不同区域疲劳条带间距的变化，最好采用同一放大倍数拍摄，使人一目了然。,断口分析内容,间接观察法复型观察法：以断口为原型，用一种特殊的材料制成很薄的断口“复型”，然后用显微镜对复型进行观察分析，以揭示断口特征。复型材料多用厚度0.1mm0.4mm的醋酸纤维薄膜(AC纸)。首先在断口上(或选定的特定部位上)滴以丙酮，将AC纸覆盖在断口表面上，用手指或橡皮从中心向边缘逐渐压紧，使塑料纸与断口表面紧密地贴合。经灯光或自然干燥后，用镊子轻轻地将AC纸揭下，再用丙酮将其另一面溶化后粘在玻璃板上，并展平贴牢，即可放到光学显微镜下进行观察。,断口微观分析,断口分析内容,断口的特殊分析,断口的剖面分析技术断口的剖面分析能有效揭示零件在制造、加工等过程中产生的缺陷、使用状况和环境条件等对断裂失效的影响。例如对夹杂物、脱碳、增碳、偏析、硬化深度、镀层厚度、晶粒大小、组织结构及热影响区等检查与分析。断口剖面分析技术是在断口上截取一定的剖面，剖面与断面相交的角度，一般可为6090。在截取之前要采用镀镍层或镶嵌法等保护断口表面不受损伤。断口表面的截取方向根据所要分析的具体内容来确定。研究断裂过程，要在平行裂纹扩展方向截取，使在断口剖面上能包含断裂不同阶段的区域；如仅是研究某一特定位置的情况，则截取方向垂直于裂纹扩展方向。,断口分析内容,断口的特殊分析,断口的剖面分析技术用来分析研究断口形貌与显微组织之间的对应关系、断裂过程、断裂机理、变形程度、表面状态及其损伤情况等。借助于显微硬度分析技术研究疲劳断口剖面，可以对裂纹尖端塑性区的形态，尤其是热疲劳剖面两侧不同显微硬度的变化、基体合金元素的变化情况等进行深入的研究。焊接零件的断裂失效，断裂往往起源于焊缝与过渡区或过渡区与基体之间的界面上，匹配断口上的显微组织及断口形貌特征不完全相同。在这种情况下，应用匹配断口剖面分析技术，对于研究断裂原因和断裂机理之间的关系能取得很好的结果。,断口分析内容,断口蚀坑分析技术利用腐蚀坑体积的几何参数与晶面指数之间的关系来分析晶体取向的技术。晶体材料在一定的腐蚀介质条件下，发生的腐蚀溶解是不均匀的，在一般情况下，晶体材料的低指数面被优先腐蚀溶解。各向异性腐蚀溶解，腐蚀结果呈现一个角锥体，即多面体的蚀坑。腐蚀坑的几何形状取决于材料的晶体结构，即材料的晶体结构不同，蚀坑的几何形状亦不相同。蚀坑分析技术可用于研究晶体取向，确定断口上的解理面、滑移面裂纹萌生的位置及裂纹局部扩展方向等,断口的特殊分析,断口分析内容,断口的定量分析断口的定量分析包括断口表面成分、结构和形貌特征的定量分析。断口表面成分定量分析是指表面平均成分、表面微区成分、元素的面分布与线分布以及元素沿断口深度变化情况等。断口表面结构的定量分析是指断裂小面的晶面指数，断面微区第二相的结构、数量，各微区表面之间的夹角等。断口形貌特征的定量分析包括断口表面上各种特征花样的线条与面积的多少与大小，断口形貌特征的数量与断裂条件尤其是断裂力学参量之间的定量关系。断口表面残余应力以及表面硬度的大小等。,断口的特殊分析,断口与失效分析,疲劳断裂失效分析,判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂疲劳断裂的类别疲劳断裂