金屬材料的裂紋與斷口分析課件

1、金屬材料的裂紋與斷口分析,1,金屬材料失效分析,第2講 裂紋與斷口分析,（Failure analysis of metallic materials）,編講：江靜華,金屬材料的裂紋與斷口分析,2,2,第2講 裂紋與斷口分析,第一節(jié) 裂紋與斷口 第二節(jié) 裂紋分析 第三節(jié) 斷口分析,金屬材料的裂紋與斷口分析,3,3,第一節(jié) 裂紋與斷口,完整金屬在應(yīng)力作用下,某些薄弱部位發(fā)生局部破裂而形成的一種不穩(wěn)定缺陷。,直接破壞材料的連續(xù)性 應(yīng)力集中(多數(shù)裂紋尾端較尖銳) 金屬發(fā)生低應(yīng)力下破壞,裂紋(裂縫),實(shí)際金屬零件中不可避免存在各種微裂紋。 可能產(chǎn)生于工藝或使用過(guò)程中,在特定載荷或環(huán)境條件下逐漸產(chǎn)生并逐

2、漸長(zhǎng)大,一旦擴(kuò)展到臨界尺寸,零件即發(fā)生完全破壞斷裂! 通過(guò)無(wú)損檢測(cè),內(nèi)部有超過(guò)按斷裂力學(xué)計(jì)算的臨界尺寸的裂紋或缺陷的零件,應(yīng)報(bào)廢!,1.1 裂紋與斷口的本質(zhì),金屬材料的裂紋與斷口分析,4,4,金屬構(gòu)件在應(yīng)力作用下分離為互不相連的兩個(gè)或兩個(gè)以上部分,斷裂處暴露出的自然表面(即裂紋掃過(guò)的面積)稱為斷口。 形貌特征裂紋擴(kuò)展留下的痕跡。,斷 口,與斷裂過(guò)程有關(guān)信息的直接記錄 (忠實(shí)記錄者和見(jiàn)證者) 判別失效原因的有利證據(jù) (根據(jù)斷口主裂紋判別裂紋源),金屬材料的裂紋與斷口分析,5,5,金屬材料的斷裂過(guò)程 三個(gè)階段：-裂紋萌生； -裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展； -斷裂。,低速穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展:5m/s 非穩(wěn)態(tài)快速擴(kuò)

3、展:1Km/s,聲速：空氣(25) 346m/s,金屬材料的裂紋與斷口分析,6,金屬構(gòu)件可能在制造、成形或使用階段的啟裂、萌生裂紋, 受不同的環(huán)境因素及承載狀態(tài)的影響而使裂紋擴(kuò)展直至斷裂。 不同特征的各種類型斷裂!,a. 按斷裂前變形程度分類 完全脆性斷裂和完全韌性斷裂是較少見(jiàn)的，通常是出現(xiàn)脆性和韌性的混合型斷裂。,撕裂韌窩與剪切韌窩,混合型,1.2 斷裂失效形式 ?,金屬材料的裂紋與斷口分析,7,7, 韌性斷裂與斷口特征,（屈服強(qiáng)度）,機(jī) 理,金屬材料的裂紋與斷口分析,8,8,(微觀）,(宏觀）,金屬材料的裂紋與斷口分析,9,9, 脆性斷裂與斷口特征,Q：何種晶體結(jié)構(gòu)材料易出現(xiàn)脆性斷裂？,(

4、宏觀）,金屬材料的裂紋與斷口分析,10,10,薄板表面,薄板側(cè)面-斷口,金屬材料的裂紋與斷口分析,11,11,b. 按裂紋擴(kuò)展路徑分類,沿晶,穿晶,混晶,金屬材料的裂紋與斷口分析,12,12,c. 按裂紋機(jī)制分類,金屬材料的裂紋與斷口分析,13,13,純剪切,微孔聚集型斷裂,韌窩,金屬材料的裂紋與斷口分析,14,14,d.按受力狀態(tài)不同分類,e. 按環(huán)境介質(zhì)不同分類,金屬材料的裂紋與斷口分析,15,15,f. 按服役條件分類,金屬材料的裂紋與斷口分析,16,16,1.3 裂紋與斷口 的分析手段,宏觀觀察 ( 肉眼, 放大鏡) 顯微分析 ( OM SEM TEM) 顯微裂紋磁力探傷、熒光探傷、超

5、聲波探傷 X光探傷和低倍侵蝕 等 產(chǎn)物分析（EDXXRDXPS等）,基本原則用盡可能簡(jiǎn)單的儀器 得到滿意的結(jié)果!,萬(wàn)能軋機(jī)雙排人字齒輪軸劈裂形貌,（無(wú)損檢測(cè)）,金屬材料的裂紋與斷口分析,17,17,斷口形貌觀察工具的特性比較,金屬材料的裂紋與斷口分析,18,18,第二節(jié) 裂紋分析,金屬零件在各種加工過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋(如:鑄造裂紋、焊接裂紋、白點(diǎn)、熱處理裂紋等), 往往是零件的斷裂源。,工藝裂紋,金屬零件在使用過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋,如:應(yīng)力腐蝕裂紋(包括氫脆裂紋) 、疲勞裂紋和蠕變裂紋。,使用裂紋,拉伸,扭轉(zhuǎn),金屬材料的裂紋與斷口分析,19,19,2.1 裂紋分析思路與內(nèi)容,殘骸拼合、復(fù)原,肇事件判

6、斷,主裂紋判斷,裂紋源位置,裂紋源特征,裂紋萌生位置,裂紋源附近狀況,金屬材料的裂紋與斷口分析,20,20,2.2 主裂紋與裂紋源位置的確定,裂紋源 通常起源于零件的應(yīng)力集中處,或材料缺陷(裂紋處) 。通常主裂紋較二次裂紋寬而長(zhǎng),裂紋源區(qū)一定在主裂紋上,且在二次裂紋擴(kuò)展的反方向上(如圖) -多枝型法。,后生的裂紋是不可能穿越原有的裂紋的, 由此可判定相遇裂紋中哪一條為主裂紋 -T型法則。,多枝型法示意圖,T型法示意圖,金屬材料的裂紋與斷口分析,21,21,第三節(jié) 斷口分析,斷口分析思路與步驟 1. 斷口樣品的制備與保存 2. 斷口的宏觀觀察(判定裂紋源) 3. 斷口的顯微觀察 4. 斷口截面分

7、析 (確定斷裂路徑與組織關(guān)系) 5. 失效類型確定和失效原因判斷,金屬材料的裂紋與斷口分析,22,22,3.1 斷口樣品的制備與保存,a. 斷口樣品的選取,b. 斷口樣品的切割,金屬材料的裂紋與斷口分析,23,23,判定主裂紋的方法,檢驗(yàn)斷口，氧化最嚴(yán)重區(qū)為最先斷裂區(qū)（主裂紋形成）,將散落斷口拼合，測(cè)量其幾何形狀變化，變形量最大的為主裂紋。,金屬材料的裂紋與斷口分析,24,24,金屬材料的裂紋與斷口分析,25,25,判定裂紋源的方法,碎塊拼湊法,最小應(yīng)變法,人字形法,放射標(biāo)記法,剪切唇法,貝紋花樣法,構(gòu)件形成裂紋并逐漸裂開后，有效截面越來(lái)越小，宏觀變形逐漸增大, 通常源區(qū)是幾乎不變的。,金屬材

8、料的裂紋與斷口分析,26,26,碎塊拼湊法,從碎塊拼形的大小或密合程度可判別那個(gè)是先斷開的。(A裂紋密合程度差，是先斷開的) 。,當(dāng)表面無(wú)應(yīng)力集中, 裂紋源區(qū)在兩組“人”字形的匯合處，即“人”字上部指向裂源。 若表面有應(yīng)力集中（存在缺口），“人”字下部指向裂源。,人字形法,金屬材料的裂紋與斷口分析,27,27,美國(guó)順納德球形儲(chǔ)氫壓力容器碎片拼合后的一個(gè)視圖,據(jù)斷口人字條紋矢形方向匯集到清掃孔A、B、C處，從而斷定裂紋源于清掃孔處。,金屬材料的裂紋與斷口分析,28,28,放射標(biāo)記法,剪切唇法,非完全脆性的斷裂就有剪切唇。 斷口上只有纖維區(qū)和剪切唇時(shí)，裂紋是從試樣中心的纖維區(qū)內(nèi)外擴(kuò)展的，該情況的材

9、料塑性較好。 斷口同時(shí)有纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇，則塑性變形限制于裂紋前端區(qū)域內(nèi)。,在斷口上若有疲勞的貝紋線，則根據(jù)疲勞條紋的弧線確定疲勞源。,貝紋花樣法,疲勞斷口的貝紋線，從裂紋源呈放射狀,源區(qū),金屬材料的裂紋與斷口分析,29,29,c. 斷口樣品的清洗和保存,帶灰塵或其他附著物的斷口,金屬材料的裂紋與斷口分析,30,30,清潔斷口,帶油污的斷口,金屬材料的裂紋與斷口分析,31,31,銹蝕較嚴(yán)重的斷口,金屬材料的裂紋與斷口分析,32,32,在腐蝕環(huán)境下斷裂的斷口,金屬材料的裂紋與斷口分析,33,33,3.2 宏觀斷口分析,斷口的宏觀分析是斷裂失效分析的基礎(chǔ)。通過(guò)宏觀分析，可直接確定斷裂的宏觀表

10、現(xiàn)及其性質(zhì)，以及斷裂源區(qū)的位置、數(shù)量及裂紋擴(kuò)展方向等。,金屬材料的裂紋與斷口分析,34,34,金屬斷口宏觀分析的依據(jù)主要有：斷口的顏色、花紋、粗糙程度、邊緣情況、位置等。,纖維區(qū)吸收大量塑性變形功而喪失金屬光澤,靜載拉伸斷口,金屬材料的裂紋與斷口分析,35,35,拉伸試樣的斷口比較,脆性斷裂,韌性斷裂,點(diǎn)狀破裂,韌 性 好,金屬材料的裂紋與斷口分析,36,36,根據(jù)斷口表面粗糙度及反光情況可以大致 判斷斷裂的性質(zhì)。 由斷裂前塑性變形量大小及斷口形貌特征， 可大體判斷斷裂的類型是韌性的、脆性的還 是疲勞斷裂。 由裂紋形狀確定斷裂源和裂紋擴(kuò)展的方向,斷 口 三 要 素,工程構(gòu)件中常出現(xiàn)的兩種 韌性

11、斷裂宏觀形貌,常發(fā)生在滑移形變不受約束或約束較小的情況。如:平板承受拉伸載荷，薄壁容器過(guò)載, 器壁承受雙向拉伸載荷。,在直徑較大、沒(méi)有缺陷及缺口的光滑圓 棒試樣慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)材料韌性好，通常出現(xiàn)韌性斷裂。,杯錐狀斷口,純剪切斷口,單一滑移系啟動(dòng),金屬材料的裂紋與斷口分析,37,37,韌性斷口宏現(xiàn)形貌 非杯-錐狀 有外周缺口圓棒試樣,薄板,厚板,放 射 區(qū) 增 加,金屬材料的裂紋與斷口分析,38,38,脆性斷裂的斷口宏觀形貌,大多數(shù)是穿晶解理型的，其斷口的宏觀形貌具有兩個(gè)明顯的特征: 小刻面 由于各晶粒解理面與斷裂面位向不相同，若把斷口放在手中旋轉(zhuǎn)時(shí)，將閃閃發(fā)光，像存在許多分鏡面似的。,人

12、字條紋或山形條紋 隨著裂紋的發(fā)展，由斷裂源點(diǎn)形成的人字紋“或山形紋”變粗(圖中箭頭指示方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向)。,金屬材料的裂紋與斷口分析,39,39,沿晶斷裂和解理斷裂一般都是脆性斷裂，所以斷口上常能觀察到放射狀特征，對(duì)于純沿晶或純解理斷口，將不存在纖維區(qū)及剪切唇區(qū)。,沿晶斷口 在一些具有極粗大晶粒的材料中，其沿晶斷裂的宏觀斷口呈現(xiàn)“冰糖狀”特征。若晶粒很細(xì)，須在電子顯微鏡下才能辨認(rèn)。,解理斷口 宏觀形態(tài)除能觀察到放射狀條紋外，還具有結(jié)晶狀形態(tài)，有許多強(qiáng)烈反光的小平面(或稱刻面)。在有些純解理斷口上只有結(jié)晶狀而看不到放射花樣。,金屬材料的裂紋與斷口分析,40,40,疲勞斷口的宏現(xiàn)形貌,應(yīng)根據(jù)疲勞

13、條紋的密度、疲勞源區(qū)的光亮度和臺(tái)階情況來(lái)確定疲勞源的起始次序。 最初疲勞源區(qū)經(jīng)歷交變負(fù)荷作用的時(shí)間長(zhǎng)，疲勞條紋密度大，同時(shí)比較光澤明亮。,最初疲勞源區(qū),金屬材料的裂紋與斷口分析,41,41,缺口敏感性對(duì)疲勞斷口形態(tài)的影響,若材料對(duì)缺口不敏感疲勞條紋繞著裂紋源或成為向外凸起的同心形狀 對(duì)缺口敏感疲勞條紋繞著裂源外開始較為平坦，向前擴(kuò)展一定距離即以反弧形向前擴(kuò)展。,金屬材料的裂紋與斷口分析,42,42,負(fù)荷類型、應(yīng)力集中程度和負(fù)荷大小 對(duì)疲勞斷口形態(tài)的影響示意圖,斷裂區(qū),擴(kuò)展區(qū),金屬材料的裂紋與斷口分析,43,43,幾種重要斷裂方式的斷口特征,金屬材料的裂紋與斷口分析,44,44,金屬材料的裂紋與

14、斷口分析,45,45,沖擊斷口斷口三要素分布示意圖,若材料塑性足夠好，則放射區(qū)完全消失,一般情況下，缺口附近先形成纖維區(qū)，然后是放射區(qū)及剪切唇，剪切唇沿?zé)o切口的其它三側(cè)邊分布。 擺錘沖擊下，缺口一側(cè)受拉應(yīng)力，另一側(cè)受壓應(yīng)力。整個(gè)斷面上受力方向不同，所以當(dāng)受拉應(yīng)力的放射區(qū)進(jìn)入受壓區(qū)時(shí)可能會(huì)消失而重新出現(xiàn)纖維區(qū)(如圖所示)。,剪 切 唇,纖維區(qū),放射區(qū),金屬材料的裂紋與斷口分析,46,46,當(dāng)應(yīng)變速率、溫度時(shí), 絕大多數(shù)材料變得更強(qiáng)但更脆。 溫度越低,剪切唇數(shù)量越少。 高應(yīng)變速率的試樣對(duì)應(yīng)的斜面斷裂（剪切唇）較少。,沖擊斷口 表面中覆蓋的剪切唇 （斜面斷裂面）的百分?jǐn)?shù),剪切唇,金屬材料的裂紋與斷口

15、分析,47,47,應(yīng)力腐蝕和氫脆斷口宏觀形貌,應(yīng)力腐蝕 裂紋源常產(chǎn)生于構(gòu)件表面，斷口的裂紋源及亞臨界擴(kuò)展區(qū)因介質(zhì)的腐蝕作用而至黑色或灰黑色。,氫脆斷裂 若是冶煉過(guò)程中形成氫分子，則當(dāng)鋼水冷卻時(shí)常在夾雜物等缺陷處析出或聚集，形成斷口上的“白點(diǎn)”或“魚眼”特征。 若由外界環(huán)境中氫侵入材料后發(fā)生( 如酸洗液、電鍍液等) 的沿晶斷裂，斷口有放射狀或結(jié)晶狀等脆性特征。,魚眼,金屬材料的裂紋與斷口分析,48,48,白點(diǎn),白點(diǎn)是由于鋼中氫含量過(guò)高引起的一種缺陷,金屬材料的裂紋與斷口分析,49,49,金屬材料的裂紋與斷口分析,50,50,3.3 微觀斷口分析,根據(jù)斷口微觀形貌特征可判定斷裂的類型， 從裂紋源處

16、查明斷裂原因。它還能進(jìn)行斷裂失 效的定量分析，如進(jìn)行韌性的定量測(cè)量，分析 測(cè)定裂紋的擴(kuò)展速率、斷裂過(guò)程與影響因素之 間的定量關(guān)系等。,斷口微觀形貌中，韌窩、解理花樣、疲勞輝紋等分別 是判斷金屬韌性斷裂、解理斷裂和疲勞斷裂的主要依據(jù),分析內(nèi)容：產(chǎn)物分析 + 形貌分析,金屬材料的裂紋與斷口分析,51,51,疲勞條紋 沿晶脆性斷裂（500） 解理斷裂（1000 ）,基本斷裂機(jī)制的 典型微觀形貌,準(zhǔn)解理斷裂（2000） 韌窩斷裂（2000 ）,金屬材料的裂紋與斷口分析,52,52,光鏡分析法,可將斷口直接放到顯微鏡下觀察，但必需注意當(dāng)斷口上有尖端或毛刺而妨礙透鏡接近斷口時(shí)，可用工具消除以免損傷顯微鏡的

17、鏡頭。 OM分析斷口的特殊技術(shù):,復(fù)型 不能進(jìn)實(shí)驗(yàn)室而又不宜現(xiàn)場(chǎng)觀察的大型破斷零件，或斷口起伏太大而妨礙照相，用復(fù)型可對(duì)破斷零件斷口提供永久的記錄。,常用的復(fù)型較厚，故較少發(fā)生變形成坍陷。一般制備過(guò)程是在斷口上淌上一薄層很粘的醋酸纖維丙酮溶液，然后把一片厚的醋酸纖維膠帶(厚度025-040mm)用手壓在涂層上，約1min，待干燥后將復(fù)型從斷口上剝離。 若要增加反差,可氣相沉積碳或金;要獲得正復(fù)型,可涂上環(huán)氧樹脂再用丙酮溶解掉原復(fù)型。,A. 主要分析儀器,金屬材料的裂紋與斷口分析,53,53,切片和斷口剖面的研究 斷口附近切片研究有助于確定斷口與破斷件顯微組織之間的關(guān)系，確定裂紋擴(kuò)展走向是穿晶還

18、是沿晶的, 充分顯示裂源部位的顯微組織和裂紋之間的關(guān)系，更有助于分析零件失效的原因。 觀察時(shí)，為使斷口的棱邊保存下來(lái)，常采用鑲嵌方法。在切片鑲嵌之前，若將試樣斷口鍍上鎳，有利于斷口棱邊完好地保存下來(lái)。,合成氨管道腐蝕失效件 斷口切片試樣 沿晶腐蝕裂紋（80）,金屬材料的裂紋與斷口分析,54,54,鍍鎳,鍍鎳,鎳,鎳,片,低碳鋼管件應(yīng)力腐蝕斷口利用邊緣鍍鎳金相保護(hù)觀察,純鐵低溫沖擊試驗(yàn)解理破壞截面邊緣鍍鎳金相保護(hù)觀察,金屬材料的裂紋與斷口分析,55,55,TEM分析方法,一次碳復(fù)型通常是在試驗(yàn)室中的試驗(yàn)斷口時(shí)使用，或是為了對(duì)斷口上第二相質(zhì)點(diǎn)或夾雜作電子衍射分析時(shí)使用。 二次復(fù)型 采用AC紙作過(guò)渡

19、故可以不破壞斷口而反復(fù)多次作復(fù)型，因而在失效斷口分析中應(yīng)用更為廣泛。,斷口復(fù)型示意圖,一次碳復(fù)型,二次復(fù)型,AC紙,金屬材料的裂紋與斷口分析,56,56,SEM分析方法,優(yōu)點(diǎn): 景深大、可直接觀察斷口, 不需制備 復(fù)型、能從低倍到高倍連續(xù)定點(diǎn)觀察,試樣制備 試樣尺寸要小，能裝入試樣室。 切割時(shí)不能擦傷斷口和腐蝕 沉積金屬增加二次電子象清晰度。,金屬材料的裂紋與斷口分析,57,57,金屬材料的裂紋與斷口分析,58,58,俄歇電子能譜儀分析斷口,最有成效的是探測(cè)致脆元素，如暴露在斷口晶界面上的銻、鉍、砷、硫、磷等有害元素，因而可研究沿晶斷口晶界脆斷的原因。 通過(guò)對(duì)斷口表面元素的檢測(cè)來(lái)研究腐蝕引起的

20、失效。,金屬材料的裂紋與斷口分析,59,59,離子探針斷口表面分析,可分析斷口表面的元素分布情況 具有探測(cè)所有元素的優(yōu)點(diǎn)， 檢測(cè)靈敏度很高(可達(dá)到100ppm含量) 分析沿晶界元素偏聚 分析氫脆斷口的氫含量,金屬材料的裂紋與斷口分析,60,60,解理斷口,解理斷裂是指在一定條件下，金屬因受拉應(yīng)力作用而沿某些特定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生分離的過(guò)程。多數(shù)解理面是原子密排面。,FCC金屬很少有解理斷口。 低溫、高應(yīng)變率、三向應(yīng)力狀態(tài)的存在(如缺口、裂紋尖端等)、腐蝕環(huán)境中有活性介質(zhì)吸附郁有利于產(chǎn)生解理斷裂。,B. 金屬斷口的基本顯微形貌,金屬材料的裂紋與斷口分析,61,61,觀察解理斷口的微觀形貌時(shí)常能發(fā)現(xiàn)

21、一些韌窩特征。,兩解理裂紋相連示意圖,解理臺(tái)階,在某一晶面上擴(kuò)展的解理裂紋遇到位錯(cuò)等缺陷后受阻，會(huì)轉(zhuǎn)移到相鄰的晶面上繼續(xù)擴(kuò)展，這些面又有高低層次差。如一組基本上平行而高低不同的解理面上裂紋相互連接，就形成臺(tái)階。,臺(tái)階面是解理面或是孿晶與基體的界面。,金屬材料的裂紋與斷口分析,62,62,河流花樣,若干解理臺(tái)階組合在一起，合成的條紋，形狀如地圖上的河流，故稱為河流花樣。,上游支流匯合成下游干流。河流的流向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向，裂源則位于河流的上游，若沿河流溯流而行可確定斷裂源。 從解理臺(tái)階上看，河流的下游往往臺(tái)階較大，而上游則較小，這是解理斷口最具特色的顯微形貌。,金屬材料的裂紋與斷口分析,63,63,河流花樣解理階的特點(diǎn) 支流解理階的匯合方向代表斷裂擴(kuò)展方向； 匯合角的大小同材料的塑性有關(guān)，而解理階的分布面積和解理階的高度同材料中位錯(cuò)密度和位錯(cuò)組態(tài)有關(guān)。 對(duì)河流花樣解理階進(jìn)行分析，可幫助尋找主斷裂源的位置，判斷金屬的脆性程度，確定晶體中位錯(cuò)密度和位錯(cuò)容量。,金屬材料的裂紋與斷口分析,64,64,金屬材料的裂紋與斷口分析,65,65,舌狀花樣,在BCC金屬和合金的解理斷口上，?？煽吹酵钩龌虬枷莸摹吧酄罨印?。晶體解理裂紋轉(zhuǎn)移到孿晶面上擴(kuò)展一段距離，重新回到(100)面時(shí)，突出的攣晶面就會(huì)構(gòu)成舌狀花樣。這種孿晶主要是前進(jìn)著的裂縫尖端附近由于塑性形變而形成