SEM的斷口分析

1、第三節(jié) SEM的斷口分析 在試樣或構(gòu)件斷口分析方面，掃描電子顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)已 為人們所公認(rèn)。 制樣簡(jiǎn)單：它不需要象透射電子顯微鏡那樣制備復(fù)型，既省事又 不致在制備過(guò)程中引入假象。 連續(xù)放大（5-105-10萬(wàn)）：可以對(duì)斷口進(jìn)行低倍( (例如5 5倍左右) )大視 域觀察，某些感興趣的區(qū)域 ( (例如裂紋源) )進(jìn)行高倍觀察分析，皿 示斷口形貌的細(xì)節(jié)特征，揭示斷裂機(jī)理，如果儀器具有X X射線能諧 或波譜分析附件，還可以一步對(duì)組成相或某些環(huán)境介質(zhì)在裂紋產(chǎn) 生和發(fā)展過(guò)程中的作用進(jìn)行分析研究，那將更有助于揭示產(chǎn)生裂 紋的原因。 景深大；立體感強(qiáng)；層次豐富； 下面主要介紹幾種典型斷口形貌及其掃描電子顯微鏡

2、圖 像特點(diǎn)，以利于分析這些斷口的斷裂機(jī)理。 幾種典型斷口形貌 及其掃描電子顯微鏡圖像特點(diǎn) 一、按實(shí)驗(yàn)方式劃分（應(yīng)力方式） 拉伸斷口 沖擊試樣斷口 疲勞斷口 二、按韌性、脆性分類(lèi) 韌性斷口 1.脆性斷口 一、按實(shí)驗(yàn)方式劃分（應(yīng)力方式） 拉伸斷口 沖擊試樣斷口 疲勞斷口 1、拉伸斷口 1.1宏觀觀察（5 ）：三個(gè)區(qū)域 纖維區(qū)：裂紋源形成區(qū)，有一定灰度 放射區(qū)：裂紋擴(kuò)展區(qū)；裂紋擴(kuò)展方向：放射條紋 破斷區(qū)（剪切唇）：最后破斷 1.2微觀觀察（400以上 ） 纖維區(qū)：裂紋源形成區(qū) 大量韌窩（微坑）、撕裂棱（塑性變形的痕跡） 裂紋源形核：夾雜物、二相粒子、硬質(zhì)點(diǎn) 放射區(qū)：裂紋擴(kuò)展 剪切的韌窩 1.3韌性斷

3、口性能 韌性好 宏觀看：纖維區(qū)較大； 纖維區(qū)灰度 大； 放射區(qū)較小； 微觀看：韌窩大且深 塑性變形充 分 韌性差 纖維區(qū)較?。簧踔翛](méi)有 纖維區(qū)灰度?。簧踔列×咙c(diǎn) 放射區(qū)較大； 韌窩小且淺，甚至沒(méi)有 塑性變形充分 微觀放大照片 2、沖擊試樣斷口 主要體現(xiàn)放射區(qū)， 即裂紋擴(kuò)展區(qū) 人字型花樣 韌性或脆性 沖擊試樣斷口 準(zhǔn)解理花樣 3、疲勞斷口 疲勞斷口，從宏觀上看，疲勞斷口分成三個(gè)區(qū)城，即疲勞核心區(qū)、疲勞 裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)。 疲勞核心區(qū)：是疲勞裂紋最初形成的地方，一般起源于零件表面應(yīng)力集 中或表面缺陷的位置，如表面槽、孔，過(guò)渡小圓角、刀痕和材料內(nèi)部缺 陷，如夾雜、白點(diǎn)、氣孔等。 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)

4、：是疲勞斷口的最重要特征區(qū)域。它一般分為兩個(gè)階段。 第一階段，裂紋只有幾個(gè)晶粒尺寸，且與主應(yīng)力成45。，第二階段垂直 于主應(yīng)力，它是疲勞裂紋擴(kuò)糜的主要階段。 擴(kuò)展區(qū)斷口的主要特征：是存在疲勞紋，即一系列基本上相互平行的、 略帶彎曲的、呈波浪形的條紋。 一般每一條紋為一次載荷循環(huán)所產(chǎn)生，但一個(gè)載荷循環(huán)不一定都能產(chǎn)生 一條紋; 疲勞紋間距的寬度隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的大小而變。通常斷口上由許多大 小、高低不同的小斷面所組成，每塊小斷面上疲勞紋是連續(xù)的、平行的， 但相鄰斷面的疲勞紋是不連續(xù)的、不平行的，如圖所示。 疲勞斷口 二、按韌性、脆性分類(lèi) 典型韌性斷口 典型脆性斷口() 解理斷裂 準(zhǔn)解理斷裂 沿晶斷

5、裂 韌性斷口 韌性斷裂斷口： 大量觀察表明，微坑一般均形核于夾雜物、第二相粒子或硬質(zhì)點(diǎn)處， 因它們與基體之間結(jié)合力較弱，在外力作用下便容易在界面發(fā)生破 裂而形成微孔，然后逐漸長(zhǎng)大成微坑。 掃描電子顯微鏡景深大，因此能夠清晰地顯示微坑底部的夾雜物或 第二相粒子，從圖上可看出這類(lèi)質(zhì)點(diǎn)與微坑幾乎是一一對(duì)應(yīng)的，說(shuō) 明一個(gè)夾雜物或第二相粒子就是一個(gè)微坑的形核位置。 微坑的形狀：有等軸、剪切長(zhǎng)形和撕裂長(zhǎng)形三種，如圖所示。 當(dāng)斷裂是由微孔聚集方式進(jìn)行時(shí)，其斷面上將出現(xiàn)微坑。按作用在 金屬材料上的應(yīng)力狀態(tài)， 韌性斷口 如果材料在普遍屈服的情況下發(fā)生斷裂，即韌 性斷裂，其斷口一定是微坑聚集型的。 但是，如果材料

6、在未曾發(fā)生普遍屈服情況下發(fā) 生斷裂，雖斷口兩側(cè)微區(qū)發(fā)生變形，存在大量 微坑，就整個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)仍屬脆性斷裂。所以這 樣的斷口形貌只說(shuō)明斷裂過(guò)程是按微坑聚集型 的方式進(jìn)行的，它不是延性斷裂的同義詞。 韌窩（微坑） 二.2.1解理斷裂 二.2.1.1解理斷口： 穿晶斷裂：解理斷裂 是金屬在拉應(yīng)力作用 下，由于原子間結(jié)合 鍵的破壞而造成的穿 晶斷裂。通常是沿著 一定的，嚴(yán)格的晶面 (解理面)斷開(kāi)，有時(shí) 也可以沿著滑移面或 孿晶面發(fā)生解理斷裂。 脆性斷裂：一般說(shuō)解 理是脆性斷裂，但并 不意味著所有的解理 斷裂都是脆性的，因 為有的還伴有一定程 度的塑性變形。 二.2.1.2典型的解理斷口特點(diǎn): 解理臺(tái)階

7、河流狀花樣 舌狀花樣 二.2.1.2.1解理臺(tái)階 從理論上說(shuō)在單個(gè)晶塊內(nèi)解理 斷口應(yīng)是一個(gè)平面。但是實(shí)際 晶體難免存在缺陷，如位錯(cuò)、 夾雜物、沉淀相等，所以實(shí) 際的解趣面是一簇相互平行的 (具有相同晶面指數(shù))、位于不 同高度的晶面。不同高度解理 面之間存在著“臺(tái)階”。 掃描電子顯微鏡觀察表明解理 斷口上存在著許多“臺(tái)階”， 由于“解理臺(tái)階”邊緣形狀尖 銳，電子束作用體積接近甚至 暴露于表面（角大，大 ）， 所以在掃描電子顯微鏡圖像上 顯得邊緣異常的亮，如圖所示。 低溫Sn-Ti合金，解理脆 解理臺(tái)階 河流狀花樣的形成 二.2.1.2河流狀 花樣 “河流狀花樣”是解理斷裂最重要的特征。在解理裂紋

8、 的擴(kuò)展過(guò)程中，眾多的臺(tái)階相互匯合便形成河流狀花 樣。它由“上游”講多較小的臺(tái)階匯合成“下游”。 較大的臺(tái)階。 “河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致。 擴(kuò)展方向：根據(jù)河流的流向，可以判定解理裂紋在微 小區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展方向。對(duì)于實(shí)際金屬材料來(lái)說(shuō)，由于大 多數(shù)是多晶體，存在著晶界和亞晶界，當(dāng)解理裂紋穿 過(guò)晶界時(shí)將發(fā)生“河流”的激增或突然終止。這與相 鄰晶塊的位向和界面的性質(zhì)有關(guān)。 晶粒大?。ňЫ缗卸ǎ汉恿鞯钠涫寂c終結(jié)。 二.2.1.3舌狀花樣 也是解理斷裂重要特征之一。它的形成與裂紋沿孿晶- 基體界面擴(kuò)展有關(guān)。 這種孿晶是由解理裂紋以很高速度向前擴(kuò)展時(shí)塑變只 能以機(jī)械孿晶的方式進(jìn)行而在裂紋前端形成的，如

9、圖 所示，并常發(fā)生在低溫。由于“舌”的形狀關(guān)系，當(dāng) 一側(cè)面向檢測(cè)器時(shí)，另一側(cè)背向；加上傾斜角度不一 樣，因此在掃描電子顯微鏡圖像上，解理舌的一側(cè)顯 得亮，而另一側(cè)則暗，如圖所示。 A3鋼，100O0C退火，在-l960C拉伸斷裂時(shí)產(chǎn)生的舌狀花樣斷口的二次電子 像 舌狀花樣 二.2.2準(zhǔn)解理斷口 準(zhǔn)解理斷口：準(zhǔn)解理斷裂雖說(shuō)屬解理斷裂，但兩者 又不完全相同，因此它有解理斷裂變種的說(shuō)法。近期 工作表明，準(zhǔn)解理斷口實(shí)質(zhì)上是由許多解理面組成的； 斷口特征 ：許多短而彎曲的撕裂棱線條，由點(diǎn) 狀裂紋源向四周放射的河流花樣，斷面上有凹 陷和二次裂紋等，如圖所示。這種斷口首先在 馬氏體回火鋼中發(fā)現(xiàn)。 準(zhǔn)解理斷口

10、 微坑 小臺(tái)階 撕裂棱 波紋 剪切面 扇形面 準(zhǔn)解理斷口 二.2.2沿晶斷裂 沿晶斷裂斷口：沿晶斷裂(或晶間斷裂)指的是多晶體 沿晶粒界面彼此分離。 氫脆、應(yīng)力腐蝕、蠕變、高溫回火脆性以及焊接熱 裂紋等常發(fā)生晶間斷裂。 通常沿晶斷裂總是脆性的。由于晶粒是多面體，因 此晶間斷裂斷口的主要特征是有晶界刻面的冰糖狀 形貌。 然而，某些材料的晶間斷裂卻顯示很大的延性，斷 口上除呈現(xiàn)晶間斷裂特征外，還有微坑。后者叫做 晶間韌性斷裂。 氫脆 氫脆 -Fe 脫C,N；充氫氣 -Fe 脫C,N ；充氫氣 晶界硬化 ， 晶內(nèi)軟化 ； 晶界軟化 ， 晶內(nèi)硬化 ； 均體現(xiàn)氫脆 氫脆（沿晶斷裂） SEM優(yōu)缺點(diǎn) 特點(diǎn)： 1、特別適用于表面形貌觀察（尤其是斷口）； 立體感強(qiáng)，層次豐富，景深大 2、分辨率較高，幾十 ，甚至15 。（ 為原子尺度） 3、連續(xù)放大： 5 至10萬(wàn) （甚至20萬(wàn) ） 宏觀與微觀組織過(guò)渡、結(jié)合及對(duì)應(yīng)的好 4、制樣簡(jiǎn)單： a 尺寸大小合適，15mm 15mm （特殊25mm，35mm， 100mm） b 導(dǎo)電（避免電荷集中效應(yīng)）；不導(dǎo)電材料需噴C、Au c 清潔干燥（晾置15分鐘以上），無(wú)油污 SEM局限性 1、僅于表面形貌觀察； 結(jié)構(gòu)分析較差 2、分辨本領(lǐng)趕不上TEM的原子尺度 另、