常見斷口的失效分析-2

1、常見材料失效形式與分析1.概述材料失效分析技術包括：感官檢查、斷口分析、化學成分分析、力學性能測試、組織 分析、無損檢測、殘余應力測試、結構受力分析、使用維護分析、環(huán)境分析等。其中斷口分 析是重要的一環(huán)。材料失效形式有斷裂、變形、腐蝕、磨損等。在機械裝備的各類失效中以斷裂失效最 主要、危害最大。斷口是斷裂失效中兩斷裂分離面的簡稱。斷口真實地記錄了裂紋由萌生、 擴展直至失穩(wěn)斷裂全過程的各種與斷裂有關的信息。 對斷口進行定性和定量分析， 可為斷裂 失效模式及斷裂類型的確定提供有力依據(jù)， 為斷裂失效原因的診斷提供線索， 并且可以作為 沖擊試驗轉變溫度的確定依據(jù)。 斷口金相學不僅能在設備失效后進行診斷

2、分析， 還可為新產 品、新裝備投入使用進行預研預測。本實驗的主要內容為：觀察不同載荷下失效的金屬斷口的宏觀形貌和微觀形貌，掌握 其宏觀形貌特征和微觀形貌特征。2.實驗目的（1）了解拉伸、沖擊、疲勞斷口各特征區(qū)的構成及形貌特征；（2）掌握判定斷口承載類型及斷裂性質的方法。3.實驗裝置及材料（1）掃描電子顯微鏡（ JSM-6390A 型）一臺；（2）超聲清洗儀（ SCQ-200 ）一臺；（3）拉伸、沖擊、疲勞斷口試樣若干；（4）放大鏡一只；（5）吹風機一只 ；（6）丙酮、無水酒精 、導電膠帶若干。4. 實驗原理4.1 斷口形貌特征：（1）宏觀形貌特征 包括斷口附近的殘留塑性變形特征， 如：縮頸量的

3、多少、 表面的凹凸程度， 有無剪切唇 等；斷口的光澤和顏色：各區(qū)域的顏色及亮、暗程度，氧化腐蝕產物的顏色；斷口的形貌特 征花樣： 如纖維狀、 結晶狀、 發(fā)光小平面、 放射線、 弧形線等； 特征區(qū)的位置、 分布、 面積； 材料內部缺陷的痕跡等。（2）微觀形貌特征 斷口上常見的微觀特征有：韌窩，特征包括微孔深度、大小，微孔形態(tài)（等軸、剪切、 撕裂）等；滑移，具有滑移線、蛇形花樣、漣波花樣和延伸區(qū)（平直區(qū)）等特征；解理，包 括臺階、河流、舌狀、扇形、魚骨狀花樣及瓦納線等特征。準解理，介于解理斷裂與塑性斷 裂間的一種過渡斷裂形式，具有解理小平面、撕裂棱、淺韌窩、漣波花樣及延伸區(qū)等特征； 沿晶斷裂，具有

4、巖石狀、冰糖狀等特征；疲勞，具有條帶、二次裂紋、輪胎花樣等特征；腐 蝕，具有氧化物、腐蝕產物、泥紋等特征。4.2 斷口的分類 （1）按斷口表面宏觀變形分：有：脆性斷口、韌性斷口、韌-脆混合斷口。（ 2）按斷口表面宏觀取向分：有正斷斷口、切斷斷口、正-切混合斷口。（3）按斷口表面微觀斷裂路徑分：有沿晶斷口、穿晶斷口。（4）按斷口表面微觀形貌分：有解理斷口、準解理斷口、韌窩斷口、疲勞斷口、沿晶斷口等。一般情況下的斷口為混合形貌斷口。例如，同時存在解理、疲勞和韌窩，或疲勞和韌窩 共存，韌窩和準解理共存等。有時宏觀斷口不同區(qū)域顯示不同類型的微觀形貌。4.3 斷裂類型的分類 有解理斷裂、準解理解理斷裂、

5、韌性斷裂、疲勞斷裂、沿晶斷裂等。疲勞斷裂又分為： 機械疲勞 （應力疲勞、 應變疲勞、 接觸疲勞）、 腐蝕疲勞、 高溫疲勞、 熱疲勞、 微動疲勞等。 沿晶斷裂按原因又分為氫脆、應力腐蝕、蠕變、液態(tài)金屬致脆等類型。4.4 韌性斷口的特征從宏觀外貌來看， 韌性斷口一般分為杯錐狀、 鑿峰狀、 純剪切斷口等。 其中塑性金屬光 滑圓棒試樣拉伸杯錐狀斷口是一種最為常見的韌性斷口。 其基本特征通常表現(xiàn)為三個特征區(qū) 即纖維區(qū)、 放射區(qū)和剪切唇區(qū)。 這三個特征區(qū)是斷口的三要素。 纖維區(qū)晶粒呈纖維狀 （或鵝 毛絨狀），顏色發(fā)暗，是裂紋緩慢、穩(wěn)定擴展區(qū)，放射區(qū)是裂紋快速、不穩(wěn)定擴展區(qū)域，其 特征是放射花樣。 其放射方

6、向與裂紋擴展方向平行， 垂直于裂紋前沿， 并逆指向裂紋源。 放 射花樣的形態(tài)分放射纖維、放射剪切兩種。剪切唇是最后斷裂的區(qū)域，其表面較光滑。在不同載荷下， 斷口表面的形態(tài)會有所不同。 靜拉伸應力造成的韌性斷口往往呈杯錐狀（圓棒試樣）或呈 45°切斷斷口，頸縮明顯；靜壓縮應力造成的韌性斷口往往呈45°切斷斷口；靜扭轉應力造成的斷口與扭轉軸呈90°表面通常為漩渦狀，裂紋多從表面缺陷處萌生；靜彎曲應力造成的斷口存在由中性軸分隔開的受拉區(qū)和受壓區(qū)， 斷裂由受拉的一側向受 壓的一側進行， 伴有顯著的塑性變形并形成剪切唇； 沖擊應力造成的缺口塑性變形集中在局 部區(qū)域， 斷口上

7、的纖維成行排列， 每排纖維的法線方向與裂紋擴展方向一致。 斷口上通常有 剪切唇，但往往不完整。缺口沖擊試樣的斷口一般存在纖維區(qū)、 放射區(qū)和剪切唇區(qū)。 三個區(qū)域的相對比例和分布 取決于材料的塑性。 塑性好的， 整個斷口只存在纖維區(qū)和剪切唇區(qū)、 塑性差的， 甚至整個斷 口都為放射區(qū)。 通常裂紋源位于缺口根部的中段亞表面處， 裂紋從源區(qū)穩(wěn)定擴展形成纖維區(qū)， 然后失穩(wěn)擴展成放射區(qū)，最后形成剪切唇區(qū)。試樣的無缺口側有時還會出現(xiàn)二次纖維區(qū)。從微觀外貌來看，韌性斷口具有韌窩、滑移的特征。4.5 脆性斷口的特征 脆性斷口的宏觀特征為：斷口上沒有明顯的宏觀塑性變形，斷口相對齊平并垂直于拉伸 載荷方向，表面常呈晶

8、體學平面 （解理面 ） 或晶粒外形。解理面色澤較光亮，而晶粒外形或無 定型的粗糙表面色澤相對灰暗。 解理面有時呈放射狀花樣、 人字紋花樣。 放射狀花樣的收斂 處及人字紋的尖頭方向都指向斷裂源，相反的方向為裂紋擴展方向。脆性斷口從微觀晶體破壞的方式可分為穿晶（解理）斷裂和沿晶斷裂。穿晶斷裂的特征 包括：解理臺階、河流、舌狀、魚骨狀、扇形花樣及瓦納線等特征。沿晶斷裂具有巖石狀、 冰糖狀等特征。 晶界面多為光滑無特征形貌， 有的晶界面上也有大量小韌窩或有滑移特征。 4.6 疲勞斷口的特征（1）宏觀特征典型的疲勞斷口由疲勞源區(qū)、 疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)和疲勞裂紋快速擴展區(qū) （瞬時斷裂區(qū)） 三部分組成。疲勞

9、源區(qū)及裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)的斷面沒有明顯的宏觀塑性變形， 具有疲勞弧線、 放射棱線、 疲勞臺階等特征。疲勞弧線（貝殼花樣、海灘花樣）是疲勞斷裂最基本的宏觀特征，但不是 充分、必要判據(jù)。 它是與裂紋擴展方向垂直的弧線。 放射棱線方向與裂紋擴展方向平行， 逆 向指向疲勞源。 疲勞區(qū)斷口平齊， 表面較光亮， 但多個疲勞源不在一個平面時， 斷口表面較 粗糙。疲勞源一般在樣品的表面或次表面，如果材料內部有嚴重的不連續(xù)性缺陷，疲勞源也可能在樣品內部。疲勞源有單個的，也有多個的，交變載荷越大、應力集中位置越多或應力集 中系數(shù)越大，則疲勞源的數(shù)目越多。 疲勞源區(qū)是最早生成的斷口，在裂紋擴展過程中，裂紋反復張開閉合，

10、引起表面摩擦，因此疲勞源一般較平整光滑。對于韌性材料，疲勞瞬斷區(qū)斷口一般為剪切斜斷口，斷口表面為灰暗粗糙的纖維狀；對 于脆性材料，疲勞瞬斷區(qū)斷口一般為平斷口，斷口表面為結晶狀或放射狀。一般來說，疲勞斷口屬于脆性斷口。（2）疲勞斷裂的微觀特征如下： 疲勞源源區(qū)（包括裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)第一階段）：由摩擦痕跡、滑移線、解理臺階、河 流、舌狀花樣、早期疲勞帶、沿晶斷裂等混合形貌組成。 裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)第二階段：疲勞條帶是疲勞裂紋擴展第二階段的最重要的顯微特征，也是疲勞斷裂斷口的基本形貌特征；它是判斷斷口為疲勞斷裂的充分判據(jù)，但不是必要判據(jù)。疲勞條帶基本上相互平行，與局部裂紋擴展方向垂直。塑性疲勞條帶更光滑、

11、規(guī)則，脆性疲 勞條帶參差不齊、不規(guī)則。一般韌性材料容易形成疲勞條帶，而脆性材料則比較困難。輪胎花樣、平行的多條二次 裂紋帶等也是疲勞裂紋穩(wěn)定擴展第二階段常見的微觀形貌特征。二次裂紋多平行于疲勞條 帶。輪胎花樣也是疲勞斷裂的充分判據(jù)，但不是必要判據(jù)。 疲勞瞬斷區(qū)（裂紋快速擴展區(qū)）：此區(qū)一般為混合斷口， 在其與穩(wěn)定擴展區(qū)過渡處通常有 少量疲勞條帶，但較多是韌窩，也可能出現(xiàn)解理、準解理和沿晶等形貌。5. 實驗方法及步驟（1）樣品制備將各個斷口置于盛有丙酮溶液的燒杯內，在超聲清洗儀內清洗， 以去除其附著的氧化物或污染物。（2）斷口形貌觀察斷口宏觀分析在放大鏡下和掃描電鏡小于 40倍的條件下對 Di、D

12、2、D3、D4斷口進行觀察，觀察內 容見表1、表2。填寫表1、表2。綜合表1、表2數(shù)據(jù)，確定斷口承載類型和斷裂類型。表1所觀察金屬斷口的宏觀形貌特征樣品 代號樣品材料特征承載類型斷裂類型D1S135頸縮纖維區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點放射區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點剪切唇粗糙度凹凸度色澤形貌特點D2TC18頸縮結晶區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點解理區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點D322Gr頸縮纖維區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點放射區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點剪切唇粗糙度凹凸度色澤形貌特點D4S135頸縮疲勞弧線裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點裂紋快速擴展區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點表2所觀察金屬斷口的微觀形貌特征樣品 代號樣品材料特征承載類型斷裂類型DiS135纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇D2TC18結晶區(qū)解理區(qū)D322Cr纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇D4S135裂紋源區(qū)裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)裂紋快速擴展區(qū)6. 實驗數(shù)據(jù)處理及結果分析(1) 填寫表1、表2;(2) 復制所觀察的各斷口宏觀形貌圖；在Di和D3斷口樣品宏觀圖像