金屬材料的裂紋與斷口分析

1、out金屬材料失效分析河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院碩士課程河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院碩士課程第第2 2講講 裂紋與斷口分析裂紋與斷口分析（Failure analysis of metallic materials）out2第第2講講 裂紋與斷口分析裂紋與斷口分析out3 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 實際金屬零件中不可避免存在各種微裂紋。 可能中,在特定載荷或環(huán)境條件下逐漸產(chǎn)生并逐漸長大,一旦擴(kuò)展到臨界尺寸,零件即發(fā)生完全破壞斷裂! 通過,內(nèi)部有超過按斷裂力學(xué)計算的臨界尺寸的裂紋或缺陷

2、的零件,應(yīng)報廢!out4 金屬構(gòu)件在應(yīng)力作用下分離為互不相連的兩個或兩個以上部分,(即裂紋掃過的面積)稱為斷口。 形貌特征。與斷裂過程有關(guān)信息的直接記錄 (忠實記錄者和見證者) 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)out5l金屬材料的斷裂過程斷裂過程 三個階段：-裂紋 -裂紋及 低速穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展:5m/s 非穩(wěn)態(tài)快速擴(kuò)展:1Km/s聲速：空氣(25) 346m/s out 金屬構(gòu)件可能在制造、成形或使用階段的, 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。 !a. 按斷裂前變形程度分類 完全和完全是較少見的，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out7（屈

3、服強(qiáng)度）out8(微觀）(宏觀）out9(宏觀）out10out11b. 按裂紋擴(kuò)展路徑分類out12c. 按裂紋機(jī)制分類out13out14d.按受力狀態(tài)不同分類e. 按環(huán)境介質(zhì)不同分類按環(huán)境介質(zhì)不同分類out15f. 按服役條件分類out16l宏觀觀察 ( 肉眼, 放大鏡)l顯微分析 ( OM SEM TEM)l顯微裂紋磁力探傷、熒光探傷、超聲波探傷 X光探傷和低倍侵蝕 等l產(chǎn)物分析（EDXXRDXPS等）基本原則用盡可能簡單的儀器 得到滿意的結(jié)果!萬能軋機(jī)雙排人字齒輪軸劈裂形貌萬能軋機(jī)雙排人字齒輪軸劈裂形貌out17斷口形貌觀察工具的特性比較斷口形貌觀察工具的特性比較out18 金屬零件

4、在各種加工過程中產(chǎn)生的裂紋(如:鑄造裂紋、焊接裂紋、白點、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out192.1 裂紋分析思路與內(nèi)容裂紋分析思路與內(nèi)容out202.2 主裂紋與裂紋源位置的確定主裂紋與裂紋源位置的確定l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,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) -。 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out21

5、斷口分析思路與步驟斷口分析思路與步驟 1. 斷口樣品的制備與保存斷口樣品的制備與保存 2. 斷口的宏觀觀察斷口的宏觀觀察(判定裂紋源判定裂紋源) 3. 斷口的顯微觀察斷口的顯微觀察 4. 斷口截面分析斷口截面分析 (確定斷裂路徑與組織關(guān)系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失效類型確定和失效原因判斷out223.1 斷口樣品的制備與保存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out23判定主裂紋的方法檢驗斷口，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，測量其幾何形狀變化，變形量最大的為主裂紋。out24out25碎塊拼湊法碎塊拼湊法最小應(yīng)變

6、法最小應(yīng)變法人字形法人字形法放射標(biāo)記法放射標(biāo)記法剪切唇法剪切唇法貝紋花樣法貝紋花樣法 構(gòu)件形成裂紋并逐漸裂開后，有效截面越來越小，宏觀變形逐漸增大, 通常源區(qū)是幾乎不變的。out26碎塊拼湊法碎塊拼湊法 從碎塊拼形的大小或密合程度可判別那個是先斷開的。(A裂紋密合程度差，是先斷開的) 。 當(dāng)表面無應(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out27美國順納德美國順納德球形儲氫壓力容器球形儲氫壓力容器碎片拼合后的一個視圖碎片拼合后的一個視圖 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

7、掃孔處。out28放射標(biāo)記法放射標(biāo)記法剪切唇法剪切唇法 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，裂紋是從試樣中心的纖維區(qū)內(nèi)外擴(kuò)展的，該情況的材料塑性較好。 斷口同時有纖維區(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。貝紋花樣法貝紋花樣法疲勞斷口的貝紋線，從裂紋源呈放射狀疲勞斷口的貝紋線，從裂紋源呈放射狀源區(qū)out29c. 斷口樣品的清洗和保存斷口樣品的清洗和保存帶灰塵或其他附著物的斷口帶灰塵或其他附著物的斷口out30帶油污的斷口帶油污的斷口out31銹蝕較嚴(yán)重的斷口銹蝕較嚴(yán)重的斷口out32在腐蝕環(huán)境下斷裂的

8、斷口在腐蝕環(huán)境下斷裂的斷口out333.2 宏觀斷口分析宏觀斷口分析 斷口的宏觀分析是斷裂失效分析的基礎(chǔ)。通過宏觀分析，可直接確定斷裂的宏觀表現(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。out34 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。 out35拉伸試?yán)煸嚇拥臄鄻拥臄嗫诒容^口比較脆性斷裂脆性斷裂韌性斷裂韌性斷裂點點狀狀破破裂裂韌性好out36 根據(jù)斷口根據(jù)斷口表面粗糙度表面粗糙度及反光情況可以大致及反光情況可以大致判斷斷裂的性質(zhì)。判斷斷裂的性質(zhì)。 由斷裂前塑性變形量大小及由斷裂前塑性變形量大小及斷口形貌特征斷口形貌特征，可大體判斷可大體判斷斷

9、裂的類型斷裂的類型是韌性的、脆性的還是韌性的、脆性的還是疲勞斷裂。是疲勞斷裂。 由裂紋形狀確定由裂紋形狀確定斷裂源斷裂源和裂紋擴(kuò)展的方向和裂紋擴(kuò)展的方向斷斷口口三三要要素素工程構(gòu)件中常出現(xiàn)的兩種 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，薄壁容器過載, 器壁承受雙向拉伸載荷。 在直徑較大、沒有缺陷及缺口的光滑圓棒試樣慢應(yīng)變拉伸試驗中，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out37韌性斷口韌性斷口宏現(xiàn)形貌宏現(xiàn)形貌 非杯-錐狀 有外周缺口圓棒試樣薄板薄板厚板厚板放射區(qū)增加out38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

10、兩個明顯的特征:l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，將閃閃發(fā)光，像存在許多分鏡面似的。l人字條紋或山形條紋 隨著裂紋的發(fā)展，由斷裂源點形成的人字紋“或山形紋”變粗(圖中箭頭指示方向為裂紋擴(kuò)展方向)。out39 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，對于。 在一些具有極的材料中，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)。 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。在有些純解理斷口上只有結(jié)晶狀而看不到放射花樣。out40疲勞斷口的宏現(xiàn)形貌 應(yīng)根據(jù)疲勞條紋的密度、疲勞源區(qū)的光

11、亮度和臺階情況來確定疲勞源的起始次序。 最初疲勞源區(qū)經(jīng)歷交變負(fù)荷作用的時間長，疲勞條紋密度大，同時比較光澤明亮。最初疲勞源區(qū)out41缺口敏感性對疲勞斷口形態(tài)的影響缺口敏感性對疲勞斷口形態(tài)的影響若材料對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。out42out43幾種重要斷裂方式的斷口特征幾種重要斷裂方式的斷口特征out44out45沖擊斷口沖擊斷口斷口三要素分布示意圖斷口三要素分布示意圖l若材料，則 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

12、口一側(cè)受拉應(yīng)力，另一側(cè)受壓應(yīng)力。整個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)時可能會消失而重新出現(xiàn)纖維區(qū)(如圖所示)。剪切唇纖維區(qū)纖維區(qū)放射區(qū)放射區(qū)out46當(dāng)應(yīng)變速率、溫度時, 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out47應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕和和氫脆斷口氫脆斷口宏觀形貌宏觀形貌l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。l 氫脆斷裂 若是冶煉過程中形成氫分子，則當(dāng)鋼水冷卻時常在夾雜物等缺陷處析出或聚集，形成斷口

13、上的“白點”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out48白點白點 白點是由于鋼中氫含量過高引起的一種缺陷 out49out503.3 微觀斷口分析微觀斷口分析 根據(jù)斷口微觀形貌特征可根據(jù)斷口微觀形貌特征可判定斷裂的類型判定斷裂的類型，從裂紋源處從裂紋源處查明斷裂原因查明斷裂原因。它還能進(jìn)行斷裂失。它還能進(jìn)行斷裂失效的定量分析，如進(jìn)行韌性的定量測量，分析效的定量分析，如進(jìn)行韌性的定量測量，分析測定裂紋的擴(kuò)展速率、斷裂過程與影響因素之測定裂紋的擴(kuò)展速率、斷裂過程與影響因素之間的定量關(guān)系等。間的定量關(guān)系等。 斷

14、口微觀形貌中，斷口微觀形貌中，韌窩、解理花樣、疲勞輝紋韌窩、解理花樣、疲勞輝紋等分別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)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)物分析分析內(nèi)容：產(chǎn)物分析 + 形貌分析形貌分析out51疲勞條紋疲勞條紋 沿晶脆性斷裂（沿晶脆性斷裂（500） 解理斷裂（解理斷裂（1000 ）基本斷裂機(jī)制的基本斷裂機(jī)制的典型微觀形貌典型微觀形貌準(zhǔn)解理斷裂（準(zhǔn)解理斷裂（2000） 韌窩斷裂（韌窩斷裂（2000 ）out52光鏡分析法光鏡分析法 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，可用工具消除以免損傷顯微

15、鏡的鏡頭。 : 不能進(jìn)實驗室而又不宜現(xiàn)場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out53 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

16、的原因。 觀察時，為使斷口的棱邊保存下來，常采用鑲嵌方法。在切片鑲嵌之前，若將試樣，有利于斷口棱邊完好地保存下來。合成氨管道腐蝕失效件斷口切片試樣沿晶腐蝕裂紋（80）out54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解理破壞截面邊緣鍍鎳金相保護(hù)觀察純鐵低溫沖擊試驗解理破壞截面邊緣鍍鎳金相保護(hù)觀察out55 TEM分析方法分析方法 一次碳復(fù)型通常是在試驗室中的試驗斷口時使用，或是為了對斷口上第二相質(zhì)點或夾雜作電子衍射分析時使用。 二次復(fù)型 采用AC紙作過渡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。AC

17、紙紙out56SEM分析方法分析方法l優(yōu)點: 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)定點觀察低倍到高倍連續(xù)定點觀察l試樣制備 試樣尺寸要小，能裝入試樣室。 切割時不能擦傷斷口和腐蝕 沉積金屬增加二次電子象清晰度。out57out58俄歇電子能譜儀俄歇電子能譜儀分析斷口分析斷口l最有成效的是探測，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。l通過對斷口表面元素的檢測來研究腐蝕引起的失效。out59離子探針離子探針斷口表面分析斷口表面分析l可分析斷口表面的元素分布情況 具有探測所有元素的優(yōu)點， 檢測靈敏度很高(可達(dá)到100ppm含量)

18、 分析 分析氫脆斷口的氫含量out60解理斷口解理斷口 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out61 觀察解理斷口的微觀形貌時常能發(fā)現(xiàn)一些韌窩特征。兩解理裂紋相連示意圖 解理臺階 在某一晶面上擴(kuò)展的解理裂紋遇到位錯等缺陷后受阻，會轉(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，就形成臺階。 臺階面是解理面或是孿

19、晶與基體的界面。out62 河流花樣河流花樣 若干解理臺階組合在一起，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。河流的流向為裂紋擴(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。 從解理臺階上看，河流的，而上游則較小，這是解理斷口最具特色的顯微形貌。out63l河流花樣解理階的特點l支流解理階的匯合方向代表斷裂擴(kuò)展方向；l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密度和位錯組態(tài)有關(guān)。 對河流花樣解理階進(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，確定晶體中位錯密度和位錯容量。out64out65舌狀花樣 在BCC金屬和合金的解理斷口上，常可看到凸出或凹陷的“舌狀花樣” 。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