裂纹与断口分析课件下载

缺口敏感性对疲劳断口形态的影响
若材料对缺口不敏感→疲劳条纹绕着裂纹源或成为向外凸起的同心形状 对缺口敏感→疲劳条纹绕着裂源外开始较为平坦，向前扩展一定
距离即以反弧形向前扩展。 42
负荷类型、应力集中程度和负荷大小 对疲劳断口形态的影响示意图
断裂区
扩展区
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几种重要断裂方式的断口特征
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离子探针→断口表面分析 应力腐蚀和氢脆断口宏观形貌 基本原则→用尽可能简单的仪器 离子探针→断口表面分析 解理断裂是指在一定条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离的过程。 若材料对缺口不敏感→疲劳条纹绕着裂纹源或成为向外凸起的同心形状 基本原则→用尽可能简单的仪器 1 断口样品的制备与保存 裂纹亚稳扩展及失稳扩展； 1 裂纹分析思路与内容 实际金属零件中不可避免存在各种微裂纹。 沿晶腐蚀裂纹（×80） 完整金属在应力作用下,某些薄弱部位发生局部破裂而形成的一种不稳定缺陷。 俄歇电子能谱仪→分析断口 将散落断口拼合，测量其几何形状变化，变形量最大的为主裂纹。 检验断口，氧化最严重区为最先断裂区（主裂纹形成） 应力腐蚀和氢脆断口宏观形貌 在体心立方金属中有时能观察到一种类似鱼骨状的形貌，金属W与FeCrAl合金中曾发现。 万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌 人字条纹或山形条纹 随着裂纹的发展，由断裂源点形成的人字纹“或山形纹”变粗(图中箭头指示方向为裂纹扩展方向)。
全破坏—断裂! 通过无损检测,内部有超过按断裂力学计算
的临界尺寸的裂纹或缺陷的零件,应报废!
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金属构件在应力作用下分离为
断 口 互不相连的两个或两个以上部分,断
裂处暴露出的自然表面(即裂纹扫过 的面积)称为断口。
形貌特征→裂纹扩展留下的痕迹。
•与断裂过程有关信息的直接记录 (忠实记录者和见证者)
• 判别失效原因的有利证据 (根据断口主裂纹判别裂纹源)
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美国顺纳德球形储氢压力容器 碎片拼合后的一个视图
据断口人字条纹矢形方向 汇集到清扫孔A、B、C处，从而 断定裂纹源于清扫孔处。 28
放射标记法
剪切唇法
非完全脆性的断裂就有剪切唇。 断口上只有纤维区和剪切唇时， 裂纹是从试样中心的纤维区内外扩展 的，该情况的材料塑性较好。 断口同时有纤维区、放射区和剪 切唇，则塑性变形限制于裂纹前端区 域内。
若由外界环境中氢侵入材料后发生( 如酸洗液、电镀液等) 的沿晶断裂，断口有放射状或结晶状等脆性特征。 有时也称羽毛状，很多材料中，解理面不是等轴的，如裂纹扩展方向与解理面伸长方向—致，则可能会形成这种微观特征。 从解理台阶上看，河流的下游往往台阶较大，而上游则较小，这是解理断口最具特色的显微形貌。 在腐蚀环境下断裂的断口 声速：空气(25℃) 346m/s 人字条纹或山形条纹 随着裂纹的发展，由断裂源点形成的人字纹“或山形纹”变粗(图中箭头指示方向为裂纹扩展方向)。 (忠实记录者和见证者)
分析，可直接确定断裂的宏观表现及其性质，以及断裂
源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。
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金属断口宏观分析的依据主要有：断口的颜 色、花纹、粗糙程度、边缘情况、位置等。
静载拉伸断口
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纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽
韧性断裂
脆性断裂
拉伸试 样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
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根据断口表面粗糙度及反光情况可以大致
工程构件中常出现的两种
韧性断裂宏观形貌37
韧性断口宏现形貌
非杯锥状
有外周缺口圆棒试样
厚板
放 射 区 增 加
薄板
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脆性断裂的断口宏观形貌
大多数是穿晶解理型的，其断口的宏观形 貌具有两个明显的特征: 小刻面 由于各晶粒解理面与断裂面位向不 相同，若把断口放在手中旋转时，将闪闪发光， 像存在许多分镜面似的。
l 人字条纹或山形条纹 随着裂纹的发展，由 断裂源点形成的人字 纹“或山形纹”变粗 (图中箭头指示方向为 裂纹扩展方向)。
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沿晶断裂和解理断裂一般都是脆性断裂，所以 断口上常能观察到放射状特征，对于纯沿晶或纯解 理断口，将不存在纤维区及剪切唇区。
沿晶断口 在一些具有极粗大晶粒 的材料中，其沿晶断裂的宏观断口 呈现“冰糖状”特征。若晶粒很细， 须在电子显微镜下才能辨认。
贝纹花样法
在断口上若有疲劳 的贝纹线，则根据疲劳条 纹的弧线确定疲劳源。
源区
疲劳断口的贝纹线，从裂纹源呈放射状 29
c. 断口样品的清洗和保存
带灰尘或其他附着物的断口
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清洁断口
带油污的断口
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锈蚀较严重的断口
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在腐蚀环境下断裂的断口
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3.2 宏观断口分析
断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。通过宏观
金属断口宏观分析的依据主要有：断口的颜色、花纹、粗糙程度、边缘情况、位置等。
检验断口，氧化最严重区为最先断裂区（主裂纹形成）
万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌
构件形成裂纹并逐渐裂开后，有效截面越来越小，宏观变形逐渐增大, 通常源区是几乎不变的。
宏观观察 ( 肉眼, 放大镜) 如一组基本上平行而高低不同的解理面上裂纹相互连接，就形成台阶。
裂纹与断口分析
河海大学力学与材料学院硕士课程
金属材料失效分析
（Failure analysis of metallic materials）
第2讲 裂纹与断口分析
编讲：江静华
第2讲 裂纹与断口分析
第一节 裂纹与断口 第二节 裂纹分析 第三节 断口分析
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第一节 裂纹与断口
1.1 裂纹与断口的本质
拉伸
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扭转
2.1 裂纹分析思路与内容
残骸拼合、复原
肇事件判断
主裂纹判断 裂纹源位置
裂纹萌生位置 裂纹源特征
裂纹源附近状况
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2.2 主裂纹与裂纹源位置的确定
裂纹源 通常起源于零件的应力集中处,或材 料缺陷(裂纹处) 。通常主裂纹较二次裂纹宽而 长,裂纹源区一定在主裂纹上,且在二次裂纹扩 展的反方向上(如图) 多枝型法。
由裂纹形状确定断裂源和裂纹扩展的方向
基本原则→用尽可能简单的仪器
得到满意的结果!
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断口形貌观察工具的特性比较
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第二节 裂纹分析
工艺裂纹 金属零件在各种加工过程中产生的裂 纹(如:铸造裂纹、焊接裂纹、白点、热处 理裂纹等), 往往是零件的断裂源。
使用裂纹 金属零件在使用过程中产生的裂纹, 如:应力腐蚀裂纹(包括氢脆裂纹) 、 疲劳裂纹和蠕变裂纹。
低速稳态扩展:﹤5m/s
显微分析 ( OM SEM TEM) 复型、能从低倍到高倍连续定点观察
断口同时有纤维区、放射区和剪切唇，则塑性变形限制于裂纹前端区域内。
② 脆性断裂与断口特征
显微裂纹←磁力探伤、荧光探伤、超声波探伤 绝大多数材料变得更强但更脆。
常发生在滑移形变不受约束或约束较小的情况。
X光探伤和低倍侵蚀 等 晶体解理裂纹转移到孪晶面上扩展一段距离，重新回到(100)面时，突出的挛晶面就会构成舌状花样。
裂纹(裂缝)
完整金属在应力作用下, 某些薄弱部位发生局部破裂而 形成的一种不稳定缺陷。
• 直接破坏材料的连续性 • 应力集中(多数裂纹尾端较尖锐)
→ 金属发生低应力下破坏
实际金属零件中不可避免存在各种微裂纹。
可能产生于工艺或使用过程中,在特定载荷或环境条件
下逐渐产生并逐渐长大,一旦扩展到临界尺寸,零件即发生完
断优裂点过 : 景薄程深中板大伴、侧有可较面直多接-塑断观性察口变断形口,断, 不裂需性制态备介于解理断裂和韧窝断裂之间。
断口同时有纤维区、放射区和剪切唇，则塑性变形限制于裂纹前端区域内。 在断口上若有疲劳的贝纹线，则根据疲劳条纹的弧线确定疲劳源。 中间鱼骨的形成与解理裂纹沿不同晶面和晶向扩展有关。 解理断裂是指在一定条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离的过程。 金属断口宏观分析的依据主要有：断口的颜色、花纹、粗糙程度、边缘情况、位置等。 应力腐蚀 裂纹源常产生于构件表面，断口的裂纹源及亚临界扩展区因介质的腐蚀作用而至黑色或灰黑色。
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金属材料的断裂过程
三个阶段裂纹萌生；
裂纹亚稳扩展及失稳扩展；
断裂。
低速稳态扩展:﹤5m/s 非稳态快速扩展:＞1Km/s
声速：空气(25℃) 346m/s
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金属构件可能在制造、成形或使用阶段 的启裂、萌生裂纹, 受不同的环境因素及承 载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。
不同特征的各种类型断裂!
断 口
判断断裂的性质。
三
由断裂前塑性变形量大小及断口形貌特征，
要
可大体判断断裂的类型是韧性的、脆性的还
素
是疲劳断裂。
由裂纹形状确杯定锥断状断裂口源和裂纹扩展的方向
在直径较大、没有缺陷及缺口的光滑圆
棒试样慢应变拉伸试验中，当材料韧性好， 通常出现韧性断裂。
单一滑移系启动
纯剪切断口
常发生在滑移形变不受约束或约束较 小的情况。如:平板承受拉伸载荷，薄壁容 器过载, 器壁承受双向拉伸载荷。
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b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混
晶
穿
晶
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c. 按裂纹机制分类
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d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
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f. 按服役条件分类
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1.3 裂纹与断口
的分析手段
晶体解理裂纹转移到孪晶面上扩展一段距离，重新回到(100)面时，突出的挛晶面就会构成舌状花样。
低温、高应变率、三向应力状态的存在(如缺口、裂纹尖端等)、腐蚀环境中有活性介质吸附郁有利于产生解理断裂。
41ppt学习交流42负荷类型应力集中程度和负荷大小负荷类型应力集中程度和负荷大小对对疲劳断口形态疲劳断口形态的影响的影响示意图示意图断裂区断裂区扩展区扩展区42ppt学习交流43几种重要断裂方式的断口特征43ppt学习交流4444ppt学习交流45冲击断口断口三要素分布示意图若材料塑性足够好塑性足够好则放射区完全消失放射区完全消失一般情况下缺口附近先形成纤维区然后是放射区及剪切唇剪切唇沿无切口的其它三侧边分布
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3.1 断口样品的制备与保存
a. 断口样品的选取
b. 断口样断口，氧
测量其几何形状变 化最严重区为
化，变形量最大的 最先断裂区
为主裂纹。
（主裂纹形成）
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中间鱼骨的形成与解理裂纹沿不同晶面和晶向扩展有关。 如一组基本上平行而高低不同的解理面上裂纹相互连接，就形成台阶。 根据断口微观形貌特征可判定断裂的类型， 河海大学力学与材料学院硕士课程 沉积金属增加二次电子象清晰度。 复型、能从低倍到高倍连续定点观察 切片和断口剖面的研究 裂纹亚稳扩展及失稳扩展； 金属构件可能在制造、成形或使用阶段的启裂、萌生裂纹, 受不同的环境因素及承载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。 沿晶腐蚀裂纹（×80） 沉积金属增加二次电子象清晰度。 解理断裂是指在一定条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离的过程。 韧性断裂形貌 空洞形成于杂质颗粒处，长大后沿着应力方向拉长成韧窝 若晶粒很细，须在电子显微镜下才能辨认。 俄歇电子能谱仪→分析断口 （Failure analysis of metallic materials） 完整金属在应力作用下,某些薄弱部位发生局部破裂而形成的一种不稳定缺陷。 切割时不能擦伤断口和腐蚀 断口附近切片研究有助于确定断口与破断件显微组织之间的关系，确定裂纹扩展走向是穿晶还是沿晶的, 充分显示裂源部位的显微组织 和裂纹之间的关系，更有助于分析零件失效的原因。 ① 韧性断裂与断口特征 金属构件可能在制造、成形或使用阶段的启裂、萌生裂纹, 受不同的环境因素及承载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。
解理断口 宏观形态除能观察到放 射状条纹外，还具有结晶状形态， 有许多强烈反光的小平面(或称刻 面)。在有些纯解理断口上只有结 晶状而看不到放射花样。
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疲劳断口的宏现形貌
最初疲劳源区
应根据疲劳条纹的密度、 疲劳源区的光亮度和台阶情况 来确定疲劳源的起始次序。
最初疲劳源区经历交变负 荷作用的时间长，疲劳条纹密 度大，同时比较光泽明亮。 41
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判定裂纹源的方法
最小应变法
碎块拼凑法 人字形法
放射标记法 剪切唇法
构件形成裂纹并逐渐 裂开后，有效截面越来 越小，宏观变形逐渐增 大, 通常源区是几乎不 变的。
贝纹花样法
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碎块拼凑法
从碎块拼形的大小或 密合程度可判别那个是先 断开的。(A裂纹密合程度 差，是先断开的) 。
人字形法
• 当表面无应力集中, 裂纹源区在两组“人”字形的汇 合处，即“人”字上部指向裂源。 • 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
在体心立方金属中有时能观察到一种类似鱼骨状的形貌，金属W与FeCrAl合金中曾发现。 声速：空气(25℃) 346m/s
产物分析（EDX\XRD\XPS等） ① 韧性断裂与断口特征
在BCC金属和合金的解理断口上，常可看到凸出或凹陷的“舌状花样” 。
若是冶炼过程中形成氢分子，则当钢水冷却时常在夹杂物等缺陷处析出或聚集，形成断口上的“白点”或“鱼眼”特征。
多枝型法示意图
T型法示意图
后生的裂纹是不可能穿越原 有的裂纹的, 由此可判定相遇裂 纹中哪一条为主裂纹 --T型法21则。
第三节 断口分析
断口分析思路与步骤
1. 断口样品的制备与保存 2. 断口的宏观观察(判定裂纹源) 3. 断口的显微观察 4. 断口截面分析
(确定断裂路径与组织关系) 5. 失效类型确定和失效原因判断
1.2 断裂失效形式 ?
a. 按断裂前变形程度分类
完全脆性断裂和完全韧性 断裂是较少见的，通常是出现 脆性和韧性的混合型断裂。
混合型
撕裂韧窝与剪切韧窝
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强度）
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(微观）
(宏观）
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② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
Q：何种晶体结构材料易出现脆性断裂？ 10
应力腐蚀薄和板氢脆表断面口宏观形貌