金属材料的裂纹与断口分析课件
金属材料的裂纹与断口分析
断裂源区的位置、数量及精裂品课纹件 扩展方向等。
33
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
out
精品课件
34
纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽
韧性断裂
out
脆性断裂
精品课件
拉伸试 样的断 口比较
(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
out
精品课件
21
3.1 断口样品的制备与保存
a. 断口样品的选取
b. 断口样品的切割
out
精品课件
22
判定主裂纹的方法
将散落断口拼合， 检验断口，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）
out
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
out
精品课件
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
out
精品课件
2
第一节 裂纹与断口
1.1 裂纹与断口的本质
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
金属断裂断口分析
序
号
断裂类型断裂特征及断口特征断口形貌
1 韧性断裂金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，是一种缓慢撕裂的过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力呈45度角。
用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则使纤维断口表面对光反射能力
很柔弱致。
2 脆性断裂脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有任何征兆，因而危险性很大。
脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
3 穿晶断裂
多晶体金属断裂时，裂纹
扩展的路径可能是不同
的。
穿晶断裂的裂纹穿过
晶内。
穿晶断裂可以是韧
性断裂（如韧脆转变温度
以上的穿晶断裂），也可以
是脆性断裂（低温下的穿
晶解理断裂）
4 沿晶断裂
沿晶断裂的裂纹沿晶界扩
展，大多数是脆性断裂，
由晶界上的一薄层连续或
不连续脆性第二相、杂质
物，破坏了晶界的连续性
所造成，也可能时杂质元
素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆
性、淬火脆性、磨削裂纹
等大都是沿晶断裂。
金属断口分析
断口（断裂）的基本特征与机理
穿晶韧窝断裂
韧窝的形成 ✓显微空洞的形核、显微空洞的长大和显微空洞的聚集三个 阶段。 ✓D. Brock，微孔聚集模型，第二相粒子形核模型。 ✓这个韧窝模型，可以同时解释在应力作用下，形成等轴韧 窝或抛物线韧窝的过程和夹杂物或第二相粒子在切应力作 用下，破碎而形成韧窝的现象。
断口（断裂）的基本特征与机理
过载断口宏观特征三要素
断口三要素在断裂失效分析中的应用 ✓裂源位置的确定。在通常情况下，裂源位于纤维状区的中心 部位，因此找到了纤维区的位置就可以确定裂源德位置。另一 方面是利用放射区的形貌特征，在一般条件下，放射条纹收敛 处为裂源位置。 ✓裂纹扩展方向的确定。在断口三要素中，放射条纹指向裂纹 扩展方向。通常，裂纹的扩展方向事由纤维区指向剪切唇区方 向。如果是板材零件，断口上放射区的宏观特征为人字条纹， 其反方向为裂纹的扩展方向。如果在板材的两侧开有缺口，则 由于应力集中的影响，形成的人字纹尖顶指向与无缺口正好相 反，逆指向裂纹源。 ✓断口上有两种或三种要素区时，剪切唇区是最后断裂区。
而分裂为两部分（或几部分）的过程称为断 裂。包括裂纹萌生、扩展和最后瞬断三个阶 段。 ✓各阶段的形成机理及其在整个断裂过程中所 占的比例，与构件形状、材料种类、应力大 小与方向、环境条件等因素有关。 ✓断裂形成的断面称为断口。断口上详细记录 了断裂过程中内外因素的变化所留下的痕迹 与特征，是分析断裂机理与原因的重要依据。
断口（断裂）的基本特征与机理
滑移分离
滑移的形式
✓波状滑移：在晶体材料中不仅有直线型的滑移线或滑移带， 而且有波状的滑移线或滑移带。尤其是体心立方材料，由于它 没有最密排的晶面，所以滑移没有一个确定的晶面，一般可能 在几个较密的低指数面滑移，如{110}、{112}、{123}。而密排 方向是<111>，它便是滑移方向。共有48个滑移系，如果有很 多的滑移系同时开动，除了产生直线滑移外，还可能产生波状 滑移。
《金属断口分析》课件
应变率对金属断应变率对塑性断裂性能的影响
脆性断裂的应变率效应
研究应变率对脆性断裂特性的影响
断口分析技术
金属材料断口制备
详细介绍金属材料断口制备的方法和步骤
断口分析设备
介绍断口分析的常用设备和工具
断口观察方式
列举不同的断口观察方式和技术
总结与展望
金属断口分析的应用前景
《金属断口分析》PPT课 件
本课件将深入介绍金属断口分析的相关知识，通过详细讲解金属断裂分类以 及断口分析技术，帮助您更好地理解金属材料的断裂机理和应用前景。
金属断裂分类
脆性断裂
晶粒断裂、孪晶断裂、空洞聚合引起断裂、硬夹杂物载荷集中引起断裂
塑性断裂
颈缩断裂、细粒断裂、断微观结构分析
疲劳断裂
疲劳断裂的特点、疲劳断裂的分类、疲劳断口类型分析
探讨金属断口分析在工业领域的应用前景
金属断口分析的发展趋势
展望金属断口分析技术的未来发展方向
金属断口分析
名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。
蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。
准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。
解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。
应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。
正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。
冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。
位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。
河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。
其形状类似地图上的河流。
断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构。
氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。
卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。
等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。
均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。
第一章断裂的分类及特点1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。
脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。
延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并；断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成450 .2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。
应力腐蚀断口，氢脆断口。
3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成450交角（平面应力条件下的撕裂）根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型）裂纹尺寸与断裂强度的关系K1^ v c“、二aKic :材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K准则相似）Y :形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关）脆性材料K准则：KI是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量; KIC是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量K -K IC第二章裂纹源位置的判别方法：T型法（脆断判别主裂纹），分差法（脆断判别主裂纹），变形法（韧断判别主裂纹），氧化法（环境断裂判别主裂纹），贝纹线法（适用于疲劳断裂判别主裂纹）。
2 裂纹与断口分析
out
基本原则→用尽可能简单的仪器 得到满意的结果!
16
断口形貌观察工具的特性比较
out
17
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。
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。
单一滑移系启动
纯剪切断口
out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。
工程构件中常出现的两种
韧性断裂宏观形貌
36
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
out
37
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。 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)。
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
out
疲劳断口的贝纹线，从裂纹源呈放射状
28
c. 断口样品的清洗和保存
带灰尘或其他附着物的断口
out
29
清洁断口
带油污的断口
out
30
锈蚀较严重的断口
out
31
在腐蚀环境下断裂的断口
out
32
3.2 宏观断口分析
out
金属材料的断裂和断裂韧性课件
4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc
➢分析原理：能量法
应变能释放率
扩展 临界
裂纹扩展需要吸 收的能量率
稳定
dU GI dA
裂纹临界条件：G准则
G Ic
dS dA
40
金属材料的断裂和断裂韧性课件
K与G的关系
G
Gc Ic
1K E
1 2
E
2 c
K
2 Ic
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金属材料的断裂和断裂韧性课件
断裂力学和断裂韧性
➢ 为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度——断裂抗
力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。
➢ 断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建
立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中 包括材料的力学性能新指标——断裂韧性及其测定，断裂 机制和提高材料断裂韧性的途径等。
随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物 的影响要明显得多。
➢ 2 基体的形变强化
基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结
* Kepn
果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行， 韧性好；相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局
部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低。
断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的 扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的 征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的 后果 。
➢ 在工程应用中，一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定
为准脆性断裂， Ψ k >5％定为韧性断裂。
➢ 材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因
材料的断裂PPT课件
2）脆性断裂：材料断裂前基本不产生明显宏观塑性变形，无 明显预兆，表现为突然发生的快速断裂，故具有很大危险性。
特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放 射状或结晶状。
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝
25
韧窝形状：视应力状态不同而异 有三类：等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝。 1）等轴状韧窝： 微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同。
铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝
26
2）拉长韧窝： 在扭转载荷或双向不等拉伸条件下，因切应力作用而形成。 在匹配断口上韧窝拉长方向相反；（拉伸断口剪切唇部）
应变硬化指数越大，越难于发生内缩颈，故韧窝尺寸变小。 3）外加应力的大小和状态。
通过影响材料塑性变形能力，而间接影响韧窝深度。
必须指出：微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观形态上 出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。因宏观为脆性断 裂，但在局部区域内也能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。
只有微观断口存在大量韧窝时，宏观上才表现为韧性断裂。
面)垂直于拉伸应力方向。
杯锥状断口形成示意图 a）缩颈导致三向应力 b）微孔形成 C）微孔长大 d）微孔连接形成锯齿状
e）边缘剪切断裂
8
纤维区：裂纹扩展速率很慢，当裂纹达到临界尺寸后就快速 扩展面形成放射区。
放射区：裂纹快速、低能撕裂形成的，有放射线花样特征。 放射线平行于裂纹扩展方向，垂直于裂纹前瑞(每一瞬间)的轮
3）解理断裂
28
2）解理断裂：
金属材料在一定条件（如低温、高应变速率，或有三向拉应 力状态）下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿 一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂。
裂纹与断口分析课件
沿晶腐蚀裂纹（×80）
断口样品的清洗和保存
优点: 景深大、可直接观察断口, 不需制备
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。
15
f.按服役条件分类
16
1.3 裂纹与断口 的分析手段
万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌
宏观观察 ( 肉眼, 放大镜) 显微分析 ( OM SEM TEM) 显微裂纹←磁力探伤、荧光探伤、超声波探伤
在某一晶面上扩展的解理裂纹遇到位错等缺陷后受阻，会转移到相邻的晶面上继续扩展，这些面又有高低层次差。 断口形貌宏观上较平整、基本无塑性变形、或变形很小，与解理断口相近似也具有小刻面及放射状条纹等形貌，但其小刻面和放射状 条纹均较细小。
第二节 裂纹分析 韧性断裂和脆性断裂口的微观形貌
准解理断口的微观形貌也近似于解理断口，有台阶、河流、舌状、撕裂脊、准解理面等形貌。 准解理断口的微观形貌也近似于解理断口，有台阶、河流、舌状、撕裂脊、准解理面等形貌。 断口样品的制备与保存
根据断口微观形貌特征可判定断裂的类型，
测定裂纹的扩展速率、断裂过程与影响因素之
断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。
韧性断口宏现形貌
e.按环境介质不同分类 非杯锥状
有外周缺口圆棒试样
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。
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。
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。
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,
金属断口分析
断口（断裂）的基本特征与机理
提纲
1.过载断口宏观特征三要素 2.穿晶韧窝断裂 3.滑移分离 4.解理断裂 5.准解理断裂 6.延晶断裂 7.疲劳断裂
断口（断裂）的基本特征与机理
滑移分离
滑移的形式
✓波状滑移：在晶体材料中不仅有直线型的滑移线或滑移带， 而且有波状的滑移线或滑移带。尤其是体心立方材料，由于它 没有最密排的晶面，所以滑移没有一个确定的晶面，一般可能 在几个较密的低指数面滑移，如{110}、{112}、{123}。而密排 方向是<111>，它便是滑移方向。共有48个滑移系，如果有很 多的滑移系同时开动，除了产生直线滑移外，还可能产生波状 滑移。
断口（断裂）的基本特征与机理
过载断口宏观特征三要素
断口三要素在断裂失效分析中的应用 ✓裂源位置的确定。在通常情况下，裂源位于纤维状区的中心 部位，因此找到了纤维区的位置就可以确定裂源德位置。另一 方面是利用放射区的形貌特征，在一般条件下，放射条纹收敛 处为裂源位置。 ✓裂纹扩展方向的确定。在断口三要素中，放射条纹指向裂纹 扩展方向。通常，裂纹的扩展方向事由纤维区指向剪切唇区方 向。如果是板材零件，断口上放射区的宏观特征为人字条纹， 其反方向为裂纹的扩展方向。如果在板材的两侧开有缺口，则 由于应力集中的影响，形成的人字纹尖顶指向与无缺口正好相 反，逆指向裂纹源。 ✓断口上有两种或三种要素区时，剪切唇区是最后断裂区。
断口（断裂）分类
按断裂方式分类 按断面所受到的外力类型的不同分为正断、切断及混合断
金属疲劳破坏机理及断口分析PPT课件
图9 晶界处形成的疲劳裂纹核心（铁—钴—钒合金） （a）晶界处应力集中；（b）晶界处产生裂纹
图10 孪晶处形成的 疲劳裂纹核心
10
图11 非金属夹杂物处产生的疲劳裂纹
（a）夹杂物处的不均匀滑移；（b）夹杂物处形成的疲劳裂纹核 心
图12 疲劳第一 阶段形成的细滑 移线
图13 滑移线的 发展
图14 平行二面 上两列异号位错 相消形成空洞
图4、静拉伸和交变载荷下的滑移带
（a）静拉伸（σ＞ σ0.2）
（b）交变应力（ σ= σ-1，N=105次）
6
从图4可以看出，静拉伸试样表面上到处布满细密 的滑移带。交变载荷下，经过应力循环之后，只有 部分晶粒的局部地方出现细滑移带，表现为滑移的 不均匀性。这种滑移的不均匀性通常集中在金属表 面、金属的晶界及金属夹杂物等处，并在该处形成 疲劳裂纹核心。
图16（d）表示反号应力作用时， 滑移沿相反方向进行，原裂纹表面 和新产生的裂纹表面被压近，在裂 纹顶端处被弯折成一个耳状切口。
图16（e）表示当反号应力最大时， 裂纹表面被压合，裂纹尖端又由钝 变锐，形成一个尖角，裂纹前沿向 前扩展一个裂纹。下一次应力循环 又重复以上过程。
14
因此，疲劳裂纹的扩展是在裂纹尖端塑性钝 化（钝锐交替变化）过程中不断向前推进的。 在电子显微镜下看到疲劳断口的辉纹就是每 次交变应力下裂纹扩展留下的痕迹。
8
驻留滑移带、挤出脊、挤入沟等，都是金属 在交变载荷作用下表面不均匀滑移造成的疲 劳裂纹核心策源地。这些裂纹核心在交变应 力作用下逐渐扩展，相互连接，最后发展成 为宏观疲劳裂纹，图8所示。
图8、疲劳裂纹经过滑移集中区
9
产生疲劳裂纹核心的地方还有晶界，孪晶界 以及非金属夹杂物等处，如图9、10、11所 示。
金属的断裂条件及断口
金属的断裂条件及断口金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。
断裂是裂纹发生和发展的过程。
1. 断裂的类型根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。
脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。
韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。
2. 断裂的方式根据断裂面的取向可分为正断和切断。
正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。
切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。
3. 断裂的形式裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。
晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
机器零件断裂后不仅完全丧失服役能力，而且还可能造成不应有的经济损失及伤亡事故。
断裂是机器零件最危险的失效形式。
按断裂前是否产生塑性变形和裂纹扩展路径做如下分类。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色纤维状，有大量塑性变形的痕迹。
脆性断裂则相反，断裂前从宏观来看无明显塑性变形积累，断口平齐而发亮，常呈人字纹或放射花样。
宏观脆性断裂是一种危险的突然事故。
脆性断裂前无宏观塑性变形，又往往没有其他预兆，一旦开裂后，裂纹迅速扩展，造成严重的破坏及人身事故。
因而对于使用有可能产生脆断的零件，必须从脆断的角度计算其承载能力，并且应充分估计过载的可能性。
. 金属材料产生脆性断裂的条件（1）温度任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。
温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。
（2）缺陷材料韧性裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。
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out 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!
3
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 )
out
21
3.1 断口样品的制备与保存
a. 断口样品的选取
b. 断口样品的切割
out
22
判定主裂纹的方法
将散落断口拼合， 检验断口，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）
out
23
out
24
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
? 判别失效原因的有利证据 (根据断口主裂纹判别裂纹源 )
out
4
? 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 out
5
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。
out
? 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
26
美国顺纳德球形储氢压力容器
碎片拼合后的一个视图
out
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。 27
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。
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
out
25
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。
万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌
? 宏观观察 ( 肉眼, 放大镜) ? 显微分析 ( OM SEM TEM) ? 显微裂纹←磁力探伤、荧光探伤、超声波探伤
X光探伤和低倍侵蚀 等 ? 产物分析（EDX\XRD\XPS等）
基本原则→用尽可能简单的仪器
out
得到满意的结果!
16
断口形貌观察工具的特性比较
out
T型法示意图
后生的裂纹是不可能穿越原
out
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20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
拉伸试 样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
35
根据断口表面粗糙度及反光情况可以大致
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
不同特征的各种类型断裂!
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 。
out
混合型
撕裂韧窝与剪切韧6 窝
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强度）
out
7
(微观）
out
(宏观）
8
② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
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
out
疲劳断口的贝纹线，从裂纹源呈放射状 28
c. 断口样品的清洗和保存
带灰尘或其他附着物的断口
out
29
清洁断口
带油污的断口 out
30
锈蚀较严重的断口
out
31
在腐蚀环境下断裂的断口
out
32
3.2 宏观断口分析
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
out
1
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
out
2
第一节 裂纹与断口
1.1 裂纹与断口的本质
Байду номын сангаас
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
out Q：何种晶体结构材料易出现脆性断裂？ 9
薄板表面 薄板侧面-断口
out
10
b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混
晶
穿
晶
out
11
c. 按裂纹机制分类
out
12
out
13
d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
out
14
f. 按服役条件分类
out
15
1.3 裂纹与断口 的分析手段
17
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。
out
拉伸
18
扭转
2.1 裂纹分析思路与内容
残骸拼合、复原
断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。通过宏观
out 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。
33
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
out
34
纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽
韧性断裂
out 脆性断裂
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
out
裂纹源附近状况
19
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。
多枝型法示意图