金属材料的裂纹与断口分析课件

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? 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
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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
Biblioteka Baidu
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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。
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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。
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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
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
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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
裂纹(裂缝)
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。
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
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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
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清洁断口
带油污的断口 out
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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
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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. 断口样品的切割
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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）
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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
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
? 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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? 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
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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。
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。
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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
out 脆性断裂
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
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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
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
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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。
多枝型法示意图
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
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
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
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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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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!
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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 )
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 。
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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）
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(微观）
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(宏观）
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② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
T型法示意图
后生的裂纹是不可能穿越原
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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