金属材料断口分析的步骤与方法

金属材料断口分析的步骤与方法

金属材料断口分析是一项综合性很强的技术分析工作，通常需要采用多种仪器联合测试检验的结果，从宏观到微观，从定性到定量进行研究分析。因此，需要严格的科学态度和有步骤的操作。

断口分析的步骤包括：选择、鉴定、保存和清洗试样；宏观检验和分析断裂表面、二次裂纹以及其他表面现象；微观检验和分析；金相剖面的检验和分析以及化学分析；断口定量分析，如断裂力学方法；模拟试验等。

在进行断裂构件的处理和断口的保存时，需要采取措施把断口保存好并尽快制定分析计划。对于不同情况下的断口，应采用不同的方法进行处理。例如，对于大气中的新鲜断口，应立即放入干燥器内或真空干燥器内而不必清洗；对于带有油污的断口，应先用有机溶剂溶去油污，最后用无水乙醇清洗吹干；在腐蚀环境下发生断裂的断口，则需要进行产物分析。通常可以采用X射线、电子探针、电子扫描显微镜或俄歇能谱仪进

行产物分析，得出结论后再去掉产物观察断口形貌。

总之，断口分析是一项重要的金属材料分析技术，需要严格的科学态度和有步骤的操作。

去除腐蚀产物的方法之一是干剥法。使用醋酸纤维纸（AC纸）进行清理是最有效的方法之一，特别是在断口表面已经受到腐蚀的情况下。将一条厚度约为1mm的AC纸放入丙酮中泡软，然后放在断口表面上。在第一张条带的背后衬上一块未软化的AC纸，然后用夹子将复型牢牢地压在断口表面上。干燥后，使用小镊子将干复型从断口上揭下来。如果断口非常污染，可以重复操作，直到获得一个洁净无污染的复型为止。这种方法的一个优点是，它可以将从断口上除去的碎屑保存下来，以供以后鉴定使用。此外，还可以使用复型法来长期保存断口。

断口表面不能使用酸溶液清洗，因为这会影响断口分析的准确性。对于在潮湿空气中暴露时间比较长、锈蚀比较严重的断口，以及高温下使用的有高温氧化的断口，一定要去除氧化膜后才能观察，以避免假象。如果一般有机溶液、超声波洗涤和复型都不能洁净断口表面，可以采用化学清洗。根据不同的金属材料及氧化层情况，可以采用不同的化学清洗液。

宏观分析是一种直接观察和分析断裂零件的方法，使用肉眼、放大镜和实体显微镜，其放大倍数通常为100倍以下。宏观分析具有以下优点：（1）简便、迅速，试样尺寸不受限制，不必破坏断裂零件；（2）观察范围广，能够观察和分析断裂

全貌，即裂缝和零件形状的关系、断口与变形方向的关系、断口与受力状态（主应力或切应力）的关系；（3）能够初步判

断裂起源位置、断裂性质与原因，缩小进一步分析研究的范围，可为确定进一步分析的取样部位和数量提供线索和依据。因此，宏观分析是断裂故障分析中最方便、最常用、最主要的步骤和方法，是整个断裂故障分析的基础。

断裂分析的一个主要内容是确定断裂源的位置及裂纹的扩展方向。如果金属零件已经断裂成多块，则应将所有断块按原来的形状拼起来。但是，要特别小心，不能碰合。然后，观察其密合程度，密合程度最差的是最早断裂的部位，即主断口。在分析断裂原因时，只需对主断口进行分析。

有时候主断面会分成几块或未完全断裂的裂纹。如果零件上有多条裂纹，通常主裂缝较宽而长，裂纹源在主裂缝上，且裂纹源的方向通常与支裂缝的扩展方向相反。如果零件上有一

条裂纹与另一条裂纹相遇成约90度角，横贯裂纹会首先开裂，与其相交的裂纹为二次裂纹，裂纹源应在主裂缝中寻找。

确定了主断面和裂纹扩展方向后，接下来要确定断裂源。断裂源是指断裂的宏观开始处，在断面的几何上描述为一点，但对于实际断裂零件来说是一个三维或二维的特殊空间，如刀痕、微裂纹及缺陷等。这些需要在主断面上寻找，根据放射区的迹线来判断。通常裂纹在扩展中的迹线有“人”字形脊线或放

射状脊线两种，在这种情况下“人”字的头部所指的是断裂源，放射线的放射中心是断裂源。

对于带有剪切唇或杯锥形的断裂，其断裂源在心部。对于疲劳的断裂，常可以用贝壳线来判断其断裂源。应力腐蚀及氢脆断裂则常有放射状脊线，放射状脊线的放射中心就是断裂源。另外，断口的色泽也是判断断裂次序的重要依据，色泽较深的断裂较早。当在断面上有氧化或腐蚀产物时，还可根据产物的厚度变化来判断断裂的先后。

不是所有的断裂都有断裂源，如整体金属零件变脆、晶间腐蚀、过热、过烧等，这时虽然发生金属零件的断裂，但是属于整体的，有时是粉碎性的。

除了分析断裂源和断裂扩展方向外，还应分析断口表面的光泽与颜色、晶粒的大小及断口花样等。同时，某些简单的断裂事故往往观察断口表面情况就可判断断裂的方式及性质。根据断口上放射区与纤维区面积的相对比例，一般情况下可大致估计断裂的性质。纤维区标志着延性状态，放射区标志脆性断裂状态。若断口中纤维区越大，材料或零件断裂时的延性越好;反之，放射区增大，则脆性愈大。断口表面的弧形迹线，是裂纹前端在扩展过程中，应力状态的变更、断裂方式的改变、扩展速度的显著变化都会留下弧形迹线，如贝纹线等。裂纹以恒定的方式扩展时，断口上无此种特征。

3.断口特征

断口的粗糙程度取决于许多微小的小断面，包括大小、曲率半径和相邻小断面之间的高度差。不同的材料和断裂方式会导致不同程度的粗糙度。一般情况下，断口越粗糙，剪切断裂所占比重越大；而断口细平、多光泽，或者“花样”越细，则晶间、解理断裂所起的作用也越大。

断口的光泽和色彩会因构成断口的许多小断面具有金属所特有的光泽和色彩而发生变化。不同的断裂方式会导致不同的金属断口色彩，例如相对摩擦、氧化和腐蚀都会影响金属断口的色泽。

不同的应力状态、材料和外界环境会导致断口与最大正应力的交角不同。在平面应变条件下断裂的断口与最大正应力垂直，而在平面应力条件下断裂的断口与最大正应力呈45°交角。

材料内部存在缺陷会导致应力集中，影响裂纹的扩展，从而在断口上留下缺陷的痕迹。不同的断裂方式会在断口上呈现出不同的材料缺陷特征。

表3-2-1列出了几种重要断裂方式的断口特征，包括延性

断裂、切断型断裂、正断型断裂、脆性断裂、缺口脆性、低温脆性和疲劳断裂。这些特征包括断口形态、光泽、色彩和粗糙度，以及与最大正应力的交角和缺陷的断口形态。

Macroscopic analysis of fracture XXX the root cause of accidents。It is essential to record all features related to the