断口的宏观分析_上_陈强业
断口分析-文档资料
河流花样起源于孪晶界
河流花样起源于夹杂
河流花样起源于析出相
河流花样起源于晶粒内部
河流花样在扩展过程中遇到倾斜晶界、扭转晶界和普通大角 度晶界时河流形态发生改变。
裂纹与小角度倾斜晶界相交时，河流连学地穿过晶界。小角度
倾斜晶界是由刃型位错组成。晶界两侧晶体取向差小，两侧晶体 的解理面也只是倾斜一个小角度。因此裂纹穿过时河流花样顺延 到下一个晶粒。
在金属的韧窝断口中，一般最常见的是尺寸大小各 不相等各不相等的韧窝，如大韧窝周围密集着小韧窝 的情况。
SEM 大韧窝周围密集着小韧窝
TEM
韧窝大小、深浅及数量取决于材料断裂时夹杂物或
第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温
度。如果夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差则断
口上形成的韧窝尺寸较小较浅。反之则韧窝较大较深。 成核的密度大、间距小、则韧窝的尺寸小。在材料的 塑性及其他试验条件相同的情况下，第二相粒子大， 韧窝也大；粒子小，韧窝也小。韧窝的深度主要受材 料塑性变相能力的影响。材料的塑性变形能力大，韧 窝深度大，反之韧窝深度小。
低碳钢解理断口河流花样
河流花样形成示意图
（1）解理台阶产生机制
①两个不在同一个平面上的解理裂纹通过与主解埋面相垂直 的二次解理形成解理台结，如图所示．
二次解理
C103铌合金氩弧焊焊缝断口上的解理台阶
②解理裂纹与螺位错相交形成台阶。解理裂纹与螺位错相交 产生一个布氏矢量大小的台阶。裂纹扩展过程中如与多个同号 螺位错相交，矢量不断叠加，达到一定程度便产生一个能够观 察到的台阶。裂纹与异号螺位错相交台阶就抵消或减少。
载荷作用等外部因素；焊接裂纹、焊缝夹杂、气孔严 重及焊后热处理条件不当；压力容器在低温或与有害 介质接触，环境介质与拉伸应力共同作用而产生的应 力腐蚀断口；上述零件的断裂经常呈解理断口，氢脆 断口有时也可见到解理断裂。
燃煤电站金属材料失效分析的主要分析方法和主要分析设备
断口的宏观观察
1、人字纹
2、放射状条纹
失效分析的主要分析方法和主要分析设备
二、断口的宏观分析
3、疲劳纹
4、断口颜色
失效分析的主要分析方法和主要分析设备
二、断口的宏观分析 5、平断口、斜断口、剪切唇
－－－平断口先断
6、T型断口
失效分析的主要分析方法和主要分析设备
三、断口的微观分析
1、韧窝 金属部件或试样因超载而产生塑性变形，在径缩处由于材料内部
存在夹杂、第二相质点和材料的弹塑性差异，形成显微孔洞'。 2、滑移
其显微特征为晶体材料受到外力作用时，晶体会沿着一定的结晶 面发生滑移'。 3、解理 解理断裂是金属材料在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏而造成 的穿晶断裂'。通常沿一定的晶面（解理面）断裂，有时也可沿滑移 面或孪晶界解理断裂'。 4、准解理 准解理断裂包含显微孔洞聚集和解理的混合机理，属解理断裂范畴'。 5、疲劳断口 疲劳断口的主要特征表现在扩展区上 '。 6、沿晶断口 沿晶断口的最基本特征是有晶界小刻面的冰糖状形貌'。 7、混合断裂
失效分析的主要分析方法和主要分析设备
四、光学显微镜
光学显微镜是一种利用透镜产生光学放大效应的显微镜'。 由物体入射的光被至少两个光学系统（物镜和目镜）放大 '。首先物镜产生一个被放大实像，人眼通过作用相当于 放大镜的目镜观察这个已经被放大了的实像'。一般的光 学显微镜有多个可以替换的物镜，这样观察者可以按需要 更换放大倍数'。
透射电镜有着更高的放大范围（200×～1000000×）'。透 射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨本领约 为0.1毫米)'。
弹簧韧窝断口的宏观形貌特征
弹簧韧窝断口的宏观形貌特征
弹簧材料在外力作用下因强烈滑移位错堆积，在变形大的区域产生许多显微空洞:或因夹杂物破碎，火杂物和基体金属界面的破碎而形成许多微小孔。
孔洞在外力作用下不断长大、聚集形成裂纹直至最终分离，把这种弹簧断裂方式称为微孔聚集型弹簧断裂，其断口称韧窝断口。
韧窝断口的宏观形貌特征是具有纤维状和剪切唇等标记。
在光滑圆试样的拉伸断口中，纤维区、一般位于断口的中央，粗糙不平，见图3-1纤维区是由无数纤维状“’小峰”组成，“小峰”的小斜面和拉仲轴线大约成45度角。
单相金属、普通碳钢、珠光体钢拉伸断门一般都具有这种特征，高强度马氏体钢纤维区还具有圆环状花样特征。
纵截面呈现比较规则的锯齿状，是一种环形的剪切脊。
弹簧冲击断口上也存在有纤维区，见图3-2（a）（b）。
塑性较高的弹簧材料的冲击断口往往出现两个纤维区，冲击断口示意图见图3-3。
纤维区表面颜色灰暗，无金属光泽。
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理按断裂的途径，断口可分为穿晶断裂和沿晶断裂两大类。
穿晶断裂又分为穿晶韧性断裂和穿晶解理断裂（其中包括准解理断裂）。
沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂。
下面分别加以讨论。
1.穿晶断口（1）穿晶韧窝型断口断裂穿过晶粒内部，由大量韧窝的成核、扩展、连接而形成的一种断口。
宏观形貌：在拉伸试验情况下，总是先塑性变形，引起缩颈，然后在缩颈部位裂纹沿与外力垂直的方向扩展，到一定程度后失稳，沿与外力成45°方向快速发展至断裂。
众所周知，这种断口称为杯锥状断口。
断口表面粗糙不平，无金属光泽，故又称为纤维状断口。
微观形态：在电子显微镜和扫描电镜下观察，断口通常是由大量韧窝连接而成的。
每个韧窝的底部往往存在着第二相（包括非金属夹杂）质点。
第二相质点的尺寸远小于韧窝的尺寸。
韧窝形成的原因一般有两种形成情况：1）韧窝底部有第二相质点的情况。
由于第二相质点与基体的力学性能不同（另外，还有第二相质点与基体的结合能力、热膨胀系数、第二相质点本身的大小、形状等的影响），所以在塑性变形过程中沿第二相质点边界（或穿过第二相质点）易形成微孔裂纹的核心。
在应力作用下，这些微孔裂纹的核心逐渐长大，并随着塑性变形的增加，显微孔坑之间的连接部分逐渐变薄，直至最后断裂。
图3-41是微孔穿过第二相质点的示意图。
若微孔沿第二相点边界成核、扩展形成韧窝型裂纹后，则第二相质点留在韧窝的某一侧。
2）在韧窝的底部没有第二相质点存在的情况。
韧窝的形成是由于材料中原来有显微孔穴或者是由于塑性变形而形成的显微孔穴，这些显微孔穴随塑性变形的增大而不断扩展和相互连接，直至断裂。
这种韧窝的形成往往需要进行很大的塑性变形后才能够实现。
因此，在这类断口上往往只有少量的韧窝或少量变形状韧窝，有的甚至经很大的塑性变形后仍见不到韧窝。
当变形不大时，断口呈波纹状或蛇形花样，而当变形很大时，则为无特征的平面。
韧窝的形状与应力状态有较大关系。
3-宏观组织检验及断口分析
二、断口显微形貌特征
1．韧性或韧窝断口 “韧窝花样” （1）韧窝的形状 由所受的应力状态所决定 a）为正交韧窝； b）为剪切韧窝； c）为撕裂韧窝。
等轴韧窝
抛物线韧窝
卵形韧窝
（2）韧窝的大小 韧窝尺寸用韧窝宽度和深度来度量。韧窝宽度 是指等轴球体或抛物线旋转体的大圆直径；韧窝的 深是从断面到韧窝底部的距离。 （3）韧窝的数量 韧窝的数量取决于显微空洞的数目。 （4）卵形韧窝 卵形韧窝是指在大韧窝的自由表面上又生成小 韧窝或二次韧窝。 （5）沿晶韧窝 韧窝花样有穿晶型，还有沿晶型。
2H 2e H 2
电子由阳极流向阴极，阳极被侵蚀
Fe 2Cl
2
1
FeCl2
Fe3 3Cl 1 FeCl3
（1）热酸蚀检验
酸液加热到一定温度时，电化学腐蚀反应速度 加快。 热酸蚀主要用于显示偏析、疏松、枝晶、白点 等低倍组织及缺陷。 操作过程： 1）在酸蚀槽中加热酸液，将试样放于酸蚀槽； 2）酸蚀； 3）取出、清洗、吹干； 4）检验。
1．硫印法 （1）原理 化学反应式：
（2）操作过程
室温下把相纸浸入硫酸水溶液中2min左右 ↓ 将湿润相纸膜面贴在试样表面 ↓ 排出试样表面与相纸间的气泡和液滴 ↓ 反应一定时间3min ↓ 揭掉相纸、清洗、定影、显影、干燥上光
2．磷印法
硫代硫酸钠法基本原理 与硫印法相似，所不同的是试样需先进行浸蚀，磷化物 分布较多的地方会和硫代硫酸钠反应，当将含有盐酸的印相纸 放在试样表面上时， 未发生反应的硫代硫酸钠会先和盐酸发生如下反应： Na2S2O3+2HCl=2NaCl+H2O+S↓+SO2↑ 多余的硫代硫酸钠又会和印相纸上溴化银发生如下反应： AgBr+2Na2S2O3=NaBr+Na3〔Ag(S2O3)2〕
疲劳断口的宏观形貌特征
断口的微观结构特征
疲劳断口的观察方法
• 断口的宏观形貌（通常指40x以下） 观察总体形貌特征，定性分析。 o 是否疲劳破坏?（能否看到三个特征区） o 何处为裂纹源?（可以直接从断口处观察到） o 裂纹临界尺寸?（扩展区大小） o 破坏载荷? （结合断裂力学知识计算） • 断口的微观结构（通常指40x以上） 断口的宏观形貌特征 得到局部细节处的信息，了解破坏形成的微观机理，本质 上把握疲劳现象；甚至可以进行定量计算。
谢谢！
疲劳断口
塑性断口
根据宏观形貌特征判断受载情况
扩展区
从右到左依次为裂纹源，扩展区 和瞬断区，判断为单向弯曲载荷
断口形貌有对称的特征，判 断为双向弯曲载荷
根据宏观形貌特征判断受载情况
最后断裂区
最后断裂区的面积小，说明应力水平比较低
根据宏观形貌特征判断受载情况
棘轮状标志
根据裂纹源的位力集中
疲劳断口的宏观形貌特征
• 疲劳源 疲劳源区是疲劳裂纹的萌生地，该区一般位于构件的表面或内部缺陷处，可能 一个，也可能多个。
疲劳源位于构件的表面
疲劳源位于内部缺陷处
疲劳源位于构件的表面
在断口上无法明显的看到裂纹萌生的许多细节，但是疲劳断口的整体形貌特征 仍可确定疲劳源的大体位置。
疲劳断口的宏观形貌特征
1~10x 宏观断口、海滩条带
10~1000x 裂纹源、滑移、夹杂、 缺陷
1000x以上 条纹、微解理、微 孔聚合
例图
疲劳断口的宏观形貌特征
• 断口的宏观形貌 材料疲劳断裂虽然类似脆性断裂，但疲劳断口明显区别于其他类型断口：
疲劳断口
脆性断口 断口的宏观形貌特征
塑性断口
疲劳断口的宏观形貌特征
断口失效分析实验报告
表1 所观察金属断口的宏观形貌特征表2 所观察金属断口的微观形貌特征图1 D1断口样品宏观图像图2 D2断口样品宏观图像图3 D3断口样品宏观图像图4 D3断口样品宏观图像（3）复制所观察的各断口各区域的微观形貌图；指出其微观特征。
图5 D1断口样品纤维区特征：图5显示了D1断口中心部位纤维区即本断口的裂纹源的显微形貌：由等轴韧窝组成，大多数韧窝较小、较浅，此区域属韧性断裂。
图6 D1断口样品放射区特征：图6中左图显示了放射区放射状的韧窝台阶；右图显示了放射区的显微形貌：由大量较大的剪切韧窝与滑移平直区、撕裂棱等混合组成。
此区域属韧性断裂。
图7 D1断口样品剪切唇区特征：图7中左图显示了D1样品剪切唇区的显微形貌：非等轴、较浅的剪切韧窝。
右图显示了大韧窝底部的显微形貌：带有涟波纹的滑移区。
此区域属韧性断裂。
图8 D2断口样品结晶区特征：图8显示了D2样品中心部分结晶区的显微形貌，其显现出平直的晶粒外形，晶界面上有大量细小的韧窝或有细长的裂纹。
此区域属沿晶断裂、脆性断裂。
图9 D2断口样品解理区特征：图9显示了D2样品边缘部分解理区的显微形貌：由平齐的解理面以及解理台阶、河流花样等组成。
此区域属穿晶断裂、脆性断裂。
图10 D3断口样品裂纹源区特征：图10显示了D3样品裂纹源的形貌：最下部为V形缺口处的连波纹；左图次下部（右图中部）为裂纹源区；左图上部为裂纹扩展区。
图11 D3断口样品纤维区特征：图11显示了D3样品纤维区的形貌：由小、多的撕裂韧窝组成，韧窝成行排列，每排韧窝的排列方向与裂纹扩展方向一致。
此区域细小韧窝居多，属脆性断裂。
图12 D3断口样品放射区放射花样特征：图12显示了D3样品放射区放射花样形貌。
放射花样与裂纹扩展方向一致。
图13 D3断口样品放射区显微形貌特征：图13显示了D3样品放射区的显微形貌：由舌状花样、河流花样、解理台阶、滑移平直区及撕裂棱等混合组成，此区域属脆性断裂。
图14 D3断口样品剪切唇区特征：图14显示了D3样品剪切唇区的显微形貌：由平而浅、倾斜的滑移韧窝、撕裂棱等组成。
高强度螺栓断裂分析
高强度螺栓断裂分析作者：上海交通大学曾振鹏摘要:采用断口分析、金相检验和硬度测定等方法，对高强度螺栓断裂原因进行了分析。
断口分析结果表明，断口平坦，呈放射状花样，微观形态主要为准解理花样，表明螺栓的断裂是脆性断裂;同时发现，在断口附近还存在横向内裂纹，内裂纹的断口形态与断裂断口一样。
金相分析表明，材料棒中存在严重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起断裂的主要原因。
关键词:高强度螺栓;准解理;横向内裂纹;中心碳偏析某厂生产的一批规格为M30×160mm的高强度大六角头螺栓，在进行验收试验时发生断裂。
螺栓材料为35CrMoA，采用常规工艺生产，硬度要求为35～39HRC。
1检验1.1材料的化学成分用VD25直读光谱仪进行了材料化学成分分析，分析结果(质量分数)列于表1。
从表1可以看出，材料的化学成分符合标准要求。
1.2硬度测定硬度测定结果列于表2。
由表可见，螺栓材料硬度虽符合技术要求，但已接近上限。
1.3材料的显微组织(1)在抛光态下，可见材料中含有较严重的夹杂物，其形态、分布见图1。
对照标准[2]，夹杂物级别为3～4级。
图1夹杂物形态及分布状况100×图2螺栓的显微组织280×(2)显微组织见图2。
组织为回火马氏体+粒状贝氏体，并有少量铁素体。
从图2可明显看出，组织中存在严重偏析，出现回火马氏体和粒状贝氏体带，致使显微组织不均匀，而且在回火马氏体带中存在MnS夹杂。
对样品螺纹根部附近的组织进行了观察，未发现脱碳现象。
1.4断口分析(1)图3a为断口的宏观形貌，断口较平坦，表面呈灰色，有明显的撕裂脊，呈放射状花样，放射线从中心向四周发射。
表明裂纹先在中心形成，然后向外扩展。
当裂纹扩展至整个横截面时，螺栓断裂。
图3断口的宏观形貌(2)断口的微观形态基本上以准解理花样为主，还有一些二次裂纹，如图4所示。
图4断口微观形貌从断口的宏观和微观分析可知，断裂断口为脆性断口，裂纹起源于中心部位。
金属断口分析教学大纲
《金属断口分析》教学大纲修订单位：机械工程学院材料工程系执笔人：张国福一、课程基本信息1．课程中文名称：金属断口分析2．课程英文名称：Fracture Analysis3．适用专业：材料成型及控制工程4．总学时：32学时5．总学分：2学分二、本课程在教学计划中的地位、作用、任务本课程是专业选修课。
通过课程学习，使学生对金属断口的宏观和微观特征有比较清楚的认识。
同时可以掌握断口特征与金属断裂原因之间的关系，为以后在生产实际中应用奠定理论基础。
三、理论教学课程内容与教学要求绪论（2学时）了解本课程的目的、任务和要求。
了解金属断口分析在实际生产中的作用及意义。
第一章金属断裂的基本概念（4学时）掌握延性断裂与脆性断裂、穿晶断裂与晶间断裂、解理断裂与剪切断裂和疲劳断断裂与静载延滯断裂。
第二章断口的宏观分析（8学时）掌握静载荷下的断口宏观形貌、冲击断口的宏观形貌、疲劳断口的宏观形貌、晶间断裂与解理断裂的断口特征、应力腐蚀及氢脆断口和实际构件（或零件）断口的宏观分析。
第三章解理断裂与剪切断裂的断口微观特征（8学时）掌握解理断裂的微观特征和剪切断裂的微观特征。
第四章疲劳断口的微观特征（4学时）掌握疲劳裂纹扩展的二个阶段，第一阶段和第二个阶段断口的电子金相特征。
了解低周疲劳的断口特征，疲劳断口的定量分析。
第五章晶间断裂及其它断裂的断口微观特征（4学时）掌握晶间断裂的断口特征、应力腐蚀及氢脆断口的微观特征。
了解混合型断口。
第六章实际构件的破断分析（2学时）掌握破断分析的一般方法。
了解破断分析实例。
四、考核方式考试五、成绩评定考试成绩占60%，平时成绩（平时出勤率、提问相结合）占40%六、本课程对学生创造能力培养的措施培养学生断口分析的能力，掌握断口的特征，断口分析的特点。
七、教材与参考书教材：上海交通大学《金属断口分析》编写组《金属断口分析》国防工业出版社出版。
6-断口失效分析技术
4
1.2 断口分析的任务
确定断裂的宏观性质 确定断口的宏观形貌 查找裂纹源区的位置及数量 确定断口的形成过程 确定断裂的微观机制 确定断口表面产物的性质，该产物是否参 与了断裂过程等
5
1.3 断口含义
断口分析是失效分析的基础 断口是指：具备断口的形貌和宏微观特征
30CrMnSiNiA钢脆断断口 1.源区 2.扩展区（内有人字纹） 3.撕裂区
33
2.4 三种断口特征的比较
几种断裂宏观特征
塑性断裂
脆性断裂
疲劳断裂
切断型
正断型
缺口脆性
低温脆性
低周疲劳
高周疲劳
34
断面特征
放射
切断型
不出现，在 高强度钢中 有时出现 不出现
正断型
不出现
缺口脆性
明显
低温脆性
不太明显
弹簧的脆性扭转断口，断面 与轴线成45度
低温拉 伸脆性 断口 （无纤 维区只 有放射 区)
1056钢轴（表面硬化，表面硬度19 60HRC， 心部20HRC）的冲击弯曲过载断裂
断口三要素在断裂失效分析中的应用
裂源位置
裂纹扩展方向 断口上有二或三种要素区时，剪切唇区是最后断 裂区
20
2.2 疲劳断口宏观特征
14
静载荷试样宏观断口三要素
（无缺口）断口三要素示意图
断口实际形貌
15
缺口圆形拉伸试样 断口三要素示意图
冲击断口三要素分布、 形状及位置示意图
16
矩形拉伸试样 断口三要素变 化示意图
17
一次过载断裂-应力取向与宏观断裂路径
圆形试样在拉伸、扭转、压缩与弯曲载荷 下的应力取向与宏观断裂路径
实验二断口形貌观察实验[教材]
![实验二断口形貌观察实验[教材]](https://img.taocdn.com/s3/m/4b1dc83c3069a45177232f60ddccda38376be10b.png)
实验二断口形貌观察实验一、实验目的1.掌握断口宏观分析的方法，了解断口宏观分析的意义及典型宏观断口的形貌特征。
2.了解扫描电镜在断口分析中的应用，识别几种常见的断口微观形貌。
二、实验设备及试样1.实验设备:低倍显微镜、扫描电镜。
2.试样:HT200、20钢、Q235钢拉伸、压缩断口，6061铝、65Mn拉伸断口，疲劳断口，冲击断口，疲劳断口，氢脆断口等。
三、概述钢材或金属构件断裂后，破坏部分的外观形貌通称为断口。
断裂是金属材料在不同情况下当局部破断发展到临界裂纹尺寸，剩余截面不能承受外界载荷时发生的完全破断现象。
由于金属材料中的裂纹扩展方向总是遵循最小阻力路线，因此断口一半也是材料中性能最弱或零件中应力最大的部位。
断口形貌十分真实的记录了裂纹的起因、扩展和断裂过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基础，同时也是分析断裂原因的可靠依据，断口分析中分宏观分析和微观分析两类，它们各有特点，相互补充，是整个断口分析中相互关联的两个阶段。
四、实验内容（一）宏观断口分析宏观断口分析：用肉眼、放大镜、低倍实体显微镜来观察断口形貌特征，断口裂源的位置、裂纹扩展方向以及各种因素对断口形貌特征影响称为断口宏观分析。
从断裂机理可知，任何断裂过程总是包括裂纹形成，缓慢扩展快速扩展至瞬时断裂几个阶段。
通过宏观断口分析人们可以看到，由于材质不同，受载情况不同，上述各断裂阶段在断口留下的痕迹也不同，因此我们掌握了常见的宏观断口特征以后，就可以在事故分析中根据宏观断口特征来推测断裂过程和断裂原因，本实验主要观察下列几种断口。
1.拉伸试样断口：5种材料断口特征：低碳钢拉伸断口外形呈杯锥状，整个断口可分为三个区，中心部位为灰色纤维区，纤维区四周为辐射状裂纹扩展区，边缘是剪切唇，剪切唇语拉伸应力轴交角为45°。
铸铁试样断口为结晶状断口，呈光亮的金属光泽，断口平齐。
2.疲劳端口轴类零件多在交变应力下工作，发生疲劳断裂后宏观断口上常可看到光滑区和粗糙区两部分，前者为疲劳裂纹形成和扩展区，有时可见贝纹线，蛤壳或海滩波纹状花样，这种特征线是机器开始和停止时，或应力幅发生突变时疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹，是疲劳宏观断口的重要特征。
2-1-断口宏观分析实验指导书
实验二断口的宏观分析一、实验目的1、熟悉金属材料常见的几种失效形式及类型，了解失效分析中断口观察的目的、意义。
2、掌握断口的基本类型、特点及断口观察分析方法，了解失效分析思路。
3、利用光学显微镜对拉伸和冲击试样进行断口观察分析。
二、实验概述1、失效的形式及其类型按失效机理，金属材料的常见失效形式有：变形失效、断裂失效、磨损失效和腐蚀失效等几种主要类型。
（1）变形失效变形通常是机械构件在外载荷作用下，形状和尺寸发生变化的现象。
从微观上讲是指材料在外载荷作用下，晶格产生畸变，宏观上发生了变形。
若外载消除变形亦消除时，这种变形为弹性变形；若外载消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。
变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求的变形量。
变形失效分为弹性变形失效和塑性变形失效两种。
弹性变形失效仅是材料的弹性模量发生变化，而与机械构件的尺寸和形状无关；塑性变形失效将导致机械构件表面损伤，其机械构件的形状与尺寸均发生变化。
（2）断裂失效断裂是指金属、合金材料或机械产品在外载荷的作用下分成两部分（或以上）的现象。
断裂是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。
断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。
断裂失效按断裂机理不同有如下多种类型：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④疲劳断裂失效；⑤蠕变断裂失效；⑥应力腐蚀断裂失效；⑦沿晶断裂失效；⑧液态或固态金属脆性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩滑移分离失效等。
（3）磨损失效磨损是摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑而不断损伤的现象。
磨损失效是指由于磨损现象的发生使机械零部件不能达到原设计功效，即不能达到原设计水平。
磨损失效的主要类型有：粘着磨损失效；磨粒磨损失效；腐蚀磨损失效；变形磨损失效；表面疲劳磨损失效；冲击磨损失效；微振磨损失效等。
（4）腐蚀失效腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。
焊接结构的失效形式
焊接结构的失效形式焊接结构的失效形式有：脆性失效、塑性失效、疲劳失效、应力腐蚀失效等。
下面就常见的几种失效的特征及断口特点作具体分析。
一脆性失效：1 脆性失效的特征：脆性断裂是焊接结构的一种最为严重的断裂失效。
通过脆性断裂失效都在实际应力低于结构设计应力下发生，断裂时无显著的塑性变形，具有突发破坏的性质，往往造成重大损失。
脆性断裂在工程结构中是一种非常危险的破坏形式。
其特点是裂纹扩展迅速，能量消耗远小于韧性断裂，而且很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的征兆，而是突然发生。
脆性断裂断口表面发亮，呈颗粒状，属于平直类型，是在平面应变状态下发生的。
同时，脆性断裂是在低应力条件下发生的，因而这种断裂往往带来恶性事故和巨大损失。
2 脆性断裂断口的宏观分析：脆性断裂断口在宏观上有小刻面和放射状或人字花样两种形式。
脆性断口穿晶结晶面为解理面，在宏观上呈无规则取向。
将脆性断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。
一般称这些表面发亮呈颗粒状的小平面为“小刻面”．即解理断口是由许多“小刻面”组成的。
因此，根据这个宏观形貌很容易判别解理断口；放射状或人字花样是脆性断口的另一个宏观形貌特征。
人字花样指向裂纹源，其反向即倒人字为裂纹扩展方向。
因此，可以根据人字花样的取向，很容易地判断裂纹扩展方向及裂纹源的位置。
另外，放射状花样的收敛处为裂纹源，其放射方向均为裂纹的扩展方向。
二塑性失效：1 塑性失效的特征：塑性断裂的特点是金属断裂时伴随有明显的塑性变形并消耗大量能量。
由于塑性断裂是在大量塑性变形后发生的，结构断裂后在受力方向上会留下较大的残余变形，在断口附近有肉眼可见的挠曲、变粗、缩颈等。
塑性变形常使容器直径增加和壁厚减薄。
在大多数材料中，拉伸塑性断口呈灰色纤维状，宏观上分为平直面和剪切面。
2垫性断裂断口的宏观分析：由于显微空洞的形成、长大和聚集，最后形成锯齿形纤维状断口。
这种断裂形式多属穿晶断裂，因此断口没有闪烁的金属光泽而是呈暗灰色。
疲劳断口宏观分析
.1 疲劳断口的形貌特征疲劳断口是指金属材料或零构件在疲劳断裂过程中形成的一种匹配的表面，称断裂面或断口。
分析它的目的在于确定零构件是否属于疲劳破坏?其破坏的原因是什么?从而提出防止事故的措施和方法，为今后的设计、选材以及加工等问题提出改进意见。
对断口的形貌进行分析包括两个方面，即宏观断口分析和微观断口分析。
所谓宏观分析是指用肉眼或20—30倍以下放大镜观察断口的形貌特征。
微观分析是指用光学显微镜或电子显微镜对断口进行分析。
宏观分析不要求专门设备，被观察断口尺寸不受限制，可以观察断件和断口全貌，了解各个方面变化情况，所以说宏观分析是断口分析的基础。
微观分析是用高倍的光学显微镜、c透射电镜，扫描电镜对断口进行分析，能观察断口的精细结构及裂纹形态。
1.1 疲劳断口宏观特征由于零构件经常承受拉、压、弯、扭或复合应力的作用，因载荷类型不同，在宏观断口上表现出的形貌特征也不相同。
（1）弯曲应力作用下的疲劳断口图1-2是在弯曲疲劳载荷作用下的断口示意图。
零件在弯曲疲劳载荷作用下，其表面应力最大，中心应力最小，疲劳源首先在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直方向扩展，到最后瞬断。
图中（a）是单向弯曲疲劳断口，它的疲劳源首先在受拉应力一侧表面形成，瞬断区在疲劳源相对侧，其面积大小由材料抗拉强度和外加载荷的大小来决定。
图中（b）是双向弯曲疲劳断口，由于双向弯曲，试件上下两侧交替承受拉应力作用，故疲劳源在相对两侧面形成，瞬断区在中间。
.页脚...图1-3是轴在旋转弯曲应力作用下的疲劳断口示意图，由于旋转弯曲应力也是表面最大，中心最小，疲劳源也开始于表面，且疲劳源两侧裂纹发展速度较中心快，故贝纹线比较扁平。
最终瞬断区虽然也在疲劳源对面，但总是相对于轴的旋转方向逆偏转一个角度，此种现象称为偏转现象。
因此，从疲劳源与瞬断区的相对位置便能推知轴的旋转方向。
轴上有无应力集中及应力集小，其最终瞬断区的位置是不同的。
若应力集中若应力集中最终瞬断区在疲劳源相对应的一侧。
典型断口的宏观观察和微观分析
典型疲劳断口宏观观察和微观分析在工程应用中，结构件所受的应力总是低于材料的屈服强度σs （σ0.2）。
通常，在低于屈服强度的应力作用下，材料既不会发生塑性变形，更不会发生断裂。
但是，在应力的重复作用下，即使所受的应力低于屈服强度，材料也有可能发生断裂。
这种现象便称为疲劳现象。
引起疲劳断裂的应力常低于材料的屈服强度，在这种情况下，疲劳断裂前不发生明显的塑性变形。
所以疲劳断裂通常属于低应力脆性断裂。
一﹑实验目的1.了解测定材料疲劳极限的方法；2.观察疲劳失效和慢应变速率拉伸试验的宏观断口特征。
二、实验设备1.试验材料X80、X90管线钢。
2.PLD-50KN-250NM 拉扭疲劳试验机和PLT-10慢应变速率拉伸试验机。
3.VHX-600E 超景深显微镜三﹑实验原理1.金属疲劳试验方法在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值为应力比：maxmin σσ=r （1-1） 称为循环特征或应力比。
在既定的r 下，若试样的最大应力为max σ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效，则N 1称为最大应力r 为时的max σ疲劳寿命（简称寿命）。
实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。
表示最大应力max σ与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。
碳钢的S-N 曲线如图1所示。
由图可见，当应力降到某一极限值r σ时，S-N 曲线趋近于水平线。
即应力不超过r σ时，寿命N 可无限增大。
称为疲劳极限或持久极限。
下标r 表示循环特征。
实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。
故可把107次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限r σ。
而把N 0=107称为循环基数。
有色金属的S-N 曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平，通常规定一个循环基数N 0，例如取N 0=108，把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
6-断口失效分析技术
工程中的疲劳断裂
微动磨蚀疲劳－两个紧配合零件表面之 间发生周期性的、幅值极小的相对运动 而造成的磨损腐蚀疲劳
a
b
40CrNiMoA钢旋翼梳状接头耳孔的微动磨蚀 疲劳断口形貌 a.磨蚀坑 b.磨蚀裂纹
68
工程中的疲劳断裂
多次冲击疲劳－承受冲击载荷的零件， 如锤杆、凿岩机活塞和钎尾等，其冲 击能量小于一次冲击断裂的能量，经 多次（>1000次）冲击后发生断裂， 称为小能量多次冲击疲劳
f.4000×
c.900×
d.1000×
e.1200×
59
铸镁合金脆性疲劳辉 纹的形貌
依据微观变形： a.延性疲劳辉纹：光滑连续 b.脆性疲劳辉纹：放射解理台 阶分割
60
请仔细辨认易混淆的花样
61
工程中的疲劳断裂
高周疲劳、低周疲劳和高低周复 合疲劳
800×
800×
高低周复合应力疲劳断口的微观形貌 a.多条复合辉纹 b.单条复合辉纹
按照断裂过程的先后有三个 明显的特征 疲劳源区 扩展区 瞬断区 特点 名义应力远低于屈服，甚 至低于弹性极限 缺陷、表面、形状、环境 敏感性 突然性
分类： （载荷、寿命）低周、 高周 （载荷）轴向疲劳：拉 -拉、拉-压、脉动；弯 曲（单向、双向、旋转） 扭转、振动 （载荷源、环境）机械、 热、高温、腐蚀、接触、 微动等
通过二次解 理形成的解 理台阶
解理裂纹与螺位错相交形成 解理台阶的示意图
42
河流花样形成过程示意图
特征2—河流花样
43
特征3—舌状花样
解理舌状花样 SEM 2000×
舌状花样的形成示意图
44
特征4—鱼骨花样
解理羽毛状花样1000× 鱼骨状花样2000×