材料断口分析(第5-6章)
材料力学性能 第五章 缺口试样的力学性能.
设想有一单位厚度的无限宽形板，对其施 加一拉应力后，与外界隔绝能源。在板内 制造一穿透裂纹，裂纹的扩张来自与系统 内部的弹性能释放。当裂纹扩张时，其表 面能增加了。
u uE us
系弹 统性 总应 能变
表 面 能
能
《材料力学性能》 第六章 断裂韧性基础
冷脆：材料因温度的降低 导致冲击韧性的急剧下降 并引起脆性破坏的现象
《材料力学性能》 第五章 缺口试样的力学性能
5.4.1 系列温度冲击试验
试验表明：随着温度降 低，冲击功由高阶能转 变为低阶能，材料由韧 性断裂过渡到脆性断裂， 断口形式也由纤维状断 口经过混合断口过渡为 结晶状断口，断裂性质 由微孔聚集型断裂过渡 为解理断裂。
定义： G u ( 2a2 ) 2a (2a) (2a) E E
G是弹性应变能的释放率或者裂纹扩展力。
《材料力学性能》 第六章 断裂韧性基础
恒位移条件： 裂纹扩展释 放出的弹性 能是三角形 OAC的面积。
恒载荷条件： 外力做的功一 半用于弹性能 的增加，一半 用于裂纹扩展 裂纹扩展释所 需的弹性能是 三角形OAC的 面积。
以 a 代替 2E a
1
1
2
2
1,
E
2
a
Griffith 公式
《材料力学性能》 第六章 断裂韧性基础
6.1.3 奥罗万(Orowan)的修正
Griffith研究的对象主要是玻璃这类很脆的材料，对于大多数金属材料， 虽然裂纹尖端由于应力集中作用，局部应力很高，但是一旦超过材料的屈 服强度，就会发生塑性变形。在裂纹尖端有一塑性区，材料的塑性越好强 度越低，产生的塑性区尺寸就越大。裂纹扩展必须首先通过塑性区，裂纹 扩展功主要耗费在塑性变形上，金属材料和陶瓷的断裂过程不同，主要区 别也在这里。由此，奥罗万修正了格里菲斯的断裂公式，得出：
材料失效分析(第五章-疲劳)
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
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金属表面形成的挤出脊与挤入沟
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2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
20
锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
21
锯齿形断口
棘轮花样
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3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
8
第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
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4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
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二、疲劳裂纹扩展模型
断口分析
故障件的断口分析在形形色色的故障分析过程中，人们常会看到一些损坏零件的断口，但是人们缺乏“读懂”它的经验，不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。
这里结合整改过程中的一些实例作些介绍，希望能对您有所帮助！对于汽车常用碳素钢和合金钢而言，其常见断口有：1.韧性(塑性)断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂。
断口形貌为韧性(塑性)断口，断口呈暗灰色没有金属光泽看不到颗粒状形貌，断口上有相当大的延伸边缘。
2.疲劳弯曲断口：2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口：出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区特征（下面将详述）。
2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口：不具有典型的疲劳断口特征，属于不正常的弯曲断裂。
其断口特征：沿弯曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层；而内层呈银灰色白亮条状新断口（见图1）。
图13.典型的金属疲劳断口典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个特征。
断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。
3-1 疲劳裂纹源区：是疲劳裂纹萌生的策源地，它处于机件的表面，形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆形，这是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢，裂纹经反复挤压摩擦而形成的。
它所占有的面积较其他两个区要小很多。
疲劳裂纹大多是因受交变载荷的机件表面有缺陷；譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点等缺陷形成应力集中而引起的。
疲劳裂纹点在同一个机件上可能有多处，换句话说可能有多处疲劳裂纹源区，这需要我们去仔细解读疲劳断口。
3-2 疲劳裂纹扩展区：是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。
它是判断疲劳断裂的最重要的特征区。
它以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇形的弧线，也称疲劳弧线呈“贝纹状”。
疲劳弧线是因机器运转时的负载变化、反复启动和停止而留下的塑性变形痕迹线。
金属材料的塑性好、工作温度高及有腐蚀介质存在时则弧线清晰。
3-3 瞬时断裂区：由于疲劳裂纹不断扩展使机件的有效断面减小，因此应力不断增加直至截面应力达到材料许用应力时，瞬时断裂便发生了。
金属材料断口分析-精彩部分
有关断口分析的基本概念介绍---10;
冲击断口的宏观形貌及示意图
V缺口试样断口
示意图
有关断口分析的基本概念介绍---11;
带有中央切口板试样的反复交变拉伸的疲劳断口
有关断口分析的基本概念介绍---12;
弯曲与旋转弯曲疲劳断口
断口分析总结
断口微观分析系统介绍：
1,解理与准解理; 2,剪切断裂; 3,疲劳断裂; 4,晶间断裂等
各种材料的解理面和滑移面
有关断口分析的基本概念介绍---4;
a,平面应 变时的 断口,正 断型;
b,平面应 力时的 断口,切 断型;
屈服区大小沿板厚方向改变的情况（穿透裂纹“哑 铃状”）
有关断口分析的基本概念介绍---4;
有关断口分析的基本概念介绍---5;
静载荷下光滑圆试样的拉伸断口宏观形貌示意图
有关断口分析的基本概念介绍---6;
断口的一般特征
解理与准解理断裂的断口具有以下之一的重要特征---解理部分：
解理与准解理断裂的断口具有以下之一的重要特征---准解理部分：
剪切断裂断口的一般特征
下面介绍：
1,疲劳断裂断口的一般时征：
1-1断口宏观上分成三个区;
1-2裂纹扩展又分两个阶段;
2疲劳纹形成机制试探讨
1-1断口宏观上分成三个区; 疲劳核心区; 疲劳裂纹扩展区; 瞬时破断区。
疲劳裂纹形成
1-2裂纹扩展又分两个阶段,---第一阶段疲劳裂纹形核;
1-2裂纹扩展又分两个阶段,---第二阶段疲劳裂纹扩展
2 疲劳纹形成机制试探讨
4,晶间断裂的断口特征
实际工程的断口是混合型断口
混合型断口判断经验之：1 ,2
混合型断口判断经验之：3,4,
断口学课件
断口学 开拓者之一，中国工程院院士。
现任北京航空航天大学教授， 校学术委员会主任。
1
目录
第一章：绪论
第二章：断裂力学基础
第三章：断裂物理基础
第四章：断口分析技术
第五章：断裂失效分析的思路
第六章：韧性断裂的断口及其分析
第七章：脆性断裂的断口及其分析
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第六章：韧性断裂的断口 及其分析
6.1 韧性断裂的机理及其影响因素 6.1.1 单晶的韧性断裂现象 6.1.2 多晶的断裂现象
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6.1 韧性断裂的机理及其影响因素
第六章：韧性断裂的断口 6.1.4 韧性断裂的影响因素
结构特征：fcc bcc hcp
及其分析 晶粒大小：晶粒细化，韧脆转移温度降低，韧性提高 杂质、第二相 应力状态及应变速率：拉应力、压应力 形变温度及环境
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6.2 韧性断口的特征和诊断
第六章：韧性断裂的断口 6.2.1 韧性断口的宏观特征 及其分析
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第六章：韧性断裂的断口 及其分析
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6.2 韧性断口的特征和诊断
第六章：韧性断裂的断口 6.2.2 韧性断口的微观特征 滑移分离 及其分析
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6.2 韧性断口的特征和诊断
第六章：韧性断裂的断口 6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝 及其分析
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5.1 断裂失效分析思路的思想方法
第五章：断裂失效分析的 5.1.2 五个具体方法 系统方法 思路 抓主要矛盾法 比较方法 历史方法 逻辑方法
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5.2 断裂失效分析思路
第五章5.2.1 相：关性断思路裂失效分析的 思路
断口学(第一章第二章)
1.3 断口的分类
1.3.1 宏观分类
按断口表明宏观变形分类 脆性断口、韧性断口、混合断口 按断口宏观取向分类 正断断口、切断断口、混合断口
1.3.2 微观分类
按断裂路径分类 沿晶断口、穿晶断口 按微观形貌分类 解理断口、准解理断口、韧窝断口、疲劳断口、沿晶断 口等
第二章：断裂力学基础
பைடு நூலகம் 第二章：断裂力学基础
第二章：断裂力学基础
第二章：断裂力学基础
第二章：断裂力学基础
2.1 断裂力学的起源和发展
2.1.2 线弹性断裂力学 应力强度因子理论 （4）裂纹尖端塑性区
（b）裂尖前缘塑性变形特征
第二章：断裂力学基础
第二章：断裂力学基础
第二章：断裂力学基础
第二章：断裂力学基础
2.1 断裂力学的起源和发展
2.1.1 断裂力学的起源 传统强度设计的缺陷
第二章：断裂力学基础
2.1 断裂力学的起源和发展
2.1.1 断裂力学的起源 Griffith理论
A.A. Griffith
1920年，格氏发表了他那篇著名的论文：The phenomenon of rupture and flow in solids。 该文次年刊登在皇家学会的Philosophical Transactions杂志上。他认为，材料内部有很多显微 裂纹，并从能量平衡出发得出了裂纹扩展的判据，一举 奠定了断裂力学的基石。 格氏1893年出生于伦敦，1911年毕业于曼岛的一所 中学，获得奖学金进入利物浦大学读机械工程，1914 年以一等成绩获得学士学位，并获得最高奖章。1915 年，格氏到皇家航空研究中心工作，并与G.I. Taylor 一起发表了用肥皂膜研究应力分布的开创性论文，该文 获得机械工程协会的金奖。同年，格氏获得利物浦大学 工程硕士学位。1921年，格氏以他的断裂力学成名作 获得利物浦大学工程博士学位。其后，格氏历任空军实 验室首席科学家，航空研究中心工程部主管等职，在航 空发动机设计方面做出了同样卓越的贡献，与他在断裂 方面的名望相比，这些成就就少为人知了，感兴趣的朋 友可以到网上查查。格氏于1939年加盟劳斯莱思公司， 1941年当选皇家学会院士，1960年退休，1963年 辞世，享年70岁。
工程材料作业第五、六章
第五章金属材料的主要性能1 金属材料的力学性能指的是什么性能？常用的力学性能包括哪些方面的内容？答：金属的力学性能是指在力的作用下，材料所表现出来的一系列力学性能指标，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。
主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳等。
2 衡量金属材料强度、塑性及韧性常用哪些性能指标？各用什么符号和单位表示？答：衡量金属材料的强度指标为：比例极限σp、弹性极限σe、弹性模量E、屈服强度σs、抗拉强度σb、屈强比σs/σb。
衡量金属材料的塑性指标为：延伸率δ、断面收缩率ψ。
衡量金属材料的韧性指标为：冲击韧性指标：冲击吸收功Ak；断裂韧性指标：断裂韧度。
3、硬度是否为金属材料独立的性能指标？它反映金属材料的什么性能？有5种材料其硬度分别为449HV、80HRB 、291HBS 、77HRA 、62 HRC，试比较五种材料硬度高低。
答：硬度不是金属材料的独立性能（它与金属抗拉强度成正比），是反映材料软硬程度的指标，表征材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形的能力。
80HRB<291HBS<449HV<77HRA <62HRC。
4、为什么说金属材料的力学性能是个可变化的性能指标？答：（1）温度的改变会影响金属的塑性，而塑性与韧性和强度、硬度有关，则改变温度会导致力学性能改变；（2）不同的承载情况会改变材料的力学性能，如很小的交变载荷也可使钢丝折断；不同的加工工艺也会改变材料的力学性能（为了使材料有不同的性能来满足我们的需要，就用了回火、淬火、正火等加工工艺）。
5、金属材料的焊接性能包括哪些内容？常用什么指标估算金属材料的焊接性能？答：金属的焊接性能：①接合性能：金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性。
②使用性能：某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的适应性，也就是焊接接头承受载荷的能力。
金属的焊接性能指标：碳当量、冷裂纹敏感系数。
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断口分析通常是一个从宏观到微观，从定性到定量的分析过程，并且是应用多种仪器联合测试检验的结果，是综合性很强的技术分析工作。
因此需要严格的科学态度，精心地、有步骤地进行研究分析。
断口分析步骤：(1)所有试样的选择、鉴定、保存以及清洗;(2)宏观检验和分析(断裂表面、二次裂纹以及其他的表面现象);(3)微观检验和分析;(4)金相剖面的检验和分析以及化学分析;(5)断口定量分析(断裂力学方法);(6)模拟试验。
1 断裂构件的处理及断口的保存在确定了断裂的金属构件后，就要采取措施把断口保存好，尽快制定分析计划。
通常金属构件的断裂不止一个断口，有时要立即判断主断口有困难，此时应该把所有断件收集好，在收集过程中切勿把断口碰伤或对接，也不要在断口上使用防蚀涂层。
保护和清理断口是断口分析的一个重要前提。
对断口和裂纹轨迹进行充分检查后方可进行清洗。
对于不同情况下的断口应该用不同方法处理：(1)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。
(2)对于带有油污的断口，首先用汽油，然后用丙酮、三氯甲烷、石油醚及苯等有机溶剂溶去油污，最后用无水乙醇清洗吹干。
当浸没处理还不能去除油污时，可使用蒸汽或超声波方法进一步去除。
(3)在腐蚀环境下发生断裂的断口，通常在断口上覆盖一层腐蚀产物，这层产物对于分析断裂原因是非常有用的，但对断口形貌观察常常带来很大的麻烦。
在这种情况下，需要用综合分析的方法来考虑。
因为有许多腐蚀产物容易水解或分解，因此进行产物分析要抓紧时间，同时不要进行任何清洗和处理。
通常把带有腐蚀产物的断口试样，先用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，得出结论后去掉产物再观察断口形貌。
去掉腐蚀产物有时可采用干剥法。
用醋酸纤维纸(称AC纸，由7%的醋酸纤维素、丙酮溶液制成厚度0.1～1mm的均匀薄膜)复型进行清理是最有效的方法之一，尤其是断口表面已经受到腐蚀的时候。
断口分析报告
断口分析报告1. 背景断口分析是一种通过观察和研究材料的断口特征，以了解材料断裂的原因和性质的方法。
断口分析在材料科学、工程和事故调查等领域都有广泛的应用。
本报告旨在对某一断口进行分析，以确定断裂原因并提供相关建议。
2. 断口特征通过对断口的观察，我们可以得出以下一些断口特征：2.1 断裂模式根据断裂的形态和特征，我们可以将断裂模式分为以下几种类型：•韧性断裂：断口较为平整，可见一些拉伸痕迹。
•脆性断裂：断口光滑，没有明显的变形或拉伸痕迹。
•疲劳断裂：断裂面呈现出扇形状的纹理，通常伴随着细小的裂纹。
2.2 断口形貌根据断口的形貌，我们可以得到以下一些关键信息：•断口表面的平整程度，可以判断材料的韧性。
•断口表面的颜色和气泡，可以了解材料的杂质含量和成分。
•断口表面的纹理和条纹，可以用于判断断裂过程中的应力分布和应力集中。
2.3 断口特征的意义通过对断口特征的分析，我们可以初步判断断裂原因、材料的性能和失效机制。
断口特征的意义如下：•韧性断口表明材料具有较好的韧性和延展性。
•脆性断口表明材料可能存在缺陷或材料本身较脆性。
•疲劳断裂表明材料长期受到了交变载荷的影响，可能需要进行疲劳寿命的评估。
3. 断裂原因分析基于对断口特征的观察和分析，我们进行进一步的断裂原因分析。
断裂原因分为以下几个方面：3.1 材料缺陷材料缺陷是引起断裂的常见原因之一。
缺陷可以存在于材料的制备、成型和使用过程中。
常见的材料缺陷包括：气孔、夹杂物、夹层等。
通过观察断口特征，我们可以判断是否存在明显的材料缺陷。
3.2 施加载荷材料在受到外部力的作用下可能会发生断裂。
施加在材料上的载荷可能包括拉力、压力、剪切力等。
通过观察断口形貌和纹理，我们可以初步判断受力方向和载荷大小。
3.3 环境因素环境因素也可能对材料的断裂起到一定的影响。
例如，高温、湿度、腐蚀等环境条件可能导致材料的性能变化和失效。
通过分析断口的颜色、气泡等特征，我们可以初步判断是否存在环境因素导致的断裂。
材料断口分析
材料断口分析材料断口分析是一种重要的金相分析方法，通过观察金属材料在受力作用下的断口形貌，可以了解材料的性能和断裂特点。
在工程实践中，材料断口分析可以帮助工程师和科研人员更好地理解材料的性能，为材料的选用、加工和改进提供重要依据。
首先，材料断口分析需要对断口形貌进行详细的观察和描述。
通常情况下，金属材料的断口形貌可以分为韧性断口、脆性断口和疲劳断口三种类型。
韧性断口表现为比较光滑的断口，通常发生在具有良好塑性的金属材料上，表明材料具有较好的韧性和延展性。
脆性断口则表现为比较粗糙的断口，常见于强度较高但塑性较差的金属材料上，表明材料的抗拉强度较高但延展性较差。
疲劳断口则表现为呈现出一定的条纹状和海浪状的形貌，通常发生在金属材料长期受到交变载荷作用下，表明材料具有较好的耐疲劳性能。
其次，材料断口分析需要结合金相显微镜等仪器进行金相组织的观察和分析。
金相组织的观察可以帮助我们更加深入地了解材料的内部结构和性能。
通过金相显微镜观察，我们可以清晰地看到金属材料的晶粒结构、夹杂物分布和相变组织等信息，这些信息对于分析材料的性能和断裂特点具有重要意义。
最后，材料断口分析还需要进行断口形貌和金相组织的综合分析。
通过综合分析，我们可以更加全面地了解材料的性能和断裂特点，为材料的选用、加工和改进提供科学依据。
在实际工程中，材料断口分析可以帮助我们及时发现材料存在的问题，并采取相应的措施进行改进，保证工程的安全可靠性。
综上所述，材料断口分析是一种重要的金相分析方法，通过观察金属材料在受力作用下的断口形貌和金相组织，可以全面地了解材料的性能和断裂特点。
在工程实践中，材料断口分析具有重要的应用价值，可以为工程设计和科研实验提供重要依据，推动材料科学的发展和进步。
材料断口分析(第五—六章)
2、平滑区
贝纹线（conchoidal、前沿线、年轮、海滩状） 产生：表示裂纹前沿在间歇扩展时的依次位置，它是机 器在开车、停车或负荷变动较大时造成的
沿晶断口
10
穿晶断口
泥纹状断口：在 平坦面上分布直 线状裂纹（如河 底干沽状）
11
四、SCC的影响因素与预防措施
1、影响因素
▴应力：拉应力 ▴环境介质：材料对介质具有选择性 ▴成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量 ▴热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)
2、预防措施
▴降低应力 ▴表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力 ▴改变腐蚀介质 ▴选材 ▴电化学保护
52
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
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第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
2
§1、应力腐蚀断裂
一、引言 1、定义 由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。 2、共同特征 ▴只有在拉应力作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残
余拉应力或工作应力。一般情况下，产生SCC时拉应力都
很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。 ▴要有一定的腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐 蚀介质一般都是特定的（选择性）。 ▴一般只有合金才产生SCC，纯金属不会产生SCC。
各种楔形裂纹形成示意图
28
孔洞型裂纹： 空穴位于 与拉伸方向垂直且成大角度的晶界上， 在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑动，蠕 变断裂是由这些小空穴相互连接形成的。
断口分析报告
断口分析报告1. 引言本报告旨在对断口分析进行详细的说明和解释。
通过针对断口现象进行观察和分析，我们可以获得有关材料性能、工艺参数和破裂机制的重要信息。
断口分析是材料科学和工程领域中常见的实验技术，它对于材料的质量控制、故障分析和产品改进具有重要意义。
2. 断口形貌观察断口形貌观察是断口分析的第一步。
通过使用光学显微镜或扫描电子显微镜，我们可以对断口的形貌进行详细观察和分析。
断口形貌可以提供有关断裂过程和破坏模式的重要线索。
2.1 层状断口层状断口是一种常见的断口形貌，它表现为明显的层状结构。
这种断口形貌通常与延性材料的断裂机制相关，如拉伸载荷下的金属断裂。
2.2 河流状断口河流状断口是另一种常见的断口形貌，它表现为河流状的纹理。
这种断口形貌通常与脆性材料的断裂机制相关，如在低温条件下的金属断裂。
2.3 颗粒状断口颗粒状断口是一种由细小颗粒组成的断口形貌。
这种断口形貌通常与颗粒增强复合材料的断裂机制相关，如纤维增强聚合物复合材料。
3. 断口分析方法3.1 化学分析化学分析是一种常用的断口分析方法，它可以通过对断裂面进行化学成分分析来确定材料的成分。
通过比较断口区域和未破裂区域的化学成分差异，我们可以获得有关材料制备和加工过程中的变化信息。
3.2 热分析热分析是一种通过对断裂样品进行热处理和热解来研究其热性能的方法。
热分析技术包括热重分析、差热分析和热失重分析等。
通过热分析，我们可以了解材料的热稳定性、熔点、热分解温度等重要参数。
3.3 X射线衍射分析X射线衍射分析是一种通过对断裂样品进行X射线衍射实验来研究其晶体结构的方法。
通过分析断口区域和未破裂区域的晶体结构差异，我们可以获得有关材料晶体结构和晶格畸变的信息。
4. 断口分析的应用断口分析在材料科学和工程领域有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：4.1 产品质量控制通过对断口进行分析，可以帮助我们了解产品的质量和使用寿命。
通过分析断口形貌和断口特征，我们可以判断制造过程中可能存在的问题，并采取相应的措施来提高产品质量。
第五章 材料的断裂
NSR>1，对切口不敏感，切口韧性材料 NSR<1，对切口敏感，是切口脆性材料
33
切口强度
*应力集中与局部应力
*应变集中与局部应变
Hollomon方程
σ
=
Kε
n p
34
切口强度
切口强度实验测定
试件
实验设备 万能试验机（拉伸）
切口强度
σ bN
= 4Pmax
分析方法
宏观断口观察断裂类型 微观断口形貌分析确认断裂机理 成分与夹杂分析辅助
常见断口特征
11
裂纹形核与扩展
*裂纹形核
位错塞积理论 位错反应理论 脆性第二相开裂理论
裂纹扩展
12
2. 断裂强度
13
断裂强度
理论断裂强度
σm
=
Eγ
a0
1/ 2
实际材料的断裂强度仅 为理论的1/10~1/1000
裂纹
14
/
πd
2 n
*切口强度估算 切口强度只能பைடு நூலகம்性判定材料的切口敏感度
35
冲击韧性
冲击载荷的特点
作用时间短 冲击力F是一个变力
冲击韧性实验
试件
夏氏切口 梅氏切口
用能量变化来衡量
36
冲击韧性
冲击韧性实验
实验原理
实验设备 实验结果——冲击吸收功
Ak = GH1 − GH2 = Ai + Ap + Af + ∆E
断裂韧度的测定
试验方法与试样
紧凑拉伸试验 三点弯曲单边裂纹试验 四点弯曲单边裂纹试验
试验步骤 加工试样，预制裂纹 加载让裂纹扩展，测定载荷与裂纹张开位移 测量裂纹长度，求断裂韧度
断口分析
故障件的断口分析在形形色色的故障分析过程中，人们常会看到一些损坏零件的断口，但是人们缺乏“读懂”它的经验，不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。
这里结合整改过程中的一些实例作些介绍，希望能对您有所帮助！对于汽车常用碳素钢和合金钢而言，其常见断口有：1.韧性(塑性)断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂。
断口形貌为韧性(塑性)断口，断口呈暗灰色没有金属光泽看不到颗粒状形貌，断口上有相当大的延伸边缘。
2.疲劳弯曲断口：2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口：出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区特征（下面将详述）。
2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口：不具有典型的疲劳断口特征，属于不正常的弯曲断裂。
其断口特征：沿弯曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层；而内层呈银灰色白亮条状新断口（见图1）。
图13.典型的金属疲劳断口典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个特征。
断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。
3-1 疲劳裂纹源区：是疲劳裂纹萌生的策源地，它处于机件的表面，形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆形，这是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢，裂纹经反复挤压摩擦而形成的。
它所占有的面积较其他两个区要小很多。
疲劳裂纹大多是因受交变载荷的机件表面有缺陷；譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点等缺陷形成应力集中而引起的。
疲劳裂纹点在同一个机件上可能有多处，换句话说可能有多处疲劳裂纹源区，这需要我们去仔细解读疲劳断口。
3-2 疲劳裂纹扩展区：是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。
它是判断疲劳断裂的最重要的特征区。
它以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇形的弧线，也称疲劳弧线呈“贝纹状”。
疲劳弧线是因机器运转时的负载变化、反复启动和停止而留下的塑性变形痕迹线。
金属材料的塑性好、工作温度高及有腐蚀介质存在时则弧线清晰。
3-3 瞬时断裂区：由于疲劳裂纹不断扩展使机件的有效断面减小，因此应力不断增加直至截面应力达到材料许用应力时，瞬时断裂便发生了。
断口学
断口学内容简介内容简介作为失效学体系的理论论著之一，本书是作者集30多年来在断口学领域的理论研究成果和实践经验撰写而成的一本专著。
作者在吸取前人研究成果的基础上，全面系统地阐述了断口学研究的意义、方法和内容。
本书简要介绍了断口学的理论基础——断裂力学基础和断裂物理基础，详细说明了断口分析所用的技术和分析思路，从断裂机理、断口特征、断口诊断和断口定量分析等方面着重介绍了韧性断裂形成的断口、脆性断裂形成的断口(包括环境促使脆性断裂形成的断口)和疲劳断裂形成的断口等三大类断口，同时还列举了一些实际例子来说明断口学在断裂失效分析中的应用。
本书是近20年来断口学领域的第一本专著，从宏观到微观，从定性到定量，从原因诊断到机理研究，阐述了断口学的形成和发展。
书中加入了一些作者的研究成果，如以断裂事故宏微观断口的定性和定量诊断判据为依据的断口分析诊断技术、金属疲劳断口宏微观断口物理数学模型和定量反推分析、冷脆断裂机理和韧脆转移的工程应用等。
另外，书中附有大量的断口图片，形象地说明断口的特征，便于读者对断口的理解。
本书对工程金属材料、机械、失效分析预测预防等领域的科技人员有较高的指导作用和参考价值。
目录第一章绪论1.1 断口分析的重要性1.2 历史、现状和展望1.3 断口的分类参考文献第二章断裂力学基础2.1 断裂力学的起源和发展2.2 断裂力学准则判据及相互之间的关系2.3 材料的断裂韧度参考文献第三章断裂物理基础3.1 断裂宏观理论3.2 断裂微观理论参考文献第四章断口分析的技术断口分析断口分析是研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。
金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。
简介断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程断口分析(一)的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。
通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。
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微观形貌：典型为沿晶断口与准解理断口，有时看到解 理及局部韧断。
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在不同K值下高强钢的断裂形式
氢脆的沿晶断口
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四、SCC与氢脆的关系
联系： ● 广义的SCC包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总 伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。 ●微观断口形貌也十分相似
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各种楔形裂纹形成示意图
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孔洞型裂纹： 空穴位于 与拉伸方向垂直且成大角度的晶界上， 在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑动，蠕 变断裂是由这些小空穴相互连接形成的。
孔洞型裂纹形成示意图
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显微空洞的形成
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裂纹扩展
在蠕变断裂中，很多情况下不存在非常明显的裂纹 扩展阶段的情况
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三、蠕变断口形貌特征
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微观形貌：
冰糖状，晶界局部熔化出现孔洞，晶界面变宽，内 有氧化物，晶粒失去棱边变成表面圆滑的颗粒
2214铝合金的过烧断口
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3、过烧断裂机理
在高温加热过程中，合金元素或夹杂物（P、S、Si、 Mn等）向晶界偏聚改变了晶界成分，使其熔点降低 温度继续升高，首先在三叉晶界处熔化，然后沿晶 界扩展，晶界的熔化孔洞相连形成熔化块，受外力 作用时沿晶界断开。
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四、中子脆
1、定义 中子辐照引起的延迟断裂。如核工业中反应堆锅炉 及锅炉覆盖材料
2、断口形貌 典型的沿晶脆断断口
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混合断裂
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第六章 疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
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§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
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§2 氢脆断裂
一、引言 1、定义: 金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断 2、类型 内部氢脆：材料在熔炼、焊接、高温锻造、轧制和热处理等
过程中吸收了过量的氢气而造成的 环境氢脆：在应力和含氢介质的联合作用下引起的一种低应
力脆断。如贮氢压力容器材料发生的断裂 两者区别：氢的来源不同，而脆化本质是否相同目前尚未
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§1、应力腐蚀断裂
一、引言 1、定义 由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。 2、共同特征 ◆只有在拉应力作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残
余拉应力或工作应力。一般情况下，产生SCC时拉应力都 很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。 ◆要有一定的腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐 蚀介质一般都是特定的（选择性）。 ◆一般只有合金才产生SCC，纯金属不会产生SCC。
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
（齿轮相互接触）
热疲劳：由温度起伏（升高或降低）或热循环效应引起的疲 劳损坏。如热轧辊、热压模具表面出现的“龟裂”
腐蚀疲劳：材料在循环应力与腐蚀介质共同作用下产生的失 效现象（腐蚀坑）
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§2 疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
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金属表面形成的挤出脊与挤入沟
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2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积； 由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
区别：
●从电化学反应来看，SCC是阳极溶解控制过程 Fe - 2e → Fe +
氢脆是阴极反应控制过程 H+ + e → [H] 2[H] → H2↑
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●裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉 氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉
SCC裂纹
氢脆裂纹
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五、影响氢脆的外部因素
1、温度 氢脆多发生在温度为-100℃—150℃之间，一般最敏感 的温度是室温 温度太低，氢不易扩散和聚结 温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量
沿晶断口 10
穿晶断口
泥纹状断口：在 平坦面上分布直 线状裂纹（如河 底干沽状）
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四、SCC的影响因素与预防措施
1、影响因素
◆应力：拉应力 ◆环境介质：材料对介质具有选择性 ◆成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量 ◆热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)
2、预防措施
◆降低应力 ◆表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力 ◆改变腐蚀介质 ◆选材 ◆电化学保护
第五章 环境断裂
§1 应力腐蚀断裂 §2 氢脆断裂 §3 蠕变断裂 §4 其它的环境断裂
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概述
环境断裂：主要指金属材料在腐蚀介质、温度环境等条件 的影响下，产生的沿晶或穿晶低应力脆断现象
常见的环境断裂：SCC、氢脆、蠕变断裂 液态或固态金属脆、中子脆 过热、过烧断裂
静载延迟断裂：材料在特定的外界条件下，虽然所受的应力 低于材料的屈服强度，但服役一段时间，也 可以发生突然的低应力脆断，这类与时间有 关的低应力脆断现象。
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二、SCC机理
1、保护膜破裂机理 认为产生SCC是电化学反应起控制作用
形成保护膜→保护 膜破裂→阳极溶解 →重新形成保护膜 →重新破坏→新的 阳极溶解
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2、应力吸附机理（氢致脆化机理）
认为[H]吸附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲 和力减弱，即表面能降低。
从Griffith缺口强度理论可知：
σc∝γ1/2
∵ γ↓
∴ σc↓
从而脆化金属，使材料产生早期断裂
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三、SCC断口形貌特征
1、宏观形貌特征 ●呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹 ●裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚
稳扩展区呈暗色或灰黑色 ●最终断裂区具有金属光泽，常有放射状花样或人字纹
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2、微观形貌
典型断口：沿晶断口，晶面有撕裂脊；有时也可观察到 韧窝、腐蚀坑、二次裂纹，也可能有穿晶断 裂，断口有河流、扇形、泥状、块状花样等
应力集中沿45°方向产生滑移 C、σL → σmax ，滑移区扩大，使裂纹
尖端变形成近似半圆，由锐→钝 D、当受压应力时，滑移沿相反方向进行
裂纹面被压近，裂纹尖端被弯折成 耳环状切口 E、σY → σmax ，裂纹表面被压合，尖 端由钝→锐，形成一个尖角，裂纹向 前扩展一个条纹
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2、不连续扩展模型
蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断 2、发生条件
0K—Tm范围内都会产生蠕变，但只有高于0.3Tm时才较 显著
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3、蠕变曲线
典型的蠕变曲线
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二、断裂过程
蠕变断裂主要是沿晶断裂，包括裂纹形成与扩展 裂纹形成： 楔形裂纹：通常萌生于三个晶粒相遇的晶粒处，然后
沿晶进行传播。裂纹一般在垂直于应力方 向的晶界上
2、[H]浓度 发生氢脆时不一定要求氢气氛或含氢介质有很高的浓度 如当[H] ＜1ppm时就能引起高强钢的氢脆。
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3、置放时间 对于内部可逆氢脆，能否出现白点还与置放时间有关。 置放时间太长或太短都不会出现白点。
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§3 蠕变断裂
一、引言 1、定义
蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使 σ＜σ0.2 ，也会缓慢地产生塑性变形的现象
定论。
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二、氢脆断口特征
1、内部氢脆 宏观特征：白点：是大型锻件和热轧钢坯中常见的缺陷
它是钢中氢与组织转变应力、热应力共同作用下产 生的细长裂纹，尺寸一般为几毫米到几十毫米。
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白点形貌
鱼眼型白点
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发裂白点（不可逆白点）： 断口上呈现白点，呈银白色，轮廓分明，表面光亮 形状为圆形或椭圆形 实际上是一种内部微细裂纹
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3、裂纹形式
多枝裂纹
网状裂纹
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4、断口形貌特征
宏观形貌：两个区（缓慢断裂区、瞬断区） 微观形貌：大多数为沿晶脆断，也有穿晶解理
液态汞脆
黄铜的Sn脆
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二、过热断口与过烧断口
过热断口 1、定义
材料在热锻、热轧或热处理加热时在高温长时间停留 由于晶粒粗大而引起的低应力脆断 2、断口形貌特征 宏观形貌：过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽
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பைடு நூலகம்
依载荷类型的特点，分为三类： 1、弯曲疲劳（单向、双向、旋转） 2、轴向疲劳（拉—拉、拉—压） 3、扭转疲劳
单向弯曲疲劳受力及断裂示意图
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双向弯曲疲劳受力及断裂示意图
旋转弯曲疲劳受力及断裂示意图
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扭转疲劳受力示意图
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3、疲劳断裂的一般特征
▲疲劳断裂的应力远比静载下材料的σb低，甚至比σ0.2低很多，断 裂前无明显的塑性变形，是一种低应力脆断破坏现象
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§4 其它的环境断裂 一、液态或固态金属脆 1、定义：某些高强钢或合金与一些液态金属或固态金属
接触时，使金属引起显著脆化。 如：铜合金与水银接触而产生的液态汞脆
铝合金被液体Na、Sn脆化 钢与Cd接触出现镉脆 2、发生条件●两种金属没有相互有效的溶解度 ●两种金属不能形成高熔点的金属化合物 ●固态金属表面能被液态金属所浸润
石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重 微观形貌：典型的延性沿晶断口
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过烧断口
1、过烧：材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。 过烧钢的显微组织特点： 晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及 魏氏组织
2、断口形貌 宏观形貌：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗
严重过烧出现豆腐渣状断口 铝合金过烧后，表面出现许多气泡，晶界 熔化成网络状熔化节
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应力腐蚀发生的条件及涉及的学科
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3、断裂过程 裂纹形成：占全部时间的90% 裂纹扩展：占全部时间的10%