金属断口分析[深度分析]
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金属断口分析
何玉怀 北京航空材料研究院
2011年6月26日
内容提纲
1. 断口分析的作用及意义 2. 断口（断裂）分类 3. 断口（断裂）的基本特征与机理 4. 断口分析内容 5. 断口与失效分析 6. 典型案例
断口分析的作用及意义
断口是试样或零件在试验或使用过程中发生断裂 （或形成裂纹后打断）所形成的断面。 记录材料在载荷和环境作用下断裂前的不可逆变 形，以及裂纹的萌生和扩展直至断裂的全过程。 定性和定量分析识别，并将断口特征与发生损伤 乃至最终失效的过程联系起来，可以找出与失效相 关的内在或外在原因。 断口学作为失效分析学科的一个重要组成部分， 在断裂失效分析中发挥了很大的作用。
✓按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等。 ✓按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂等。 ✓按断裂形成过程分类，可分为工艺性断裂和服役性断裂。 如在铸造、锻造、焊接、热处理等过程形成的断裂为工艺性 断裂。
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
✓ 塑性-脆性混合型断裂，又称为准脆性断裂。 塑性断裂对装备与环境造成的危害远较脆性断裂小， 脆性断裂往往会引起危险的突发事故。
断口（断裂）分类
无微孔聚集沿晶断裂
微孔聚集沿晶断裂
按断裂路径分类 依断裂路径的走向可以分为穿晶断裂和沿晶断裂两类。
✓ 穿晶断裂，裂纹穿过晶粒内部。穿晶断裂可以是塑性 的，也可以是脆性的。前者端口具有明显的韧窝花样， 后者端口的主要特征为解理花样。
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。
剪切唇区：剪切唇区出现在断裂过程的最后阶段，表面较 光滑，与拉伸应力轴的交角Hale Waihona Puke Baidu45°，属于切断型断裂。它是 在平面应力状态下发生的快速不稳定扩展，在一般情况下， 剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。
断口（断裂）的基本特征与机理
过载断口宏观特征三要素
在通常情况下，金属材料的断口均会出现断口三要素形貌特 征，所不同的仅仅是三个区域的位置、形状、大小及分布不同 而已。但有时在断口上只出现一种或两种断口形貌特征，即优 势有时断口三要素并不同时出现，这是受材质、温度、受力状 态等因素的影响。断口三要素的分布有下列四种情况： ✓断口上全部为剪切唇，例如纯剪切型断口或薄板拉伸断口就 属于这种情况。 ✓断口上只有纤维区和剪切唇区，而没有放射区。 ✓断口上没有纤维区，仅有放射区和剪切唇区，例如低合金钢 在-60℃时的拉伸断口。 ✓断口三要素同时出现，这是最常见的断口宏观形貌特征。
断口（断裂）分类
2. 断裂分类
按断裂性质分类 根据零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小可分为：
✓ 塑性断裂：断裂前发生较明显的塑性变形。延伸率大于 5%的材料通常称为塑性材料。
✓ 脆性断裂：断裂前几乎不产生明显的塑性变形。延伸率 小于3%的材料通常称为脆性材料。脆性断裂有穿晶脆 断（如解理断裂、疲劳断裂）和沿晶脆断（如回火脆、 氢脆）之分。
断口分析的作用及意义
在机电产品的各类失效中以断裂失效最主要，危 害最大。 断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘 学科。 断裂力学方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论， 并考虑材料内部存在缺陷而建立起来的一种研究断 裂行为的方法。 金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、 甚至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。
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
裂三种。 ✓正断断裂，受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应 力方向相垂直。断口的宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、 解理花样等。 ✓切断断口，是在切应力作用下而引起的断裂，断面与最大 正应力方向成45°角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为 抛物状的韧窝花样。 ✓混合断裂，正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥 杯状，混合断裂是最常见的断裂类型。
断口分析的作用及意义
断裂失效分析从裂纹和断口的宏观、微 观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与 材料性能、显微组织、零件受力状态及环 境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的 原因和规律。 断裂力学方法和金属物理方法之间架起 联系的桥梁。
断口（断裂）分类
1.断裂与断口 ✓构件或试样在外力作用下导致裂纹形成扩展
断口（断裂）分类
按断裂机制分类 可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶以及疲劳等。
其他分类方法 ✓按应力状态分类，可分为静载断裂（拉伸、剪切、扭转）、
动载断裂（冲击如断拉裂伸、、疲劳冲断击裂、）爆等破。等为快速断裂， ✓按断裂环境分疲类劳，、可分蠕为变低等温为断慢裂速、断中温裂断，裂氢、脆高、温断裂、 腐蚀断裂、氢脆应及力液腐态蚀金属等致为脆延断迟裂断等裂。。
断口（断裂）的基本特征与机理
过载断口宏观特征三要素
纤维区：该区一般位于断口的中央，是材料处于平面应变 状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，属于正断型断裂。纤 维区的宏观平面与拉伸应力轴相垂直，断裂在该区形核；
放射区：该区紧接纤维区，使裂纹由缓慢扩展转化为快速 的不稳定扩展的标志，其特征是放射线花样。放射线发散的 方向为裂纹扩展方向。放射条纹的粗细取决于材料的性能、 微观结构及试验温度等；
✓ 沿晶断裂，断裂沿着晶粒边界扩展，可分为沿晶脆断 和沿晶韧断(在晶界面上有浅而小的韧窝)。
断口（断裂）分类
按断面相对位移形式分类 按两断面在断裂过程中相对运动的方向可以分为： ✓ 张开型（Ⅰ型）。裂纹表面移动的方向与裂纹表面垂
直。这种型式的断裂常见于疲劳及脆性断裂，其断口 齐平，是工程上最常见和最危险的断裂类型。 ✓ 前后滑移型（Ⅱ型）。裂纹表面在同一平面内相对移 动，裂纹表面移动方向与裂纹尖端的裂纹前沿垂直。 ✓ 剪切型（Ⅲ型）。裂纹表面几乎在同一平面内扩展， 裂纹表面移动的方向和裂纹前沿线一致。 剪切断口、斜断口和扭转断口是Ⅱ型以及Ⅱ型和Ⅲ型的 组合。
何玉怀 北京航空材料研究院
2011年6月26日
内容提纲
1. 断口分析的作用及意义 2. 断口（断裂）分类 3. 断口（断裂）的基本特征与机理 4. 断口分析内容 5. 断口与失效分析 6. 典型案例
断口分析的作用及意义
断口是试样或零件在试验或使用过程中发生断裂 （或形成裂纹后打断）所形成的断面。 记录材料在载荷和环境作用下断裂前的不可逆变 形，以及裂纹的萌生和扩展直至断裂的全过程。 定性和定量分析识别，并将断口特征与发生损伤 乃至最终失效的过程联系起来，可以找出与失效相 关的内在或外在原因。 断口学作为失效分析学科的一个重要组成部分， 在断裂失效分析中发挥了很大的作用。
✓按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等。 ✓按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂等。 ✓按断裂形成过程分类，可分为工艺性断裂和服役性断裂。 如在铸造、锻造、焊接、热处理等过程形成的断裂为工艺性 断裂。
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
✓ 塑性-脆性混合型断裂，又称为准脆性断裂。 塑性断裂对装备与环境造成的危害远较脆性断裂小， 脆性断裂往往会引起危险的突发事故。
断口（断裂）分类
无微孔聚集沿晶断裂
微孔聚集沿晶断裂
按断裂路径分类 依断裂路径的走向可以分为穿晶断裂和沿晶断裂两类。
✓ 穿晶断裂，裂纹穿过晶粒内部。穿晶断裂可以是塑性 的，也可以是脆性的。前者端口具有明显的韧窝花样， 后者端口的主要特征为解理花样。
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。
剪切唇区：剪切唇区出现在断裂过程的最后阶段，表面较 光滑，与拉伸应力轴的交角Hale Waihona Puke Baidu45°，属于切断型断裂。它是 在平面应力状态下发生的快速不稳定扩展，在一般情况下， 剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。
断口（断裂）的基本特征与机理
过载断口宏观特征三要素
在通常情况下，金属材料的断口均会出现断口三要素形貌特 征，所不同的仅仅是三个区域的位置、形状、大小及分布不同 而已。但有时在断口上只出现一种或两种断口形貌特征，即优 势有时断口三要素并不同时出现，这是受材质、温度、受力状 态等因素的影响。断口三要素的分布有下列四种情况： ✓断口上全部为剪切唇，例如纯剪切型断口或薄板拉伸断口就 属于这种情况。 ✓断口上只有纤维区和剪切唇区，而没有放射区。 ✓断口上没有纤维区，仅有放射区和剪切唇区，例如低合金钢 在-60℃时的拉伸断口。 ✓断口三要素同时出现，这是最常见的断口宏观形貌特征。
断口（断裂）分类
2. 断裂分类
按断裂性质分类 根据零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小可分为：
✓ 塑性断裂：断裂前发生较明显的塑性变形。延伸率大于 5%的材料通常称为塑性材料。
✓ 脆性断裂：断裂前几乎不产生明显的塑性变形。延伸率 小于3%的材料通常称为脆性材料。脆性断裂有穿晶脆 断（如解理断裂、疲劳断裂）和沿晶脆断（如回火脆、 氢脆）之分。
断口分析的作用及意义
在机电产品的各类失效中以断裂失效最主要，危 害最大。 断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘 学科。 断裂力学方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论， 并考虑材料内部存在缺陷而建立起来的一种研究断 裂行为的方法。 金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、 甚至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。
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
裂三种。 ✓正断断裂，受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应 力方向相垂直。断口的宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、 解理花样等。 ✓切断断口，是在切应力作用下而引起的断裂，断面与最大 正应力方向成45°角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为 抛物状的韧窝花样。 ✓混合断裂，正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥 杯状，混合断裂是最常见的断裂类型。
断口分析的作用及意义
断裂失效分析从裂纹和断口的宏观、微 观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与 材料性能、显微组织、零件受力状态及环 境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的 原因和规律。 断裂力学方法和金属物理方法之间架起 联系的桥梁。
断口（断裂）分类
1.断裂与断口 ✓构件或试样在外力作用下导致裂纹形成扩展
断口（断裂）分类
按断裂机制分类 可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶以及疲劳等。
其他分类方法 ✓按应力状态分类，可分为静载断裂（拉伸、剪切、扭转）、
动载断裂（冲击如断拉裂伸、、疲劳冲断击裂、）爆等破。等为快速断裂， ✓按断裂环境分疲类劳，、可分蠕为变低等温为断慢裂速、断中温裂断，裂氢、脆高、温断裂、 腐蚀断裂、氢脆应及力液腐态蚀金属等致为脆延断迟裂断等裂。。
断口（断裂）的基本特征与机理
过载断口宏观特征三要素
纤维区：该区一般位于断口的中央，是材料处于平面应变 状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，属于正断型断裂。纤 维区的宏观平面与拉伸应力轴相垂直，断裂在该区形核；
放射区：该区紧接纤维区，使裂纹由缓慢扩展转化为快速 的不稳定扩展的标志，其特征是放射线花样。放射线发散的 方向为裂纹扩展方向。放射条纹的粗细取决于材料的性能、 微观结构及试验温度等；
✓ 沿晶断裂，断裂沿着晶粒边界扩展，可分为沿晶脆断 和沿晶韧断(在晶界面上有浅而小的韧窝)。
断口（断裂）分类
按断面相对位移形式分类 按两断面在断裂过程中相对运动的方向可以分为： ✓ 张开型（Ⅰ型）。裂纹表面移动的方向与裂纹表面垂
直。这种型式的断裂常见于疲劳及脆性断裂，其断口 齐平，是工程上最常见和最危险的断裂类型。 ✓ 前后滑移型（Ⅱ型）。裂纹表面在同一平面内相对移 动，裂纹表面移动方向与裂纹尖端的裂纹前沿垂直。 ✓ 剪切型（Ⅲ型）。裂纹表面几乎在同一平面内扩展， 裂纹表面移动的方向和裂纹前沿线一致。 剪切断口、斜断口和扭转断口是Ⅱ型以及Ⅱ型和Ⅲ型的 组合。