金属材料的裂纹与断口分析
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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
5
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。
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
展的反方向上(如图) ----多枝型法。
多枝型法示意图
T型法示意图
后生的裂纹是不可能穿越原
out
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
拉伸试 样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
35
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
棒试样慢应变拉伸试验中，当材料韧性好， 通常出现韧性断裂。
out
• 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
26
美国顺纳德球形储氢压力容器 碎片拼合后的一个视图
out
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。
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
out 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
out
29
清洁断口
带油污的断口 out
30
锈蚀较严重的断口
out
31
在腐蚀环境下断裂的断口
out
32
3.2 宏观断口分析
3
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)
• 判别失效原因的有利证据 (根据断口主裂纹判别裂纹源)
out
4
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。
• 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
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!
(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
out
21
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
out
22
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）
out
23
out
24
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
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
out
25
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。
out
拉伸
18
扭转
2.1 裂纹分析思路与内容
残骸拼合、复原
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
out
裂纹源附近状况
19
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
断裂是较少见的，通常是出现 脆性和韧性的混合型断裂。
out
混合型
撕裂韧窝与剪切韧窝
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强度）
out
7
(微观）
out
(宏观）
8
② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
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
out
10
b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混
晶
穿
晶
out
11
c. 按裂纹机制分类
out
12
out
13
d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
oBiblioteka Baidut
14
f. 按服役条件分类
out
15
1.3 裂纹与断口 的分析手段
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
out
得到满意的结果!
16
断口形貌观察工具的特性比较
out
17
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。
金属材料失效分析
（Failure analysis of metallic materials）
第2讲 裂纹与断口分析
out
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
out
2
第一节 裂纹与断口
1.1 裂纹与断口的本质
裂纹(裂缝)
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。
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。
33
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
out
34
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
声速：空气(25℃) 346m/s out
5
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。
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
展的反方向上(如图) ----多枝型法。
多枝型法示意图
T型法示意图
后生的裂纹是不可能穿越原
out
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
拉伸试 样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
35
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
棒试样慢应变拉伸试验中，当材料韧性好， 通常出现韧性断裂。
out
• 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
26
美国顺纳德球形储氢压力容器 碎片拼合后的一个视图
out
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。
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
out 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
out
29
清洁断口
带油污的断口 out
30
锈蚀较严重的断口
out
31
在腐蚀环境下断裂的断口
out
32
3.2 宏观断口分析
3
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)
• 判别失效原因的有利证据 (根据断口主裂纹判别裂纹源)
out
4
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。
• 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
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!
(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
out
21
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
out
22
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）
out
23
out
24
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
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
out
25
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。
out
拉伸
18
扭转
2.1 裂纹分析思路与内容
残骸拼合、复原
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
out
裂纹源附近状况
19
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
断裂是较少见的，通常是出现 脆性和韧性的混合型断裂。
out
混合型
撕裂韧窝与剪切韧窝
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强度）
out
7
(微观）
out
(宏观）
8
② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
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
out
10
b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混
晶
穿
晶
out
11
c. 按裂纹机制分类
out
12
out
13
d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
oBiblioteka Baidut
14
f. 按服役条件分类
out
15
1.3 裂纹与断口 的分析手段
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
out
得到满意的结果!
16
断口形貌观察工具的特性比较
out
17
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。
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)
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。
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。
33
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
out
34
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