断口分析

科技名词定义

中文名称：断口分析

英文名称：fractography

定义：对故障金属构件断裂面进行检查并分析其断裂原因的技术。

应用学科：电力（一级学科）；热工自动化、电厂化学与金属（二级学科）

本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

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。

编辑本段

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。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。

编辑本段断口的宏观和微观观察

断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。

断口分析(二)

对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。

断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在 50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显

微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行。

断裂微观机制的分析，有可能把断口的形貌分析同断裂力学指标联系起来，其中最重要的成果之一是系统地建立了断裂机制图，这对解决一些工程断裂问题十分有用。所谓断裂机制图，是指选择适当的断裂参数、力学参数或物理参数作为坐标系，用它来确立各种可能出现的微观断裂机制的区域，以便发现各类金属断裂的普遍规律。在工程应用上，断裂机制图对工程设计，材料的选择，使用条件的限制，以及失效分析等都能提供十分重要的指导性意见和数据资料，目前正大力开展这方面的工作。

编辑本段脆性断口和延性断口

根据断裂的性质，断口大致可以分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口

断口分析(三)

，和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成;延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，其断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成（图1）。这三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区（对冲击拉伸则有终了断裂区），通常称它们为断口三要素。对于同一种材料，三个区域的面积及其所占整个断口的比例随外界条件的改变而变化。例如：加载速率愈大，温度愈低，则裂纹扩展区（即放射区）所占的比例也愈大。如果定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为R,则通常把R=1时的断裂温度称为材料的韧性－脆性转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度）。如果在同一温度和加载速率下比较两种材料的断裂性质，则R

值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。断口分析

编辑本段金属断裂的微观机制

为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。在断口的分析中，各种断裂机制的

断口分析(四)

提出主要是以断口的微观形态为基础，并根据断裂性质、断裂方式以及同环境和时间因素的密切相关性而加以分类。根据大量的研究成果，目前已知主要的金属断裂微观机制可以归纳在表1中。

属于不同断裂机制的断裂，其断口微观结构各具有独特的形貌特征。图2所示是属于不同基本断裂机制的断口所观察到的典型微观形貌，其物理本质和断口特征为：

沿晶脆性断裂

沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸收过程的断裂。根据断裂能量消耗最小原理，裂纹的扩展路径总是沿着原子键合力最薄弱的表面进行。晶界强度不一定最低，但如果金属存在着某些冶金因素使晶界弱化（例如杂质原子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脱溶，或脆性相在晶界析出等等），则金属将会发生沿晶脆性断裂。沿晶脆性断裂的断口特征是:在宏观断口表面上有许多亮面,每个亮面都是一个晶粒的界面。如果进行高倍观察，就会清晰地看到每个晶粒的多面体形貌（图2a），类似于冰糖块的堆集，故有冰糖状断口之称；又由于多面体感特别强，故在三个晶界面相遇之处能清楚地见到三重结点。沿晶脆性断裂的发生在很大程度上取决于晶界面的状态和性质。实践表明，提纯金属,净化晶界,防止杂质原子在晶界上偏聚或脱溶，以及避免脆性第二相在晶界析出等，均可以减少金属发生沿晶脆性断裂的倾向。因此,应用X射线能谱分析法和俄歇电子能谱分析法确定沿晶断裂面的化学成分，对从冶金因素来认识材料的致脆原因，提出改进工艺措施有指导意义。

解理断裂

属于一种穿晶脆性断裂，根据金属原子键合力的强度分析，对于一定晶系的金属，均有一组原子键合力最弱的、在正应力下容易开裂的晶面，这种晶面通常称为解理面。例如：属于立方晶系的体心立方金属,其解理面为{100}晶面；六方晶系为{0001}；三角晶系为{111}。一个晶体如果是沿着解理面发生开裂,则称为解理断裂。面心立方金属通常不发生解理断裂（见晶体结构）。

解理断裂的特点是:断裂具有明显的结晶学性质,即它的断裂面是结晶学的解理面{h k l},裂纹扩展方向是沿着一定的结晶方向〈u v w〉。为了表示这种结晶学性质,通常用解理系统

断口分析(五)

{h k l}〈u v w〉来描述。对于体心立方金属，已观察到的解理系统有 {100} <001>，{100}〈011〉等。解理断口的特征是宏观断口十分平坦，而微观形貌则是由一系列小裂面(每个晶粒的解理面)所构成。在每个解理面上可以看到一些十分接近于裂纹扩展方向的阶梯，通常称为解理阶（图2b）。解理阶的形态是多种多样的，同金属的组织状态和应力状态的变化有关。其中所谓“河流花样”是解理断口的最基本的微观特征。河流花样解理阶的特点是：支流解理阶的汇合方向代表断裂的扩展方向；汇合角的大小同材料的塑性有关，而解理阶的分布面积和解理阶的高度同材料中位错密度和位错组态有关。因此，通过对河流花样解理阶进行分析，就可以帮助我们寻找主断裂源的位置，判断金属的脆性程度，和确定晶体中位错密度和位错容量。断口分析

准解理断裂

也是一种穿晶断裂。根据蚀坑技术分析表明，多晶体金属的准解理断裂也是沿着原子键合力最薄弱的晶面（即解理面）进行。例如：对于体心立方金属（如钢等），准解理断裂也基本上是{100}晶面,但由于断裂面上存在较大程度的塑性变形（见范性形变），故断裂面不是一个严格准确的解理面。

准解理断裂首先在回火马氏体等复杂组织的钢中发现。对于大多数合金钢（如 Ni-Cr钢和Ni-Cr-Mo钢等），如果发生断裂的温度刚好在延性－脆性转变温度的范围内，也常出现准解理断裂。从断口的微观形貌特征来看(图2c),在准解理断裂中每个小断裂面的微观形态颇类似于晶体的解理

断裂，也存在一些类似的河流花样，但在各小断裂面间的连结方式上又具有某些不同于解理断裂的特征，如存在一些所谓撕裂岭等。撕裂岭是准解理断裂的一种最基本的断口形貌特征。准解理断裂的微观形貌的特征，在某种程度上反映了解理裂纹与已发生塑性变形的晶粒间相互作用的关系。因此，对准解理断裂面上的塑性应变进行定量测量，有可能把它同断裂有关的一些力学参数如：屈服应力、解理应力和应变硬化参数等联系起来。

韧窝断裂

金属多晶材料的断裂，通过空洞核的形成、长大和相互连接的过程进行,这种断裂称为韧窝断裂(dimple fracture)。韧窝断裂是属于一种高能吸收过程的延性断裂。其断口特征为：宏

断口分析(六)

观形貌呈纤维状，微观形态呈蜂窝状（图2d）,断裂面是由一些细小的窝坑构成,窝坑实际上是长大了的空洞核，通常称为韧窝，它是韧窝断裂的最基本形貌特征和识别韧窝断裂机制的最基本依据。系统的观察表明，韧窝的尺寸和深度同材料的延性有关，而韧窝的形状则同破坏时的应力状态有关。由于应力状态不同，相应地在相互匹配的断口偶合面上，其韧窝形状和相互匹配关系是不同的。如图3所示:a为等轴型韧窝，韧窝形成的应力状态为均匀应变型；b 为同向伸长韧窝，伸长方向平行于断裂方向,其应力状态为拉伸撕裂型；c为异向伸长型韧窝，伸长方向平行于断裂方向，其应力状态为刃滑动型；d为同向伸长韧窝,但伸长方向垂直于断裂方向，其应力状态为螺滑动型。除了上述四种基本的韧窝形状外,还存在混合应力状态下所形成的韧窝,理论分析表明，最低限度有14种,其中8种已从实验观察到。断口分析

由于韧窝的形状与应力状态密切相关，故对断口耦合面上相啮合部位的韧窝形状、尺寸和深度进行分析，就可以确定断裂时所在部位的应力状态和裂纹扩展的方向，并对材料的延性进行评价。还有其他断裂的机制如：疲劳、蠕变和应力腐蚀断裂等。

编辑本段微观断裂机制的实际应用

作为材料断裂韧性指标之一的裂纹扩展阻力G c，它不但是一个材料常数，

断口分析(七)

而且也同断裂的微观机制有关。例如：当断裂机制是沿晶脆性断裂或解理

断裂时，G c值较小；反之，当断裂机制是韧窝断裂时，则G c值较大,如表

2所示。断口分析

断裂微观机制的分析，有可能把断口的形貌分析同断裂力学指标联系

起来，其中最重要的成果之一是系统地建立了断裂机制图，这对解决一些

工程断裂问题十分有用。所谓断裂机制图，是指选择适当的断裂参数、力

学参数或物理参数作为坐标系，用它来确立各种可能出现的微观断裂机制

的区域，以便发现各类金属断裂的普遍规律。在工程应用上，断裂机制图

对工程设计，材料的选择，使用条件的限制，以及失效分析等都能提供十

分重要的指导性意见和数据资料，目前正大力开展这方面的工作。

编辑本段参考书目

C.L.Briant & S.K.Banerji, International Metals

Review,23(1978),No.4,164. C.D.Beachem,Met.Trans.6 (1975),No.2,377. M.F.Ashby,C.Gandhi & D.M.R.Taplin,Acta.Met.,27 (1979),No.5,699；No.10,1565.

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。由于试样的受力情况可能是垂直应力、切应力或由弯矩引起的应力，这三种情况下韧窝的形状是不一样的。（2）解理与准解理断口 1）解理断口。断裂是穿过晶粒、沿一定的结晶学平面（即解理面）的分离，特别是在低温或快速加载条件下。解理断裂一般是沿体心立方晶格的｛100｝面，六方晶格的｛0001｝面发生的。宏观形貌：解理断裂的宏观断口叫法很多，例如称为“山脊状断口”、“结晶状断口”、以及“萘状断口”等（见图片3-53）。山脊状断口的山脊指向断裂源，可根据山脊状正交曲线群判定断裂起点和断裂方向。萘状断口上有许多取向不同、比较光滑的小平面，它们象条晶体一样闪闪发光。这些取向不同的小平面与晶粒的尺寸相对应，反映了金属晶粒的大小。微观形态：在电子显微镜下观察时，解理断口呈“河流花样”和“舌状花样”。 2）准解理断口。这种断口在低碳钢中最常见。前述的结晶状断口就是准解理断口，它在宏观上类似解理断口。准解理断口的微观形态主要是由许多准解理小平面、“河流花样”、“舌状花样”及“撕裂

断口分析

断口分析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。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。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。断口的宏观和微观观察断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在 50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行（见金属和合金的微观分析）。脆性断口和延性断口根据断裂的性质，断口大致可以分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口，和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成;延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，其断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成（图1）。这三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区（对冲击拉伸则有终了断裂区），通常称它们为断口三要素。对于同一种材料，三个区域的面积及其所占整个断口的比例随外界条件的改变而变化。例如：加载速率愈大，温度愈低，则裂纹扩展区（即放射区）所占的比例也愈大。如果定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为R,则通常把R=1时的断裂温度称为材料的韧性－脆性转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度）。如果在同一温度和加载速率下比较两种材料的断裂性质，则R值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。金属断裂的微观机制为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。在断口的分析中，各种断裂机制的提出主要是以断口的微观形态为基础，并根据断裂性质、断裂方式以及同环境和时间因素的密切相关性而加以分类。根据大量的研究成果，目前已知主要的金属断裂微观机制可以归纳在表1中。

断口分析及其微观机制

断口分析及其微观机制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。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。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。断口的宏观和微观观察断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行。脆性断口和延性断口。根据断裂的性质，断口大致分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成；延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成.

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。

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1 3.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

断口金相分析

断口金相分析一、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，识别几种常见断口的微观形貌。二、实验设备及试样 1、实验设备：低倍体式显微镜、扫描电子显微镜。 2、试样：铸铁及低碳钢拉伸断口、氢脆断口、疲劳断口、系列冲击断口，过热过烧断口等等。四、实验内容钢材或金属构件断裂后，破坏部分的外观形貌通称断口。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，因此断口一般也是材料中性能最弱或零件中应力最大的部位。断口型貌十分真实地记录了裂纹的起因、扩展和断裂的过程，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。断口分析中分宏观断口分析与微观断口分析两类，它们各有特点，相互补充，是整个断口分析中互相关联的两个阶段。（一）宏观断口分观宏观断口分析：用肉眼、放大镜、低倍实体显微镜来观察断口形貌特征，断裂源的位置、裂纹扩展方向以及各种因素对断口形貌特征的影响称断口宏观分析。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上留下的痕迹也不相同，因此我们掌握了常见宏观录了裂纹的起因、扩展和断裂的过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基断口特征以后，就可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： a）拉伸试样断口：材料为：低碳钢、铸铁。断口特征：低碳钢拉伸断口外形呈杯锥状，整个断口可分三个区，中心部位为灰色纤维区，纤维区四周为辐射状裂纹扩展区，边缘是剪切唇区，剪切唇与拉伸应力轴交角为 45°。铸铁拉伸试样断口为结晶状断口，呈光亮的金属光泽，断口平齐。 b）疲劳断口断口特征：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，蛤壳状或海滩波纹状花样，这种特征迹线是机器开动和停止时，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。断口中粗糙区为疲劳裂纹达到临界尺寸后的失稳破断区，它的特征与静载拉伸断口中的放射区及剪切唇相同，对于脆性材料此区为结晶状的脆性断口。 c）氢脆断口试样：含镍、铬等元素的铸钢断口断口特征：由于材料中含有过量的氢，沿某些薄弱部位聚集，造成很大压应力从而形成裂纹，断口往往是灰白色基体上显现出白色的亮区，或者呈现以材料内部缺陷为核心的银白色斑点，称为鱼眼型白点。 d）冲击断口试样：作系列冲击试验后的断口（注意保存于干燥器中）断口特征：冲击断口上一般也可以观察到三个区，缺口附近为裂纹源，然后是纤维区、放射区、二次纤维区及剪切唇，剪切唇沿缺口的其它三侧分布。温度降低时冲击试样断口上各区的比例

断口分析

1.弹性不匹配的裂纹形核：晶粒间由于取向，化学成分不同，弹性模量是不一样的，外部施加的应力或内部产生的应力在两个经理内产生不同的弹性应变，从而可能导致局部的高应力，并通过形成裂纹加以释放。 2.结晶固体中的塑性形变引起的裂纹形核：低温下的结晶材料，如金属和陶瓷，会发生剪切形变。从微观结构的层次来看，这是由单个位错的滑动(滑移)或大批的位错协调移动(局部形变孪生)引起的晶体内或晶粒内的剪切形变。由此产生的剪切应力可能局限在一个窄带内。当剪切带遇到障碍，例如晶界或者第二相粒子，在剪切带尖上会产生很大的局部应力，这就引起了裂纹形核。材料的晶体结构及外加应力的方向决定了滑移面或孪生面的方向以及剪切发生的方向。裂纹形核的平面与材料的晶体结构和“障碍”界面的强度密切相关。由于结晶解理，裂纹产生在同一晶粒的剪切带中。当然裂纹也可能会产生在“障碍”处，或者在材料中弱界面处，沿界面形成。高应力集中也可能会通过普通的塑性形变而不是裂纹形核释放出来。裂纹是否产生取决于多个不同变量，包括剪切应力大小、障碍的强度、形变动力学以及滑移系的几何性质等。有些材料比较易碎，容易产生裂纹，是因为无法释放由于塑性形变所产生的高的应力集中。 3.塑性孔洞聚合引起的裂纹形核：这种机制多发生于很多含有刚性颗粒的延性固体中，具体细节取决于固体的微观结构。当受力变形时，延性基体通过两种方式产生形变:晶体材料的滑移，或者在非晶和半

结晶体材料中更为普遍的剪切过程，但其中的坚硬颗粒不会发生形变。因此，随着颗粒周围产生的许多塑性孔洞，颗粒和基体开始分离。而一旦形核，由于基体的进一步剪切或高温下的扩散过程，塑性孔洞会不断扩大。最终，不断变大的塑性孔洞的应力场会彼此交互作用，基体剪切应力逐渐集中到颗粒之间的区域，导致其与基体的分离而形成裂纹。裂纹是由不规则排列的多个聚集的塑性孔洞构成的。这说明，裂纹可能是由许多较小的裂纹形成的，在本例中指的就是刚性颗粒与基体界面间的小裂纹。 4.界面滑移产生的裂纹形核：在足够高的温度下，多晶材料，或者更准确地说，球状半结晶聚合物的形变原因是这些相对来说呈刚性的晶体之间的滑移。由于热活化过程的作用，材料在发生形变前，晶粒或者球晶会发生晶界弛豫，所以整个滑移过程就成为形变的主要模式。当三相点的晶粒棱角导致滑移过程中断时，材料上就会出现楔形裂纹。在滑移过程中，位于晶界上的刚性颗粒可能会导致塑性孔洞的形核。这些塑性孔洞不断扩展和聚集，在晶界上形成裂纹，这个原理和的塑性孔洞的道理类似。 5.交变应力(机械疲劳)产生的裂纹形核：以上所述的裂纹形核的示例都是由单调加载引起的。在单调加载条件下，当施加循环应力时，尽管应力尚未达到裂纹产生和扩展的临界水平，也会导致机械疲劳。循环应力导致较小的形变，逐渐累积并最终产生裂纹。一般来说，滑动或滑移是在一个主滑移面上进行的，而循环应力则会导致其在几个相互紧邻的平行平面的狭窄区域或窄带内来回滑动，该区域被称为永久

断口分析资料讲解

因此，随着颗粒周围产生的许多塑性孔洞，颗粒和基体开始分离。而一旦形核，由于基体的进一步剪切或高温下的扩散过程，塑性孔洞会不断扩大。最终，不断变大的塑性孔洞的应力场会彼此交互作用，基体剪切应力逐渐集中到颗粒之间的区域，导致其与基体的分离而形成裂纹。裂纹是由不规则排列的多个聚集的塑性孔洞构成的。这说明，裂纹可能是由许多较小的裂纹形成的，在本例中指的就是刚性颗粒与基体界面间的小裂纹。 4.界面滑移产生的裂纹形核：在足够高的温度下，多晶材料，或者更准确地说，球状半结晶聚合物的形变原因是这些相对来说呈刚性的晶体之间的滑移。由于热活化过程的作用，材料在发生形变前，晶粒或者球晶会发生晶界弛豫，所以整个滑移过程就成为形变的主要模式。当三相点的晶粒棱角导致滑移过程中断时，材料上就会出现楔形裂纹。在滑移过程中，位于晶界上的刚性颗粒可能会导致塑性孔洞的形核。这些塑性孔洞不断扩展和聚集，在晶界上形成裂纹，这个原理和的塑性孔洞的道理类似。 5.交变应力(机械疲劳)产生的裂纹形核：以上所述的裂纹形核的示例都是由单调加载引起的。在单调加载条件下，当施加循环应力时，尽管应力尚未达到裂纹产生和扩展的临界水平，也会导致机械疲劳。循环应力导致较小的形变，逐渐累积并最终产生裂纹。一般来说，滑动或滑移是在一个主滑移面上进行的，而循环应力则会导致其在几个相互紧邻的平行平面的狭窄区域或窄带内来回滑动，该区域被称为永久滑移带。这时，由于晶体的滑动，表面上就会出现锯齿和像裂纹一样

典型断口显微分析

实验二典型断口的电子显微分析 1.概述断口是断裂失效中两断裂分离面的简称。由于断口真实地记录了裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息。因此，断口上的各种断裂信息是断裂力学、断裂化学和断裂物理等诸多内外因素综合作用的结果，对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索。断口金相学不仅能在设备失效后进行诊断分析，还可为新产品、新装备投入使用进行预研预测。断口、裂纹及冶金、工艺损伤缺陷分析是失效分析工作的基础。实践证明，没有断口、裂纹及损伤缺陷分析的正确诊断结果，是无法提出失效分析的准确结论的。采用扫描电镜可对金属断裂典型断口形貌进行观察，还可对其微区成分进行分析。本实验具体内容为：利用二次电子成像，观察金属断裂典型断口形貌，了解典型断口的微观特征.的成分差别。 2.实验目的（1）熟悉二次电子成像观察方法，了解金属材料典型断口形貌特征：（2）掌握双相不锈钢冲击断口形貌特征；（3）掌握X70钢疲劳断口形貌特征。 3.实验装置及材料（1）扫描电子显微镜（JSM-6390A型）一台；（2）超声清洗仪一台；（3）断口试样若干；（4）放大镜一只；（5）吹风机一只；（6）无水酒精若干。 4.实验原理 4.1金属材料典型断口特征：（1）断口宏观形貌特征在实际失效分析中, 按断口的表面宏观变形分类，断口分为脆性断口、韧性（延性）断口、韧-脆混合断口；按断裂类型分类，则分为解理断裂、准解理断裂、韧性断裂、疲劳断裂、沿晶断裂等。对韧性金属材料一次过载造成的韧性断裂，宏观上的基本特征通常表现为三个特征区，即纤维区、放射区和剪切唇区。这三个特征区是断口的三要素。表13-1列出了几种典型断口的宏观形貌特征，根据这些特征，可诊断出断口的宏观类型。表13-1 典型断口的宏观形貌特征