2 裂纹与断口分析参考幻灯片
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断口学ppt课件
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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
6.1.4 韧性断裂的影响因素 结构特征：fcc bcc hcp 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
（1）对材料塑性的诊断 可以根据断口上纤维区、放射区、剪切唇区等三个区域
的相对大小、纤维区纤维的长短、颈缩的大小和韧窝的尺寸。 （2）对载荷类型的判断 静拉伸应力—杯锥状或45°切断断口 静压缩应力—45°切断断口 静扭转应力—与扭转成90°断口
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.3 韧性断口的诊断 韧性断口形成原因的诊断
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.1 韧性断口的宏观特征
24
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 滑移分离
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝形成机理
空洞聚集，即显微空洞生核、长大、集聚直至断裂。
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝的形状
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝的尺寸
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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
6.1.4 韧性断裂的影响因素 结构特征：fcc bcc hcp 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
（1）对材料塑性的诊断 可以根据断口上纤维区、放射区、剪切唇区等三个区域
的相对大小、纤维区纤维的长短、颈缩的大小和韧窝的尺寸。 （2）对载荷类型的判断 静拉伸应力—杯锥状或45°切断断口 静压缩应力—45°切断断口 静扭转应力—与扭转成90°断口
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.3 韧性断口的诊断 韧性断口形成原因的诊断
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.1 韧性断口的宏观特征
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 滑移分离
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝形成机理
空洞聚集，即显微空洞生核、长大、集聚直至断裂。
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝的形状
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6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝的尺寸
裂纹与断口分析
疲劳断口的贝纹线，从裂纹源呈放射状 28
第二十八页，共七十八页。
c. 断口样品的清洗和保存
带灰尘或其他附着物的断口
29 第二十九页，共七十八页。
清洁断口
带油污的断口
30
第三十页，共七十八页。
锈蚀较严重的断口
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第三十一页，共七十八页。
在腐蚀环境下断裂的断口
32
第三十二页，共七十八页。
3.2 宏观断口分析
二次复型
采用AC纸作过渡故
AC纸
可以不破坏断口而
裂纹与断口分析
第一页，共七十八页。
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
2
第二页，共七十八页。
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。
l 直接破坏材料的连续性
l 应力集中(多数裂纹尾端较尖锐) → 金属发生低应力下破坏
韧性断裂
拉伸试 样的断 口比较
韧 性
好 35 第三十五页，共七十八页。
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。
由裂纹形状确定断杯锥裂状源断口和裂纹扩展的方向
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。
源区一定在主裂纹上,且在二次裂纹扩展的反方向上
(如图) ----多枝型法。
多枝型法示意图
T型法示意图
熔焊原理-焊接裂纹综合分析和判断课件
撕裂韧窝
韧性断裂
蛇形滑移
滑移断裂 波形滑移
平直滑移
解理断裂
脆性断裂
准解理断裂
疲劳断裂—疲劳纹
塑性断裂
沿晶断裂 脆性断裂
疲劳断裂—疲劳花纹
4Байду номын сангаас
1、韧窝断裂
2、解理断裂 3、准解理数裂 4、沿晶断裂
等轴韧窝 剪切韧窝 撕裂韧窝
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(二)
热裂纹断口形貌
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(三)
冷裂纹断口形貌
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(四)
再热裂纹断口形貌
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(5)补焊焊缝表面应尽量与原焊缝一致，做到圆滑过渡， 以减少应力集中。
(6)防止和减少焊接变形是补焊工艺重要部分之一，应根据焊 件的具体条件采用1相应的焊接工艺与对焊件加强相结合的措 施控制焊接变形。 (7)补焊时，宜采用小电流、不摆动、多层多道焊，禁止用大 电流补焊。
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(8)对刚性大的结构进行补焊时，除第一层和最后一层焊道外， 均可在焊后热态下锤击直焊道；每层焊道的起弧和收弧应尽 量锚开。 (9)对已经负荷的钢结构出现裂纹，应根据实际情况进行补强 或加固。但轻钢结构不宜在负荷情况下焊接补强或加固，尤 其对受拉构件更要禁止。
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③补焊
(1)焊件的返修，焊工不得擅自处理，应及时通知焊接工程师， 应制定返修补焊工艺，并由有经验的焊工操作。同一条焊缝 一般允许连续返修补焊3次，重要的焊缝和低合金结构钢在同 一处的返修不得超过2次，补焊返修后的焊缝应重新探伤： (2)如原焊缝焊接工艺要求预热或一定的层间温度，则补焊时 亦有同样要求，并取其温度的上限值。 (3)厚板焊缝缺陷的补焊，应采用多层多道焊法，每层每道焊 缝的起弧、收弧应尽量错开不能重叠。盖面焊应采用退火焊 道布置。 (4)如补焊焊缝长度超过1m，则应以300mm~400mm为一段 进行分段退焊法补焊。
2 裂纹与断口分析
out
基本原则→用尽可能简单的仪器 得到满意的结果!
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断口形貌观察工具的特性比较
out
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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。
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。
单一滑移系启动
纯剪切断口
out常发生在滑移形变不受约束或约束较
小的情况。如:平板承受拉伸载荷，薄壁容 器过载, 器壁承受双向拉伸载荷。
工程构件中常出现的两种
韧性断裂宏观形貌
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韧性断口宏现形貌 非杯-锥状
有外周缺口圆棒试样
厚板
放 射 区 增 加
薄板
out
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脆性断裂的断口宏观形貌
大多数是穿晶解理型的，其断口的宏观形 貌具有两个明显的特征: 小刻面 由于各晶粒解理面与断裂面位向不 相同，若把断口放在手中旋转时，将闪闪发光， 像存在许多分镜面似的。 人字条纹或山形条纹 随着裂纹的发展，由 断裂源点形成的人字 纹“或山形纹”变粗( 图中箭头指示方向为 裂纹扩展方向)。
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
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c. 断口样品的清洗和保存
带灰尘或其他附着物的断口
out
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清洁断口
带油污的断口
out
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锈蚀较严重的断口
out
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在腐蚀环境下断裂的断口
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3.2 宏观断口分析
out
金属断口分析 ppt课件
断口（断裂）的基本特征与机理
穿晶韧窝断裂(b)
拉伸撕裂
(c)
断口（断裂）的基本特征与机理
穿晶韧窝断裂
韧窝的大小 ✓韧窝的大小包括平均直径和深度 ✓深度常以断面到韧窝底部的距离来衡量 ✓影响韧窝大小的主要因素为第二相质点的大小、密 度，基体的塑性变形能力，变形硬化指数，外加应力 大小状态以及加载速度等。 ✓通常对于同一种材料，断裂条件相同时，韧窝尺寸 越大，则表明材料的塑性越好。
断口（断裂）的基本特征与机理
滑移分离
滑移的形式 ✓滑移碎化：当一个晶粒产生滑移变形时，它受到相邻晶粒的 束缚而阻止该晶粒的滑移，这样滑动的晶粒随着滑移变形量的 增加而产生硬化现象；另一方面这个晶粒边界的应力场将促进 相邻晶粒的滑移。与此同时，这个晶粒开动了更多的滑移系来 反抗相邻晶粒的阻力，由此产生了多重滑移而引起滑移碎化。 ✓扭折带：在晶体材料滑移变形时，有时出现滑移部分的晶体 相对于基体旋转一定的角度，滑移区域内的滑移线成S形弯曲， 称为扭折带。扭折带两端的晶体区域具有不同的去向，但扭折 带平面总是大致垂直于主要参与滑移的方向。
✓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
断口（断裂）的基本特征与机理
穿晶韧窝断裂 韧窝的形状
✓韧窝的形状主要取决于所受的应力状态 ✓等轴韧窝：在正应力作用下，显微空洞的周边均匀增长，断 裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。 ✓剪切韧窝：在切应力作用下形成的，拉伸或冲击断口的剪切 唇上，其形状呈抛物线形。匹配断口上抛物线的凸向相反 。 ✓撕裂韧窝：在撕裂应力作用下形成的，尖锐裂纹的前端及平 面应变条件下低能撕裂断口上，也呈抛物线形。但是在匹配断 口上，一对相匹配的撕裂韧窝不但形状相似，而且抛物线的凸 向也相同。 ✓实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存，或在拉长韧窝 的周围有少量的等轴韧窝。
故障分析基础PPT课件
一、 疲劳断裂的基本类型
1．按产生原因分：
机械疲劳：按加载方式可细分为拉压疲劳、弯曲疲 劳、扭转疲劳 热疲劳：温度反复变化引起热应力反复变化，产生 热疲劳。 腐蚀疲劳：在循环应力和腐蚀介质共同作用下产生 的失效。
2．按疲劳寿命分： 高周疲劳：应力较低，应力循环周次很多(>107次) 低周疲劳：应力较高(接近或高于材料的屈服强 度)，应力循环周次较少(102一103次) 在不特别指明的情况下，都是指高周疲劳。
S-N曲线
二、 疲劳断口的宏观形貌特征
宏观断口无明显变形，表现为脆性断口。 疲劳断口一般有三个区：疲劳源区、疲劳扩展区和瞬 断区。
1）疲劳源：
一般在材料有缺陷的地方。 疲劳源可能有多个。经反复挤压摩擦而比较光亮。
2) 裂纹扩展区：
是疲劳裂纹亚临界扩展部分，其典型特征是贝壳花 样(贝纹线、疲劳线)。
其它因素的影响：温度、腐蚀性、荷载频率等因素均对疲劳 强度有影响。其影响程度可通过疲劳试验用相应的影响系数 表示。
2.1.5 环境致断
一、 应力腐蚀断裂 应力腐蚀断裂是合金材料在持久拉应力和特定
的腐蚀环境共同作用下所导致的脆性断裂，断裂前 没有预兆，不易预防，危害性极大。
1．应力腐蚀断裂的特点和影响因素
疲劳裂纹的扩展规律： Paris公式：
3）瞬时断裂区：
疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域。断口粗 糙。靠近中心为平面应变状态的平断口，边缘区为 剪切唇。
三、 疲劳断口的微观形貌特征
疲劳裂纹扩展可分为两个阶段： 第一阶段是由疲劳源开始，与主应力成45°方向扩展，扩展速 度很慢，扩展量很小。第一阶段裂纹逐渐改变方向，转到与主 应力相垂直的方向，进入第二阶段。在此阶段，裂纹扩展是穿 晶的，按解理断裂方式扩展，扩展速度较快，其微观特征是疲 劳条带(疲劳辉纹)。
断口形貌特征ppt课件
精品课件
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2）电子显微镜断口分析技术
1.透射电镜技术
通常断口凹凸不平，通过复型，利用电子束从样品中透射的电子成象，透射电镜 可以得到高分辨率的电子图象，研究断口的形貌特征。常用倍率为×2000-×30000 ）。
2.扫描电镜技术
扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
各种观察手段结合可以得到较好的结果。
精品课件
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（金）200:1
（扫）500:1
（透）10000:1
（扫）2000:1
凹处暗，凸处亮。 精品课件
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感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
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解理断口的结晶面呈无规则取向，有闪闪发光特征。称发光的小平面为小刻面。 解理断口的另一特征是具有人字状条纹或放射状条纹。容易判断裂源和扩展方向。
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3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈 角。
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4.疲劳断裂 疲劳断口一般可划分三个不同区域：平滑区和“年轮”条纹区和瞬断区。
材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。
韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
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2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断
断口学 ppt课件
第二章：断裂力学基础
❖2.3 材料的断裂韧度
第二章：断裂力学基础
❖2.3材料的断裂韧度
❖2.3.1 材料断裂韧度的影响因素 ❖外因
（1）试样厚度 （2）温度和应变速率 ❖内因 （1）晶粒尺寸及晶界状态 （2）杂质及第二相 （3）组织结构
第二章：断裂力学基础
❖2.3材料的断裂韧度
❖2.3.2 材料断裂韧度与其他力学性能之间的关系 ❖与静载力学性能指标 ❖与冲击韧性
第六章：韧性断裂的断口及其分析
❖6.2 韧性断口的特征和诊断
❖6.2.3 韧性断口的诊断 ❖韧性断口形成原因的诊断
（1）对材料塑性的诊断 可以根据断口上纤维区、放射区、剪切唇区等三个区域
的相对大小、纤维区纤维的长短、颈缩的大小和韧窝的尺寸 。
（2）对载荷类型的判断 静拉伸应力—杯锥状或45°切断断口 静压缩应力—45°切断断口 静扭转应力—与扭转成90°断口
❖6.4 韧脆转移
❖ 6.4.1 韧脆转移现象
第五章：断裂失效分析的思路
❖5.1 断裂失效分析思路的思想方法
❖ 5.1.2 五个具体方法 ❖ 系统方法 ❖ 抓主要矛盾法 ❖ 比较方法 ❖ 历史方法 ❖ 逻辑方法
第五章：断裂失效分析的思路
❖5.2 断裂失效分析思路
❖ 5.2.1 相关性思路
❖ 根据断裂分类的分析思路
第五章：断裂失效分析的思路
❖6.4 韧脆转移
❖ 6.4.1 韧脆转移现象
第六章：韧性断裂的断口及其分析
❖6.4 韧脆转移
❖ 6.4.1 韧脆转移现象
第六章：韧性断裂的断口及其分析
❖6.4 韧脆转移
❖ 6.4.1 韧脆转移现象
第六章：韧性断裂的断口及其分析
金属材料的裂纹与断口分析
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， 测量其几何形状变 化，变形量最大的 为主裂纹。
检验断口，氧 化最严重区为 最先断裂区 （主裂纹形成）
out
23
out
24
判定裂纹源的方法
最小应变法
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。
① 韧性断裂与断口特征
（屈服强度）
机 理
out
7
(微观）
(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
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! 3
断 口
金属构件在应力作用下分离为 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。
out
58
离子探针→断口表面分析
可分析断口表面的元素分布情况
具有探测所有元素的优点， 检测灵敏度很高(可达到100ppm含量) →分析沿晶界元素偏聚 →分析氢脆断口的氢含量
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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
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判定主裂纹的方法
将散落断口拼合， 测量其几何形状变 化，变形量最大的 为主裂纹。
检验断口，氧 化最严重区为 最先断裂区 （主裂纹形成）
out
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out
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判定裂纹源的方法
最小应变法
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。
① 韧性断裂与断口特征
（屈服强度）
机 理
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(微观）
(宏观）
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② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
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Q：何种晶体结构材料易出现脆性断裂？
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薄板表面
薄板侧面-断口
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b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混 晶
穿 晶
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c. 按裂纹机制分类
out
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d.按受力状态不同分类
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! 3
断 口
金属构件在应力作用下分离为 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。
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离子探针→断口表面分析
可分析断口表面的元素分布情况
具有探测所有元素的优点， 检测灵敏度很高(可达到100ppm含量) →分析沿晶界元素偏聚 →分析氢脆断口的氢含量
金属构件断口诊断方法PPT课件
3 断口分析技术
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、到扩展 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、断裂物理等诸多方面内外因 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。
• 放射区：裂纹由缓慢扩展向快速不稳定扩展转化的标志。特征是放射线花样，发散 方向为裂纹扩展方向。裂纹扩展方向是由纤维区指向剪切唇区。
• 剪切唇区：最后阶段，表面光滑与拉应力成45°，切断型，平面应力状态。
第30页/共80页
过载断口三要素：零件形状对断口三要 素有很大影响。
第31页/共80页
冲击断口
第43页/共80页
断口微观分析的任务和内容
⑤断口与晶面、晶向之间的关系； ⑥断口与晶界的关系； ⑦断口与显微组织的关系； ⑧断裂源区的情况； ⑨断口的化学成分、或杂质环境元素的分布情况； ⑩断口上二次裂纹的有无或多少、分布情况。
第44页/共80页
断口的微观形貌特征
扫描电子显微镜由于其具有制样简单， 使用方便，并具有景深大，分辨率较高，放 大倍数范围宽，可连续调节，可进行化学成 分、晶体取向测定等一系列优点，在失效分 析中得到了广泛的应用。
显微形貌、机理、断裂模式。
第15页/共80页
3.2 断口分析设备和技术
①首先对断口做低倍观察，以全面了解和掌 握断口的整体形貌和特征，并确定重点观察 部位。
②在整体观察的基础上，找出断裂起始区， 并对断裂源区进行重点分析，包括源区的位 置、形貌、特征、微区成分、材质冶金缺陷、 源区附近的加工刀痕及外物损伤痕迹等。
③对断裂过程不同阶段的形貌特征要逐一加 以观察，找出各区断裂形貌的共性与个性。
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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
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得到满意的结果!
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断口形貌观察工具的特性比较
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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。
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3.3 微观断口分析
分析内容：产物分析 + 形貌分析
根据断口微观形貌特征可判定断裂的类型， 从裂纹源处查明断裂原因。它还能进行断裂失 效的定量分析，如进行韧性的定量测量，分析 测定裂纹的扩展速率、断裂过程与影响因素之 间的定量关系等。
断口微观形貌中，韧窝、解理花样、疲劳辉纹等分别 是判断金属韧性断裂、解理断裂和疲劳断裂的主要依据 out
氢脆断裂
鱼眼
若是冶炼过程中形成氢分
子，则当钢水冷却时常在夹杂 物等缺陷处析出或聚集，形成 断口上的“白点”或“鱼眼” 特征。
若由外界环境中氢侵入材
out
料后发生( 如酸洗液、电镀液 等) 的沿晶断裂，断口有放47射
状或结晶状等脆性特征。
白点
白点是由于钢 中氢含量过高引起 的一种缺陷．
out
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out
沿 晶
混
晶
穿
晶
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c. 按裂纹机制分类
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d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
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f. 按服役条件分类
out
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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
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
河海大学力学与材料学院硕士课程
金属材料失效分析
（Failure analysis of metallic materials）
第2讲 裂纹与断口分析
out
1
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。
• 复型 不能进实验室而又不宜现场观察的大型 破断零件，或断口起伏太大而妨碍照相，用复型 可对破断零件断口提供永久的记录。
常用的复型较厚，故较少发生变形成坍陷。一般制备过程
是在断口上淌上一薄层很粘的醋酸纤维丙酮溶液，然后把一片
厚的醋酸纤维胶带(厚度0．25-0．40mm)用手压在涂层上，约
1min，待干燥后将复型从断口上剥离。
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。
(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
最初疲劳源区
度大，同时比较光泽明亮。 40
缺口敏感性对疲劳断口形态的影响
若材料对缺口不敏感→疲劳条纹绕着裂纹源或成为向外凸起的同心形状
out
对缺口敏感→疲劳条纹绕着裂源外开始较为平坦，向前扩展一定
距离即以反弧形向前扩展。
41
负荷类型、应力集中程度和负荷大小 对疲劳断口形态的影响示意图
断裂区
扩展区
人字条纹或山形条纹
随着裂纹的发展，由
断裂源点形成的人字
纹“或山形纹”变粗
(图中箭头指示方向为
out
裂纹扩展方向)。
38
沿晶断裂和解理断裂一般都是脆性断裂，所以 断口上常能观察到放射状特征，对于纯沿晶或纯解 理断口，将不存在纤维区及剪切唇区。
沿晶断口 在一些具有极粗大晶粒 的材料中，其沿晶断裂的宏观断口 呈现“冰糖状”特征。若晶粒很细， 须在电子显微镜下才能辨认。
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。
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
50
基本断裂机制的 典型微观形貌
疲劳条纹
沿晶脆性断裂（×500）
解理断裂（×1000 ）
out
准解理断裂（×2000）
韧窝断裂（×2000 ）
51
A. 主要分析仪器
可将断口直接放到显微镜下观察，但必需注意 当断口上有尖端或毛刺而妨碍透镜接近断口时，可用 工具消除以免损伤显微镜的镜头。
OM分析断口的特殊技术: 光镜分析法
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 6
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
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
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。
→分析沿晶界元素偏聚 →分析氢脆断口的氢含量
out
59
B. 金属断口的基本显微形貌
解理断口
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
out
42
几种重要断裂方式的断口特征
out
43
out
44
冲击断口 断口三要素分布示意图
• 一般情况下，缺口附近先 形成纤维区，然后是放射区 及剪切唇，剪切唇沿无切口 的其它三侧边分布。
剪
切 唇
放射区
• 摆锤冲击下，缺口一侧受 拉应力，另一侧受压应力。 整个断面上受力方向不同， 所以当受拉应力的放射区进 入受压区时可能会消失而重 新出现纤维区(如图所示)。
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。
49
3.3 微观断口分析
分析内容：产物分析 + 形貌分析
根据断口微观形貌特征可判定断裂的类型， 从裂纹源处查明断裂原因。它还能进行断裂失 效的定量分析，如进行韧性的定量测量，分析 测定裂纹的扩展速率、断裂过程与影响因素之 间的定量关系等。
断口微观形貌中，韧窝、解理花样、疲劳辉纹等分别 是判断金属韧性断裂、解理断裂和疲劳断裂的主要依据 out
氢脆断裂
鱼眼
若是冶炼过程中形成氢分
子，则当钢水冷却时常在夹杂 物等缺陷处析出或聚集，形成 断口上的“白点”或“鱼眼” 特征。
若由外界环境中氢侵入材
out
料后发生( 如酸洗液、电镀液 等) 的沿晶断裂，断口有放47射
状或结晶状等脆性特征。
白点
白点是由于钢 中氢含量过高引起 的一种缺陷．
out
48
out
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
out
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
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。
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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
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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
河海大学力学与材料学院硕士课程
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。
• 复型 不能进实验室而又不宜现场观察的大型 破断零件，或断口起伏太大而妨碍照相，用复型 可对破断零件断口提供永久的记录。
常用的复型较厚，故较少发生变形成坍陷。一般制备过程
是在断口上淌上一薄层很粘的醋酸纤维丙酮溶液，然后把一片
厚的醋酸纤维胶带(厚度0．25-0．40mm)用手压在涂层上，约
1min，待干燥后将复型从断口上剥离。
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• 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
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美国顺纳德球形储氢压力容器 碎片拼合后的一个视图
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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
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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。
(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
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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）
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最初疲劳源区
度大，同时比较光泽明亮。 40
缺口敏感性对疲劳断口形态的影响
若材料对缺口不敏感→疲劳条纹绕着裂纹源或成为向外凸起的同心形状
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对缺口敏感→疲劳条纹绕着裂源外开始较为平坦，向前扩展一定
距离即以反弧形向前扩展。
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负荷类型、应力集中程度和负荷大小 对疲劳断口形态的影响示意图
断裂区
扩展区
人字条纹或山形条纹
随着裂纹的发展，由
断裂源点形成的人字
纹“或山形纹”变粗
(图中箭头指示方向为
out
裂纹扩展方向)。
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沿晶断裂和解理断裂一般都是脆性断裂，所以 断口上常能观察到放射状特征，对于纯沿晶或纯解 理断口，将不存在纤维区及剪切唇区。
沿晶断口 在一些具有极粗大晶粒 的材料中，其沿晶断裂的宏观断口 呈现“冰糖状”特征。若晶粒很细， 须在电子显微镜下才能辨认。
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。
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
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清洁断口
带油污的断口 out
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锈蚀较严重的断口
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在腐蚀环境下断裂的断口
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3.2 宏观断口分析
50
基本断裂机制的 典型微观形貌
疲劳条纹
沿晶脆性断裂（×500）
解理断裂（×1000 ）
out
准解理断裂（×2000）
韧窝断裂（×2000 ）
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A. 主要分析仪器
可将断口直接放到显微镜下观察，但必需注意 当断口上有尖端或毛刺而妨碍透镜接近断口时，可用 工具消除以免损伤显微镜的镜头。
OM分析断口的特殊技术: 光镜分析法
断裂是较少见的，通常是出现 脆性和韧性的混合型断裂。
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混合型
撕裂韧窝与剪切韧窝 6
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强度）
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(微观）
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(宏观）
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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
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b. 按裂纹扩展路径分类
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拉伸
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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
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裂纹源附近状况
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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
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
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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。
→分析沿晶界元素偏聚 →分析氢脆断口的氢含量
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B. 金属断口的基本显微形貌
解理断口
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
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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
out
42
几种重要断裂方式的断口特征
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冲击断口 断口三要素分布示意图
• 一般情况下，缺口附近先 形成纤维区，然后是放射区 及剪切唇，剪切唇沿无切口 的其它三侧边分布。
剪
切 唇
放射区
• 摆锤冲击下，缺口一侧受 拉应力，另一侧受压应力。 整个断面上受力方向不同， 所以当受拉应力的放射区进 入受压区时可能会消失而重 新出现纤维区(如图所示)。