2 裂纹与断口分析参考幻灯片

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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)。
解理断口 宏观形态除能观察到放
射状条纹外，还具有结晶状形态，
有许多强烈反光的小平面(或称刻
面)。在有些纯解理断口上只有结
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晶状而看不到放射花样。
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疲劳断口的宏现形貌
应根据疲劳条纹的密度、 疲劳源区的光亮度和台阶情况 来确定疲劳源的起始次序。
最初疲劳源区经历交变负
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荷作用的时间长，疲劳条纹密
• 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。
→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
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俄歇电子能谱仪→分析断口
最有成效的是探测致脆元素，如暴露在 断口晶界面上的锑、铋、砷、硫、磷等 有害元素，因而可研究沿晶断口晶界脆 断的原因。
通过对断口表面元素的检测来研究腐蚀 引起的失效。
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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)
AC纸
二次复型
采用AC纸作过渡故 可以不破坏断口而 反复多次作复型， 因而在失效断口分 out 析中应用更为广泛。
一次碳复型
断口复型示意图
二次复型
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SEM分析方法
优点: 景深大、可直接观察断口, 不需制备 复型、能从低倍到高倍连续定点观察
试样制备 试样尺寸要小，能装入试样室。 切割时不能擦伤断口和腐蚀 沉积金属增加二次电子象清晰度。
(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
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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， 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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out
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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
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
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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
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．
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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
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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 ）
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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
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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若要增加反差,可气相沉积碳或金;要获得正复型,可涂上环
氧树脂再用丙酮溶解掉原复型。
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切片和断口剖面的研究
断口附近切片研究有助于确定断口与破断件 显微组织之间的关系，确定裂纹扩展走向是穿晶还 是沿晶的, 充分显示裂源部位的显微组织和裂纹之 间的关系，更有助于分析零件失效的原因。
观察时，为使断口的棱边保存下来，常采用 镶嵌方法。在切片镶嵌之前，若将试样断口镀上镍， 有利于断口棱边完好地保存下来。
纤维区
out 若材料塑性足够好，则放射区完全消失
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当应变速率↑、温度↓时, 绝大多数材料变得更强但更脆。
温度越低,剪切唇数量越少。
高应变速率的试样对应的斜面 断裂（剪切唇）较少。
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冲击断口
表面中覆盖的剪切唇
（斜面断裂面）的百分数
剪切唇
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应力腐蚀和氢脆断口宏观形貌
应力腐蚀 裂纹源常产生于构件表面，断口 的裂纹源及亚临界扩展区因介质的腐蚀作用 而至黑色或灰黑色。
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36
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
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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。
• 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!
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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)
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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。
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
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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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。
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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
out
• 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，则塑性变形限制于裂纹前端区 域内。
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
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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。
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
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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。
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
合成氨管道腐蚀失效件
断口切片试样
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沿晶腐蚀裂纹（×80）
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纯铁低温冲击试验解理破坏截面边缘镀镍金相保护观察
镀镍
镍
镍
片
镀镍
out 低碳钢管件应力腐蚀断口利用边缘镀镍金相保护观察
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TEM分析方法
一次碳复型
通常是在试验室中
的试验断口时使用，
或是为了对断口上
第二相质点或夹杂
作电子衍射分析时
使用。
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
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
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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
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
拉伸试 样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
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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。
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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。