裂纹与断口分析(研究荟萃)
金属材料的裂纹与断口分析资料
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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。
① 韧性断裂与断口特征
（屈服强度）
机 理
out
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(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
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d.按受力状态不同分类
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
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。 • 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
e. 按环境介质不同分类
out
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f. 按服役条件分类
金属材料的裂纹与断口分析
断裂源区的位置、数量及精裂品课纹件 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
out
精品课件
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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
精品课件
拉伸试 样的断 口比较
(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
精品课件
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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
精品课件
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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）
out
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
精品课件
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
精品课件
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。
• 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
失效分析 第6章
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一、主裂纹与裂纹源区位置的确定
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一、主裂纹与裂纹源区位置的确定
T型法则：
如果零件上有一条裂纹与另一条裂纹相遇或垂直的情 况，因为在同一零件上，后来产生的裂纹不可能穿越 原有裂纹而扩展，所以这条裂纹是晚生的 。 裂纹源只能在主裂纹上，根据源区的裂纹常较宽、较 深的特点及其他有关信息来判断源区位置。
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6.2.3 裂纹的分析与鉴别
裂纹分析的思路
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一、主裂纹与裂纹源区位置的确定
裂纹通常起源于零件的应力集中处，或材料缺陷处。 （1）起源于较深的刀痕，刮伤、圆角和台阶等处。
（2）起源于材料的折叠、拉痕、偏析等缺陷处。 实际零件上的裂纹常常有几条，并且在扩展时会出 现分枝(即二次裂纹)，通常主裂纹较二次裂纹宽而 长，裂纹源区一定在主裂纹上，且通常在二次裂纹 扩展的反方向上。
③最终断裂区
特征与普通疲劳断口的最终断裂区相同。
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三、应力腐蚀断口
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6.3.2微观断口分析
微观断口分析：主要是利用金相显微镜、扫描 电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电 子探针(EPMA)等仪器研究断裂的微观过程、断 裂机制，分析导致失效的各种因素。 下图是微观断口分析的基本方法。
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6.3 断口分析
断口分析： 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，现已成为对金属构件进行失效分 析的重要手段（宏观断口分析、微观断口分 析）。 解决基本问题： 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。
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6.3 断口分析
断口分类：脆性断口和延性断口 脆性断口：几乎不伴随塑性变形而断口。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：伴随着明显塑性变形的断口。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。
断口分析
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。
材料的力学性能 断裂与断口分析
材料的力学性能－断裂与断口分析材料的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。
工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。
如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。
任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。
对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的断裂控制。
✓材料在塑性变形过程中，会产生微孔损伤。
✓产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不断丧失。
✓损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。
按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂分为韧性断裂和脆性断裂两大类。
断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。
断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及时发现，一般不会造成严重的后果。
脆性断裂断裂前，没有宏观塑性变形的断裂方式。
脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成严重后果。
脆性断裂断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，意味着断裂应力低于材料屈服强度。
对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、环境脆断和疲劳断裂等。
脆性断裂一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断。
主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载脆性等。
材料的断裂比较合理的分类方法是按照断裂机理对断裂进行分类。
微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。
有助于→揭示断裂过程的本质→理解断裂过程的影响因素→寻找提高断裂抗力的方法。
材料的断裂将环境介质作用下的断裂和循环载荷作用下的疲劳断裂按其断裂过程特点单独讨论。
金属材料的断裂－静拉伸断口材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况：(a)(b)：平断口；(c)(d)：杯锥状断口；(e)尖刃断口平断口：材料塑性很低、或者只有少量的均匀变形，断口齐平，垂直于最大拉应力方向。
裂纹与断口分析上课课堂
断裂区
扩展区
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精编课件
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几种重要断裂方式的断口特征
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精编课件
42
out
精编课件
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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)。
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。
合成氨管道腐蚀失效件
断口切片试样
out
沿晶腐蚀裂纹（×80）
精编课件
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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
c. 断口样品的清洗和保存
带灰尘或其他附着物的断口
out
精编课件
28
清洁断口
带油污的断口
out
精编课件
29
锈蚀较严重的断口outFra bibliotek精编课件
30
在腐蚀环境下断裂的断口
out
精编课件
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3.2 宏观断口分析
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
纤维区
out 若材料塑性足够好，则精编放课件射区完全消失
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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。
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
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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
out
2 裂纹与断口分析
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
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
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．
48
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3.3 微观断口分析
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
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
展的反方向上(如图) ----多枝型法。
多枝型法示意图
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。
单一滑移系启动
纯剪切断口
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。
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行业特选
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主裂纹与裂纹源区
如果零件上有一条裂纹与另一条裂纹相遇或垂直的情况，因 为在同一零件上，后来产生的裂纹是不可能穿越原有裂纹而 扩展的，所以这条裂纹是晚生的。如下图。这就是所谓的T 型法则。根据这一法则确定哪一条裂纹为主裂纹。裂纹源只 能在主裂纹上，根据源区的裂纹常较宽，较深的特点来判断 源区位置。
行业特选
6
行业特选
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行业特选
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行业特选
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行业特选
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裂纹的鉴别
以锻轧裂纹为例。 锻轧裂纹如为表面裂纹，通常呈直线形，网状和混合型，有
时分叉成Y型，形状不规则，长度不大，两端尖锐，垂直于 短剑表面向内部深入，有的锻造裂纹呈裂口状。
行业特选
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断口分析
行业特选
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静载荷下光滑圆试样的拉伸断口宏观形貌示意图
沿晶断裂又称晶间断裂，是多晶体材料中裂纹沿晶界面扩展 的一种断裂形式。分为脆性沿晶断裂和塑性沿晶断裂。
以沿晶脆断为例。
行业特选
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沿晶脆断
行业特选
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疲劳断口微观特征
1，疲劳断片 2，疲劳辉纹：跟宏观疲劳断口上的贝纹线不同。
行业特选
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氢脆微观断口特征
行业特选
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断口微观形貌分析
行业特选
2
5.2裂纹分析
实际零件中所存在的裂纹分为两类，一类是零件在各种加工 过程中产生的工艺裂纹，另外一类是零件在使用过程中产生 的使用裂纹。
各种裂纹的分析与鉴别
行业特选
3
各种裂纹形成原因与形态特征
行业特选
4
主裂纹与裂纹源区
裂纹通常起源于零件的应力集中处，或材料缺陷处。由零件 应力集中引起的裂纹一般起源于较深的刀痕，刮伤，圆角和 台阶处。由材料缺陷引起的裂纹一般起源于材料的折叠，拉 痕，偏析等缺陷处。
河流花样
舌状花样
行业特选
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解理断口形貌
行业特选
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准解理断口微观特征
1，准解理小断面比回火马氏体的尺寸大得多，相当于淬火 前原奥氏体晶粒尺寸。
2，与解理裂纹的路径相比，准解磷裂纹的扩展路径不连续， 常常在局部地方形成裂纹并局部扩展。
3，准解理裂纹源常在准解理小断面内部，而解理裂纹源则 在与解理面相交的边界上。
裂纹与断口分析
行业特选
1
5.1裂纹与断口
裂纹：金属的局部破裂称为裂纹。裂纹是完整金属在应力 的作用下，某些薄弱部位破裂而形成的一种不稳定缺陷。
断口：机械零件断裂处的自然表面即裂纹扫过的面积叫断 口。
宏观断口分析：用肉眼或放大镜分析断口; 微观断口分析：采用扫描电镜或电子显微镜分析
断口;
行业特选
行业特选
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缺口圆试样拉伸断口示意图
行业特选
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冲击断口
V缺口试样断口
示意图
行业特选
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疲劳断口
疲劳断口分为三个区域 疲劳核心区 疲劳裂纹扩展区 瞬时断裂区
行业特选
16
疲劳断口
弯曲疲劳断口的各种形态
行业特选
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微观断口分析
解理断裂
解理断裂时低温脆性材料如低碳钢在低温下的典型断裂形式。解理面上的微观特征 是解理台阶，以及由节理台阶汇合成的河流花样。另一特征为舌状花样。
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断口微观形貌分析
行业特选
28
断口分析总结
行业特选
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4，准解理小断面有许多撕裂棱。
行业特选
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准解理断口形貌
行业特选
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延Байду номын сангаас断口的微观特征
延性断口是在断裂过程中局部高度塑性变形遗留下的断裂痕 迹。延性断口分为两类，一是滑断或纯剪切断口，另一类是 微孔聚集型断口。
以微孔聚集型断裂为例，典型形貌是端口上有大量韧窝。
行业特选
22
沿晶断口的微观特征