金属断口分析教案

备课本课程名称金属断口分析课时数24适用班级材料091/092/093授课教师高建祥使用时间2010-2011学年第2学期冶金工程学院《金属断口分析》课程授课教案课程编号：课程名称：金属断口分析课程总学时/学分：24/1.5（其中理论24学时，实验0学时，课程设计0周）适用专业：金属材料一、课程地位机械产品失效分析是一门新的跨学科的综合性技术，在一些国家中已将它作为一门新的独立学科加以研究和发展。

本课程的教学目的在于让学生了解失效分析中经常涉及的断裂力学基本知识，金属材料断裂的分类，断口分析技术及典型断裂：延性断裂、解理断裂、准解理断裂、疲劳断裂、氢脆断裂、应力腐蚀断裂及其它断裂断口的宏观、微观特征，断裂失效机理及影响因素。

二、教材及主要参考资料[1] 崔约贤. 金属断口分析[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社. 1998.[2] 吴连生. 失效分析技术[M]. 成都：四川科学技术出版社.1985.三、课时分配四、考核方式与成绩核定办法1. 考核方式：闭卷考试2. 成绩核定办法：总分＝70％×考试成绩＋30％×平时成绩五、授课方案第一章金属的断裂1.1 断裂的分类1.1.1 脆性断裂和延伸断裂：根据宏观现象分 脆性断裂：1).裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；2).裂纹扩展所需应力：较低<屈服应力； 3).塑性变形：少或无； 4).断口：平齐、与正应力相垂直 。

延性断裂：1).裂纹源：孔穴的形成和合并; 2).塑性变形：较大; 3).断口：无光泽的纤维状、剪切面断裂、与拉伸轴线成 45º .1.1.2 穿晶断裂与沿晶断裂：根据断裂扩展途径的不同来分 穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可 能是延性断裂； 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。

1.1.3 韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂：根据微观断裂的机制上分1.1.4 正断、切断：根据断面的宏观取向与最大正应力的交角 正断：断面取向与最大正应力相垂直 切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成 45º交角1.2 材料的韧性及断裂力学简介1.2.1.材料的韧性：反映材料抗脆断能力的新指标 概念：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合 反映。

韧性的实验测定： 冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。

1.2.2.断裂力学：（脆断）以线弹性理论为基础 裂纹尺寸与断裂强度的关系K1c  c Y a：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与 K 准则相似）：断裂应力（剩余强度） a：裂纹深度（长度） Y：形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关） 应力场强度分析与断裂韧性：根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：Ⅰ型：裂纹张开 型Ⅱ型：边缘滑开型（正向滑开型） Ⅲ型：侧向滑开型（撒开型） 在平面应力、应变条件下有（Ⅰ型） ：K   Y a：应力强度因子 KN·mn-3/2 a：裂纹半长 Y：裂纹形状系数 K 准则：当裂纹有缓慢扩展过渡到迅速扩展的瞬间，应力强度因子达到一个临界 值 KIC （以无限大板穿透裂纹为例）K  c  a  KIC即为：脆性断裂的 K 准则 KⅠC：材料常数，材料的平面应变断裂韧度 KI 是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征 裂纹尖端应力场强度的计算量；KIC 是材料固有的机 械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量。

Ⅱ型、Ⅲ型裂纹的应力强度因子：K    a K     aⅡ型、Ⅲ型裂纹的失稳扩展条件：K   K C K    K  C第二章 断口分析技术2.1 裂纹源位置的判别 2.1.1 T 型法如果在一个零件，型，如图 2.1 示，在通常情况下横穿裂纹 A 为首先开裂。

因为在同一零件上后产生的裂纹不可能穿越原有裂纹扩展，裂纹扩展方向平行于 A 裂纹。

裂源位置在裂源区的裂纹较宽、较深。

A 为主裂纹，B 为二次裂纹为裂 纹源。

2.1.2 分叉法: 零件断裂过程中常常产生许多分叉，通常情况下裂纹分叉的方向为裂纹扩展方向，扩展的反方向指向裂源位置。

裂源在主裂纹上，一般情况下主裂纹宽而长。

见图 2.2图 2.2 分叉法示意图 2.3.1 变形法:延性断裂的零件在断裂过程中发生变形后碎成几块，将碎片拼合后变形盆大 的部份为主裂纹，裂纹源在主裂纹所形成的断口上，见图 2.3。

图中 A 为主裂纹， B，C 为二次裂纹。

2.2 断口试样制备技术 2.2.1 断口的截取 a.在打开裂纹之前，要对零件的断裂部位进行拍照。

照片要包括零件全貌及宏观 细节放大。

要求所拍照片主题明确、轮廓清楚、立体感强、没有多余的阴影。

b.打开裂纹：在分析判断裂源位置及裂纹扩展方向后，一般都是沿着裂纹扩展方向将裂纹打开形成断口。

如果已知零件开裂原因可用同类型更大应力打开裂纹。

若不清楚引起开裂的应力可采用三点弯曲打开裂纹，如图 2.4 所示。

图 2.4 三点弯曲法 2.2.2 清洗 a.对油污染的断口先用汽油沉去油腻，再把断口放入盛有丙酮、石油醚或三氯甲 烷等有机溶液的玻璃皿内，将玻璃皿故人超声波振荡器件进行超声清洗。

b.对在潮湿空气中暴露时间比较长锈蚀比较严重的断口，去除氧化膜后才能观 察。

可先用有机溶液、超声波或复型法清洗。

如果效果不好的话就要用化学方法 清洗．见表 2.1。

经化学清洗后的断口应立即放入稀 Na2CO3 或 NaHCO3 溶液中 清洗，然后再用蒸馏水、酒精清洗、吹干保存。

c.在腐蚀环境下发生断裂断口，一般先用 X 射线、电子探针或能谱仪分析腐蚀产 物成份、结构后再观察分析断口。

因为这些腐蚀产物对分析断裂原因是有利的。

化学清洗或多或少损坏断口形貌，一般只能最后使用。

事故断口分析中不急于清除表面覆盖物，必须认真分析覆盖物确认对分析无 价值后再消洗。

表 2.1 化学方法清洗2.2.3 断口的保存：拿到断口属最好立即观察，否则采用如下方法保存 a.在大气中的新鲜断口应立即放人燥器内放置或其它干燥、无尘的场所保存以避 免断口受潮氧化。

b.不要用手触摸断口表面或匹配对接断面以免产生人为的损伤。

c.为防止断口生锈或腐蚀可在其表面涂抹保护材料如醋酸纤维素丙酮溶液、环节 树脂或防锈漆。

d.从大块断口上取试样要采取保护措施。

如用醋酸纤维素丙酮溶液涂在断口上待 干后切割，并防止锯屑赃物落在断口表面。

e.如发现断口上有细小外来物，为了防止落下，可用 AC 纸固定。

2.3 断口分析2.3.1 扫面电子显微见（SEM）常用功能  观察断口表面形貌。

 观察与断口成一定角度的剖面组织，研究断口形貌与显微组织之间的对应 关系、裂纹走向、断裂机理。

图为双相钢断口剖面照片。

 配有能谱或波谱的扫描电镜上可进行断口上夹杂物、第二相或微区成份分 析。

 在配有动态拉伸台的扫描电镜上可以观察拍照拉仲样品裂纹萌生、扩展直 至断裂全过程。

 采用与金相浸蚀剂相同的腐蚀试剂浅腐蚀断口表面可同时显示断口形貌 与显微组织。

 利用位向腐蚀坑技术即利用品体材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间 的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。

表中给出腐蚀坑技术中 常用腐蚀剂。

腐蚀时间一般为几秒至十几秒。

2.3.2 透射电子显微镜（TEM）  塑料-碳二级复型用来观察断口形态，它能给出扫描电镜所不能分辨的细 节并可以在更高的倍率下观察这些细节。

例如图中为钢的疲劳条纹，放大 28000 倍。

 断口萃取复型：利用 AC 纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子 衍射分析确定这些质点的晶体结构，如结合能谱分析所给出的质点成份就 能更准确的确定结构。

 为搞清断裂的原因有时需要从断口上切取金属薄膜进行透射电镜分析。

研 究引起断裂的质点形态、大小及分布以及与母相间位向关系。

图中为 12CrlVoV 钢解理断口．从该断口上切取金属薄膜的透射电镜照片及衍射 谱。

经分析产生解理断裂的原因是在(001)面上片状钒的氮化物析出所致。

2.3.3 常见断口特征第三章 延性断裂3.1 韧窝断口的宏观形貌特征  韧窝—微观聚集型断裂： 外力作用（拉伸、剪切、冲击等）→滑移位错堆积（或夹杂物破碎）→微孔→微孔长大、聚集→断裂  韧断宏观特征：纤维区（表面颜色灰暗，无金属光泽）、放射区、剪切唇3.2 韧窝断口的微观形貌特征 韧窝的形状取决于应力状态 等轴韧窝：拉伸正应力、均匀分布等轴  剪切韧窝：剪切应力、抛物线形状（对于拉伸、冲击断口：剪切唇部位属于此类）  撕裂韧窝：撕裂应力、抛物线形状（沿应力方向）  卵形韧窝：大韧窝与小韧窝的交截结果3.3 韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理 3.3.1 韧窝裂纹的萌生和扩展韧窝断裂包括三个阶段裂纹的萌生一形成显微孔洞裂纹的扩展聚集和最终 断裂见图 3.12。

研究表明能否在质点处萌生裂纹，和质点与基体结合致密程度有关。

结合紧固不易萌生裂纹，反之，容易萌生裂纹。

微孔形成后，扩展方式有两种，一种为 内颈缩扩展、另一种为剪切扩展。

内颈缩展是质点大小、分布均匀，韧窝在多处 形核起裂，以后随变形的增加，微孔壁变薄，通过撕裂方式相连接. 3.3.2 裂纹形成的微观机理材料中在夹杂物或第二相粒丁一周围堆积者位错外，见图。

位错环一方面受 第二相粒子或夹杂物的排斥作用，另一方面又受到位错堆积应力的作用而被推向 第二相粒子或夹杂物。

无外力作用时它们处丁平衡状态，见当受外力作用时，平 衡遭到破坏，位错环被推向第二相粒子。

当一个或一对位错环被推到半，一户与 基体界面_t:以后，界面将沿图}-11(c)中的 AB 面分开形成微孔。

由于微孔的形成， 使后面的位错受到的排斥力大大减少。

另一方面原位错环后面的位错源又重新激 活，产生新的位错环，并被不断地推向微孔，导致微孔迅速扩展，见图。

由于位 错可以沿不同滑移面开往粒子边界，因此微孔可以由几个滑移面上开来的位错共 同形成，图 3-17(F}。

或其它滑移面上的位错向该微孔运动而使其长大。

第四章4.1 解理断口宏观形貌特征解理断裂解理断裂前几乎没有塑性变形，断口边缘没有或很少有剪切唇:断日表面一 般垂直于最大正应力方向。

解理断口宏观形貌特征是结晶状小刻面、“放射状” 或“人字形”花样。

结晶状小刻面:解理断口上的结晶正宏观上呈现无规则取向，当在光线照射 下转动断口时呈现许许多多闪闪发光的平面.“放射状”或.‘人早形”花样:解理断口另一宏观特征是具有放射状条纹或 人字条纹。

放射条纹的收敛处和人字纹的尖端为裂纹源。

“人字纹”形态反映材 料性质与加载速度。