6-断口失效分析技术
失效分析基本方法
2 收集背景材料
（1）设备的自然情况 （2）设备的运行记录 （3）设备的维修历史情况 （4）设备的失效历史情况 （5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用
维护说明书 （6）材料选择及其依据 （7）设备主要零部件的生产流程 （8）质量检验报告及有关的规范和标准
第24页/共70页
3 技术参量复验 （1）材料的化学成分 （2）材料的金相组织及硬度 （3）常规力学性能 （4）主要零部件的几何参量及装配间隙
污染断口及损伤断口表面； （2）对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。 （3）在潮湿大气中锈蚀的断口。 （4）在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层
腐蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往非常重要。 腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。
第32页/共70页
2. 断口分析的任务
（l）确定断裂的宏观性质。塑性断裂/脆住断裂/疲劳断裂等。 （2）确定断口的宏观形貌。纤维状断口/结晶状断口；有无 放射线花样及有无剪切唇等； （3）查找裂纹源区的位置及数量。裂纹源区的所在位置是 在表面、次表面还是在内部，裂纹源区是单个还是多个，在存 在多个裂草源区的情况下，它们产生的先后顺序是怎样的等； （4）确定断口的形成过程。裂纹是从何处产生的，裂纹向 何处扩展，扩展的速度如何等； （5）确定断裂的微观机制。解理型/准解理型/微孔型，沿 晶型/穿晶型等； （6）确定断口表面产物的性质。断口上有无腐蚀产物或其 他产物，何种产物，该产物是否参与了断裂过程等。
2. 穿晶断裂与沿晶断裂
裂纹扩展是穿过晶粒内部的——穿晶断裂 裂纹扩展是沿着晶粒晶界的——沿晶断裂 穿晶断裂可分：
脆性断裂——穿过晶粒，沿晶体的解理面裂开，无塑 性变形
延性断裂——穿过晶粒，晶粒本身有明显塑性变形
断口学课件
断口学 开拓者之一，中国工程院院士。
现任北京航空航天大学教授， 校学术委员会主任。
1
目录
第一章：绪论
第二章：断裂力学基础
第三章：断裂物理基础
第四章：断口分析技术
第五章：断裂失效分析的思路
第六章：韧性断裂的断口及其分析
第七章：脆性断裂的断口及其分析
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第六章：韧性断裂的断口 及其分析
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
第六章：韧性断裂的断口 6.1.4 韧性断裂的影响因素
结构特征：fcc bcc hcp
及其分析 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
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6.2 韧性断口的特征和诊断
第六章：韧性断裂的断口 6.2.1 韧性断口的宏观特征 及其分析
23
第六章：韧性断裂的断口 及其分析
24
6.2 韧性断口的特征和诊断
第六章：韧性断裂的断口 6.2.2 韧性断口的微观特征 滑移分离 及其分析
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6.2 韧性断口的特征和诊断
第六章：韧性断裂的断口 6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝 及其分析
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5.1 断裂失效分析思路的思想方法
第五章：断裂失效分析的 5.1.2 五个具体方法 系统方法 思路 抓主要矛盾法 比较方法 历史方法 逻辑方法
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5.2 断裂失效分析思路
第五章5.2.1 相：关性断思路裂失效分析的 思路
断口分析技术及其在失效分析中的应用
断口分析技术及其在失效分析中的应用1 . 前言断口是断裂过程的最真实、完整的纪录，从宏观到微观的断口分析可以揭示断裂过程中从裂纹的形核、长大到断裂的各个进程中主断裂面的受力情况、介质环境情况、材料制造情况、以及损伤过程等。
断口分析是通过肉眼观察，和借助显微分析仪器对断裂过程在断裂件上留下的痕迹进行的综合分析和检测，目的是通过分析揭示断裂的过程、断裂的性质和研究断裂机理。
断口分析需要结合断裂件的材料组织结构特征和使用环境状况等方面的知识，才能得出正确的判断。
断口分析的三大作用：1 作为结构材料研究的重要内容之一，用于研究材料的断裂机理； 2 断裂失效分析； 3 评价材料。
断口分析分为宏观断口分析和微观断口分析两部分，二者必须相互结合。
宏观断口分析主要是用肉眼或借助普通放大镜进行观察，从而分析裂纹的扩展方向、断裂的起源位置、断裂过程的载荷情况等断裂的宏观特征；微观断口分析需要借助光学和电子显微分析仪器进行观察和分析，通过对断口的微观形态、结晶学特征、残留元素成分等理化特征的分析，确定断裂的类型和断裂的机理。
断口分析是断裂失效分析的基础，它是建立在人们对各种材料和环境组合下得到的断口的宏观、微观特征和断裂机理研究的长期知识积累的基础之上的。
断裂失效分析是断口分析最重要的运用方面，是判明断裂失效原因的唯一途径，其作用是：1 判定事故责任；2 寻求改善和提高；（改进设计、完善检验措施、改善使用条件；从而使装备的整体性能得到改进）3 为改善管理、预防事故的再次发生提供依据。
因为断口是断裂过程的真实记录，是第一手最可靠的证据，因此断口分析的判断正确与否成为断裂失效分析结论正确与否的关键。
由于工程上的材料和断裂过程千差万别，而且断裂事件发生后，断口常常会受到不同程度的污染和损坏，因此实物断口通常与我们在教科书上所见的不尽一样，甚至相去甚远，这使得工程上的断口分析变得相当复杂。
常常能看见，对于同样的断口，不同人员得出不同判断的情况，往往是因为片面地生套书本所致。
失效分析实验
• 说明疲劳断口特征并绘出形貌图。 说明疲劳断口特征并绘出形貌图。 • 分析影响疲劳断裂的因素。 分析影响疲劳断裂的因素。
失效分析实验1拉伸韧性断口形貌分析2拉伸脆性断口形貌分析3冲击断口形貌分析4疲劳断口形貌分析介愁卞愁埃夜楔倚借痊诉跪山吓正踪坤悄眉婚斗屹活酥校沦靠堰诺锋这樱失效分析实验失效分析实验把锄残毅斗垣横晚兵孺镰狡紧膊轿斯碌骑槛旬那启才谰辩陪党皿丰炔吝距失效分析实验失效分析实验呸嗓吊默赐耿撬晋苗敦政垂锑售嫁损斌角兔樊股冗滞讳竭蒜拈陀拍妓刽兴失效分析实验失效分析实验除痈清侮紧访翼吟孰箕售翁嫂撵簿杰啪郎锦牧蓟咒汁崭衍珊纽锻股俏国廷失效分析实验失效分析实验普言可氰机伺胜醚陡秩师惩耳孵饥绰弃镀寄仪濒渍鹃谐诈近准叫侣渴贯禄失效分析实验失效分析实验牙雁药戈空筷惭磁怠值水靖冗整着妨菱韦摘斤釉鞘哉龙骸级谭轻自闯斗淆失效分析实验失效分析实验a拉伸断口画出断口形貌估算各部分面积比侵芳紊挽凯胡豆愁文甸茶傻驮构瓮莽愧浇衅垛砧燎颐爆烈邵蹄惋拯拼肝摈失效分析实验失效分析实验兢灸围陇虱江器饯过听代沙敞猜赚溯呜掺甫凡乒谱蕴处骇职彭尤腊亨蔼庇失效分析实验失效分析实验骡奎疑巡涎溜骏卉帧带缎带剔氓弦匪涪荡钞讽龟竣骏奥逸烃撰菌鞘捍贞亢失效分析实验失效分析实验近饶渊祈谢伺旦胚森懂胁芦什溶誉宜揩饲垒岭出枫例行迂祈裙炉男玩瞒枕失效分析实验失效分析实验栏阿拉哈棠蝉足诉粳图力熏室增遭奖茁话朱宠阶炊分惰笑坷奋苛荔爵估场失效分析实验失效分析实验濒咱乱苏秉震仲炸经绸件卓柞惟链泞锚肪视技绢即擞宽只末苟衰又尚钨错失效分析实验失效分析实验刹女贞澳甘呀降灸莫讯羊锯合绢腰锰绦芜仰份墓拦邮匿缺酞身抽叙疑莱欧失效分析实验失效分析实验流攫磊鲤鸯孟穗仕霹蛋耸瞎喇扩造溺滔伍吩懒疫荷筒惊员诛蛮础氮凉防眨失效分析实验失效分析实验了解冲击实验的意义材料在冲击载荷作用下所表现的性能
4.实验步骤 实验步骤
失效分析技术
Thank you ！
安姆特检测
PCB/PCBA：起泡、分层、变色，板面氧化腐蚀、开 路/短路、表面污染、漏电，开裂、气孔、电迁移、腐 蚀、桥连等
确认产品失效比例：整批失效or偶然失效
失效现象
例：微电路故障(失效)机理和模式
失效机理 失效模式 表面污染 性能降低 电路连接失败 焊接点破损 电路断开 性能降低
加速因子
空气湿度/ 温度
常见产品失效测试仪器
外观检查 无损分析 电测 开封&制样
光学显微镜、金相显微镜、扫描显微镜 X射线透视仪、扫描声学显微镜、检露仪
探针台、示波器、图示仪、LCR测试仪
开封机、腐蚀机、切割机、研磨机、镶嵌机 SEM、EDS（能谱分析）、透射电子显微镜 俄歇电子能谱仪、二次粒子质谱仪 显微红外热像仪、红外显微镜等
失效分析的原则
先无损再有损
常规的无损检测手段有：X射线透视检查、超声波无损检测、 磁粉探伤等
先电性后物性
常用的电性能检测仪器有：示波器、图示仪、LCR测试仪 （电感、电容、电阻参数测量仪）等
先整体后局部
如断裂失效分析：先对宏观断口进行观察，找到断裂源， 再局部放大，以区分断裂类型
在生产，测试和使用阶段，失效分析可以找出产品失效原 因和引起产品失效好责任方，并依据结果提出改性方法。
产品失效分析流程
失效
现象 X射线透视 无损检查 超声检查 截面抛切 有损检查 开封 去层
失效机理
FA部门 失效原因流程
失效种类
本质失效：在正常使用条件下，由产品自身固有 的原因引起的故障。
结果评估方法—光泽度
◆光泽度：样品的光泽相对于标准板的程度
常用的角度：20°、60°和85°
机械装备的失效分析（续前）第3讲断口分析技术（上）
机械装备的失效分析（续前）第3讲断口分析技术（上）王荣【摘要】Firstly,the three elements of mechanical equipment failure fracture and the basic morphology characteristics of various fractures were introduced.Then,the fracture analysis technique was introduced in detail from the acquisition methods of fracture specimens to the instruments used for fracture analysis.The contents and tasks of fracture macro and micro analysis were summarized.It was exemplified that thorough and detailed macro and micro fracture analysis could help to determine the crack propagation direction,fracture source position, fracture property and second-order failure mode.Finally,some failure cases were cited to showthe importance of fracture analysis technique for the whole failure analysis.%首先介绍了机械装备失效断口的三要素以及各种断口的基本形貌特征。
然后，对于断口分析技术，从断口试样的获取方法到断口分析使用的仪器均进行了详细的介绍，并对断口的宏观分析及微观分析的内容、任务进行了详细归纳和总结；同时举例说明了通过对断口进行深入细致的宏观、微观分析，可以判断裂纹扩展方向、断裂源位置、断裂性质，甚至构件的二级失效模式。
失效分析技术
失效分析专题讲座第四、五、六期失效分析技术傅国如1,2张峥1（1.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100083）（2.北京航空工程技术研究中心，北京100076）摘要：失效分析技术主要包括痕迹分析技术、裂纹分析技术和断口分析技术等相关内容。
本文简要介绍了这三种分析技术的基本概念、主要内容、一般程序和基本方法，以及它们在工程失效分析中的应用。
关键词：失效分析技术；痕迹分析技术；裂纹分析技术；断口分析技术中图分类号：T 文献标示码：A 文章编号：FAILURE ANALYSIS TECHNOLOGYFU Guo-ru1,2Zhang Zheng1(1.School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China)(2.Beijing Aeronautical Technology Research Center, Beijing 100076, China)Abstract: There are trace analysis technology, crack analysis technology and fractography analysis technology in failure analysis technology. The basic concept, principal content, common process and basic means are introduced in this paper. The application of these three techniques in engineering failure analysis was also introduced in this paper.Keywords: Failure Analysis technology; Trace analysis technology; Crack analysis technology; Fractography analysis technology失效分析是一门系统工程，其中的分析技术是其理论和实践基础。
断裂失效分析
机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂失效两大类。
非断裂失效一般包括磨损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化失效等。
断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效其分类比较复杂一般有如下几种: 1按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂2按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂3按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。
在失效分析实践中大都采用这种分类法。
断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手确定断裂失效模式分析研究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件如温度、介质等等之间的关系揭示断裂失效机理、原因与规律进而采取改进措施与预防对策。
从本期起分期介绍韧性、脆性及疲劳三类断裂失效分析的基础知识及典型失效案例分析。
. 韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂即零件断裂之前在断裂部位出现较为明显的塑性变形。
在工程结构中韧性断裂一般表现为过载断裂即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。
在正常情况下机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下一般不会出现韧性断裂失效。
但是由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中存在着众多环节和各种复杂因素因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。
. 工程材料的显微结构复杂特定的显微结构在特定的外界条件如载荷类型与大小环境温度与介质下有特定的断裂机理和微观形貌特征。
金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。
2.2.1 滑移分离韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形而塑性变形的普遍机理是滑移即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。
过量的滑移变形会出现滑移分离其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。
因此有必要对滑移分离加以叙述。
1滑移带晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶称为滑移台阶。
由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。
SEM的断口分析
新材料研究
探索新材料性能
通过断口分析，可以深入了解新材料的断裂行为和性能特点，为 新材料的研发和应用提供依据。
比较不同材料的性能
通过对比不同材料的断口形貌和特征，可以评估和比较不同材料的 性能差异，为材料的选择和应用提供参考。
优化新材料配方和工艺
通过对新材料的断口分析，可以发现材料在制备和加工过程中存在 的问题和不足，进一步优化新材料的配方和工艺条件。
产品质量控制
检测生产过程中的缺陷
在生产过程中，断口分析可以检测到 材料内部的缺陷和异常，及时发现并 纠正生产过程中的问题，从而提高产 品质量。
验证产品性能
优化产品设计
通过对不同设计方案的断口分析，可 以评估和优化产品的设计，提高产品 的可靠性和稳定性。
通过断口分析，可以对产品的性能进 行验证和评估，确保产品达到预期的 性能要求和使用寿命。
02
TEM在断口分析中主要用于观察断口的内部结构、晶界、相界等，可以获得比 SEM更高的分辨率和更深入的内部结构信息。
03
通过TEM分析，可以深入了解断裂机制和断裂原因，为材料改进和优化提供重 要依据。同时，TEM还可以用于分析材料的晶体结构、相组成等，为材料性能 研究和优化提供重要依据。
04
断口分析的应用
断口分析的重要性和意义
重要性
断口分析是揭示材料断裂失效机理的重要手段，通过对断口的观察和分析，可 以深入了解材料的内部结构和性能，为材料的优化设计和改进提供科学依据。
意义
断口分析对于保障工程安全、提高产品质量、推动材料科学的发展都具有重要 的意义。同时，断口分析也是评价材料性能和可靠性、研究材料失效机制的重 要手段，有助于推动相关领域的科技进步。
跨学科合作
断裂失效分析
第一章 断裂失效分析
在机电装备的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。 断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。 目前对断裂行为的研究有两种不同的方法： 一种是断裂力学的方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并 考虑材料内部存在有缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。 另一种是金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚 至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。 而断裂失效分析则是从断口的宏观、微观特征入手，研究断裂 过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条 件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因。它在断裂力学方法和 金属物理方法之间架起联系的桥梁。
失效分析培训
陶春虎
中国航空工业集团公司失效分析中心 北京市81信箱4分箱，100095
引言
• 在机电装备的各类失效分析中以断裂失效最主要，危害最大。因此，
国内外对断裂失效进行了大量的分析研究。断裂失效分析是从裂纹 和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性 能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断 裂失效的原因和规律。 • 环境介质作用下的失效是相当广泛的概念。“环境”是指机电产 品工作现场的气氛、介质和温度等外界条件。金属构件或整个机械 产品的环境失效的主要模式是我们常讲的腐蚀，当然包括“环境” 与应力共同作用下的破坏—如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及液态金 属致脆等。 • 断口的定量分析主要指对断口表面的成分、结构和形貌特征等方 面进行定量参数的测试、描述和表征。通过对疲劳断口定量分析可 得出构件在实际工作中的疲劳裂纹扩展速率，从而能合理地对零部 件进行疲劳寿命估算、可确定构件形成裂纹的时间、评价其制造质 量、估算疲劳应力等。
2.疲劳断裂的宏观分析
典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区， 即疲劳源区、扩展区和瞬断区
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
常见断口的失效分析-2
常见材料失效形式与分析1.概述材料失效分析技术包括：感官检查、断口分析、化学成分分析、力学性能测试、组织分析、无损检测、残余应力测试、结构受力分析、使用维护分析、环境分析等。
其中断口分析是重要的一环。
材料失效形式有断裂、变形、腐蚀、磨损等。
在机械装备的各类失效中以断裂失效最主要、危害最大。
断口是断裂失效中两断裂分离面的简称。
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。
对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式及断裂类型的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索，并且可以作为冲击试验转变温度的确定依据。
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。
本实验的主要内容为：观察不同载荷下失效的金属断口的宏观形貌和微观形貌，掌握其宏观形貌特征和微观形貌特征。
2.实验目的（1）了解拉伸、冲击、疲劳断口各特征区的构成及形貌特征；（2）掌握判定断口承载类型及断裂性质的方法。
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（SCQ-200）一台；（3）拉伸、冲击、疲劳断口试样若干；（4）放大镜一只；（5）吹风机一只；（6）丙酮、无水酒精、导电胶带若干。
4.实验原理4.1断口形貌特征：（1）宏观形貌特征包括断口附近的残留塑性变形特征，如：缩颈量的多少、表面的凹凸程度，有无剪切唇等；断口的光泽和颜色：各区域的颜色及亮、暗程度，氧化腐蚀产物的颜色；断口的形貌特征花样：如纤维状、结晶状、发光小平面、放射线、弧形线等；特征区的位置、分布、面积；材料内部缺陷的痕迹等。
（2）微观形貌特征断口上常见的微观特征有：韧窝，特征包括微孔深度、大小，微孔形态（等轴、剪切、撕裂）等；滑移，具有滑移线、蛇形花样、涟波花样和延伸区（平直区）等特征；解理，包括台阶、河流、舌状、扇形、鱼骨状花样及瓦纳线等特征。
准解理，介于解理断裂与塑性断裂间的一种过渡断裂形式，具有解理小平面、撕裂棱、浅韧窝、涟波花样及延伸区等特征；沿晶断裂，具有岩石状、冰糖状等特征；疲劳，具有条带、二次裂纹、轮胎花样等特征；腐蚀，具有氧化物、腐蚀产物、泥纹等特征。
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4
1.2 断口分析的任务
确定断裂的宏观性质 确定断口的宏观形貌 查找裂纹源区的位置及数量 确定断口的形成过程 确定断裂的微观机制 确定断口表面产物的性质，该产物是否参 与了断裂过程等
5
1.3 断口含义
断口分析是失效分析的基础 断口是指：具备断口的形貌和宏微观特征
30CrMnSiNiA钢脆断断口 1.源区 2.扩展区（内有人字纹） 3.撕裂区
33
2.4 三种断口特征的比较
几种断裂宏观特征
塑性断裂
脆性断裂
疲劳断裂
切断型
正断型
缺口脆性
低温脆性
低周疲劳
高周疲劳
34
断面特征
放射
切断型
不出现，在 高强度钢中 有时出现 不出现
正断型
不出现
缺口脆性
明显
低温脆性
不太明显
弹簧的脆性扭转断口，断面 与轴线成45度
低温拉 伸脆性 断口 （无纤 维区只 有放射 区)
1056钢轴（表面硬化，表面硬度19 60HRC， 心部20HRC）的冲击弯曲过载断裂
断口三要素在断裂失效分析中的应用
裂源位置
裂纹扩展方向 断口上有二或三种要素区时，剪切唇区是最后断 裂区
20
2.2 疲劳断口宏观特征
14
静载荷试样宏观断口三要素
（无缺口）断口三要素示意图
断口实际形貌
15
缺口圆形拉伸试样 断口三要素示意图
冲击断口三要素分布、 形状及位置示意图
16
矩形拉伸试样 断口三要素变 化示意图
17
一次过载断裂-应力取向与宏观断裂路径
圆形试样在拉伸、扭转、压缩与弯曲载荷 下的应力取向与宏观断裂路径
18
38Cr钢 拉伸韧 性断口
按照断裂过程的先后有三个 明显的特征 疲劳源区 扩展区 瞬断区 特点 名义应力远低于屈服，甚 至低于弹性极限 缺陷、表面、形状、环境 敏感性 突然性
分类： （载荷、寿命）低周、 高周 （载荷）轴向疲劳：拉 -拉、拉-压、脉动；弯 曲（单向、双向、旋转） 扭转、振动 （载荷源、环境）机械、 热、高温、腐蚀、接触、 微动等
54
② 金属磨削裂纹正向扩展及辉纹和 二次裂纹形成机制示意图（最大 循环正应力和应变，90°）
裂纹侧剖面 裂纹扩展机制
匹配断面上的辉 纹、二次裂纹和滑 移线
55
表面刀痕 12.5×
内部夹杂物 120×
疲劳源
56
AlZnMg合金锯齿状断口
切向断口--轮胎压痕：突 出质点、突出部分
切向疲劳断口主要微观形貌：
3.5 疲劳断口
裂纹萌生（表面、应力集中处）→裂纹扩展→过载断裂 机制：
Fe-2.9Si合金滑移带“挤出峰”与“挤入槽”及 其引起的显微裂纹（45°）
52
53
扩展机制：切向、正向 ① 切向（最大循环切应 力和应变，45°）扩 展机制示意图
a.“不滑移”模型 （切变） b.“塑性钝化”模型 （尖端塑性流变钝化）
f.4000×
c.900×
d.1000×
e.1200×
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铸镁合金脆性疲劳辉 纹的形貌
依据微观变形： a.延性疲劳辉纹：光滑连续 b.脆性疲劳辉纹：放射解理台 阶分割
60
请仔细辨认易混淆的花样
61
工程中的疲劳断裂
高周疲劳、低周疲劳和高低周复 合疲劳
800×
800×
高低周复合应力疲劳断口的微观形貌 a.多条复合辉纹 b.单条复合辉纹
断口失效分析技术
主要内容
断口、断口分析 断口的宏观特征分析
–一次过载断裂的宏观特征 –宏观断口三要素 –疲劳断口、脆性断口的宏观特征
断口的微观特征分析
–韧窝断口、解理断口、准解理断口、沿晶 断口、 疲劳断口、蠕变断口 、环境敏感断 口
典型断口赏析、实际案例分析
2
一、断口、断口分析
3
1.1 断口分析目的
粗糙的齿状 灰色 ≈ 90 º
极粗糙 白亮色，接 近金属光泽 ≈ 90 º
粗糙 结晶状金属 光泽 ≈ 90 º
缺陷的断口 形态
菊花状平断 口
无区别
不出现
不出现
较不明显， 有时也呈现 出延性断口
在裂纹核心 区，在裂纹 扩展过程中 也会明显出 现 35
三、断口微观特征
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3.1 韧窝断口
工程材料由于过载而发生韧 性断裂时形成的断口，宏 观上为纤维状，微观形态 为韧窝 左图 SEM 5000×
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韧窝形成过程示意图 a.第二相粒子与基体 界面处位错堆集、 界面分离而成微孔 b.微孔长大形成空洞 c.空洞的增殖和连接
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A.正应力:等轴韧窝 B.切应力：方向相反的抛物线 状韧窝 C.撕裂应力：方向相同的抛物 线状韧窝
不同应力状态下形成的韧窝形状
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左图为滑移流变所 形成的蛇行滑移、 涟波、延伸区示 意图 a.自由表面上的 应力分布1为最 大主应力 b.单晶的蛇行滑 移，箭头所指为 滑移面分离，形 成新的表面 c.滑移流变过程： 蛇行滑移→涟波 →模糊、平坦化 →延伸区形成
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1.7 断口分类
按断裂的性质
–韧性断口和脆性断口
按断裂机理
–韧窝断口、解理断口、准解理断口、沿晶断 口、穿晶断口和疲劳断口
按照断裂途径
–沿晶断裂和穿晶断裂二种
按照断裂方式
–正断和切断 –混合断裂
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二、断口的宏观特征
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2.1静载荷断口（过载）
静载荷断口---三要素
–纤维区、放射区和剪切唇 –依据断口上所占的比例可以粗略的评价材料的 性能
–断口（肉眼可观察、具有一定的大小） –裂纹（小断口，有时肉眼无法观察） –二次裂纹：具备和断口一样的性质-- “替补 队员”
6
7
1.4 断口分析的技术手段
断口的常用分析方法是宏观和微观方法
–肉眼、或低倍放大镜或体视显微镜
断口全貌（断口位置、颜色、方向性的标志） 判断裂源位置、数量、断裂类型及性质
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工程中的疲劳断裂
微动磨蚀疲劳－两个紧配合零件表面之 间发生周期性的、幅值极小的相对运动 而造成的磨损腐蚀疲劳
a
b
40CrNiMoA钢旋翼梳状接头耳孔的微动磨蚀 疲劳断口形貌 a.磨蚀坑 b.磨蚀裂纹
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工程中的疲劳断裂
多次冲击疲劳－承受冲击载荷的零件， 如锤杆、凿岩机活塞和钎尾等，其冲 击能量小于一次冲击断裂的能量，经 多次（>1000次）冲击后发生断裂， 称为小能量多次冲击疲劳
18Ni马氏体时效钢应力腐蚀 断口－泥状花样 1000×
氢致沿晶裂纹
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高K穿晶韧窝
中高K准解理韧窝沿晶
低K沿晶撕裂棱 最低K冰糖状 高强度钢氢脆断口示意图 K--裂纹尖端应力强度因子
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液态金属脆断口－钢与某些液态金属接触时 变脆并发生沿晶断裂
30CrMnSiA钢的镉脆断口
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四、典型断口欣赏 实际案例分析
低周疲劳
较明显，板 材有近似人 字纹 疲劳贝纹， 应力幅变动 大时明显 较光滑 白亮色 裂纹扩展速 率小时为直 角（KI型） 大时接近45 º（KII）
高周疲劳
明显且细
贝纹
不出现
不出现
不出现
疲劳贝纹， 但在恒载时 不出现 极光滑 灰黑色 ≈ 90 º
断面粗糙度 色彩 倾角
比较光滑 较弱的金属 光泽 ≈45 º
通过二次解 理形成的解 理台阶
解理裂纹与螺位错相交形成 解理台阶的示意图
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河流花样形成过程示意图
特征2—河流花样
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特征3—舌状花样
解理舌状花样 SEM 2000×
舌状花样的形成示意图
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特征4—鱼骨花样
解理羽毛状花样1000× 鱼骨状花样2000×
特征5—解理扇花样
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3.3 准解理断口
准解理断口2000×
解理小平面上撕裂棱形成过程示意图 a.裂纹形成 b.裂纹长大 c.通过撕裂而连接形成撕裂棱
准解理断口：裂纹扩展不连续；河流（短、弯、大量撕 裂棱）；裂纹源自断裂面内部
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3.4 沿晶断口
沿晶断裂原因主要有： 沿晶界有大量第二相析出 某些杂质元素或某些合金元素的沿晶界偏 聚 环境介质作用 高温与应力作用
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二级涡轮叶片（GH37合金）疲劳断口 形貌源区、扩展区与瞬断区界线明显
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疲劳断裂扩展区的宏观特征
典型的贝壳纹（凸形）
1050钢轴（35HRC）旋转弯曲 疲劳断裂起源于圆周上尖锐 的咬伤槽，疲劳贝纹是凹状 椭圆形
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最终断裂区宏观特征
瞬断区面积的大小取决于载荷大小、材料性质、 环境介质等 瞬断区位置越处于断面的中心部位，表示所受的 载荷越大；瞬断区的位置接近自由表面，则表示 受到的外力较小 通常情况下，瞬断区具有断口三要素的全部特征
具有大应力脉动拉伸疲劳断口形貌
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3.6 蠕变断口-温度和应变速率
某高温合金构件的沿晶蠕变断口 注意：金相特征
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3.7 环境敏感断口
应力腐蚀开裂 和氢脆过程示意 图 （应力阳极开裂同 时伴有氢的释放）
应力腐蚀开裂和氢脆 应力阳极开裂同时伴有氢的释放--应力腐蚀 阴极反应产生氢为金属吸收—氢脆
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工程中的疲劳断裂
热疲劳－环境温度交变循环
4×
400×
铸造高温合金涡轮叶片热疲劳断口
一般为低周、多源、表面龟裂
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工程中的疲劳断裂
接触疲劳－在高接触压力下，相对滚动 或滚动加滑动的零件，在多次重复加载 后发生点蚀或剥落，又称表面疲劳
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