6-断口失效分析技术

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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
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82
83
84
f.4000×
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
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）
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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°）
裂纹扩展机制
裂纹侧剖面
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92
螺栓断口 93
汽车座椅螺钉断口
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2.2 疲劳断口宏观特征
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
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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
23
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
≈ 90 º
白亮色
裂纹扩展速 率小时为直 角（KI型） 大时接近45 º（KII）
灰黑色 ≈ 90 º
缺陷的断口 菊花状平断 无区别
形态
口
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
单晶体 由应力诱导解理断 裂(呈脆性)到应变诱 导（伴随大的延性） 解理断裂的转变
＜T c解理 ＞T c塑变后解理
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特征1--解理台阶
1
解理裂纹与螺位错相交形成 解理台阶的示意图
解理台阶的会合 a.异号台阶会合使台阶消失 b.同号台阶会合使台阶增大
通过二次解 理形成的解 理台阶
42
河流花样形成过程示意图
瞬断区
扩展区
主源
GH99轴缺口旋转弯曲疲劳断口宏观 形貌（Nf=3.37×106）多源疲劳
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扭转载荷引起的疲劳断裂
a：正断型，多点起 裂，±45°扩展，邻 裂纹相交（交变拉应 力最大方向） b：剪断型 c：复合型
a
b
C：星3形0
低周疲劳断裂：多源、线状、台阶、瞬Leabharlann Baidu区面积大
40CrMnSiMoVA钢低周疲劳 （Nf＝2.04×105周）断口 断裂起始于缺口根部 源位于表面，多源（径向台阶） 扩展区成月牙形（亮区） 瞬断区呈暗灰色有明显放射线 外围有剪切唇
判断断裂的性质 分析断裂的机理 为进一步分析提供分析基础 提出可能的预防措施
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
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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 具有大应力脉动拉伸疲劳断口形貌
40CrMnSiMoVA钢旋转弯曲疲劳 （Nf＝2.04×105周）断口 1疲劳源区 2扩展区 3瞬断区
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2.3 脆性断口宏观特征
40CrMnSiMoVA钢 脆断宏观断口 1.源区 2.扩展区
40CrMnSiMoVA钢过 热粗晶脆性断口 无剪切唇
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38CrA钢镉脆断口 暗灰色，平齐，无剪切唇
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1Cr1Ni2W2MoV钢缺口旋转弯曲疲劳断裂起始于 断口根部，主源位于1区，2区为扩展区，3为瞬
断区仅占断面1/10且偏离中心
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疲劳载荷类型与宏观断口关系
在不同载荷状 态下的弯曲疲 劳断口宏观特 征示意图
27
在不同载荷状态下拉－拉（拉－压）疲劳断口宏观 特征示意图
28
反复弯曲载荷引起的疲劳断裂
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
46
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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钢中含氮量对断裂方式的影响
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沿晶断口表面树枝状AlN粒子 在马氏体时效钢沿晶断口表 面上Ti(C,N)粒子
38Cr钢 拉伸韧 性断口
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1690HRC， 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
匹配断面上的辉 纹、二次裂纹和滑 移线
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表面刀痕 12.5×
内部夹杂物 120×
疲劳源
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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：
平面状断口（平滑、光亮） 平行锯齿状断口 轮胎花样
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正向疲劳断口的示意图 疲劳平台
疲劳台阶或脊棱 疲劳辉纹
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
38
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
30CrMnSiNiA钢脆断断口 1.源区 2.扩展区（内有人字纹） 3.撕裂区
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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
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断面特征 切断型
正断型
缺口脆性 低温脆性 低周疲劳 高周疲劳
放射 贝纹
不出现，在 高强度钢中 有时出现
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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
a
b
GCr15钢滚珠接触疲劳断口形貌 a.裂纹源区 b.裂纹扩展区（损伤）
40Cr钢回火脆性断口1000× 杂质元素偏聚
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炉胆焊缝：奥氏体+沿晶界析出的σ相
50
高温持久试样断口50×
2Cr12MoV钢淬火裂纹 断口50×
对比：304高温持久试样断口
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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
不出现
不出现 不出现
明显 不出现
断面粗糙度 比较光滑 粗糙的齿状 极粗糙
不太明显 不出现 粗糙
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
明显且细
疲劳贝纹， 但在恒载时 不出现 极光滑
色彩 倾角
较弱的金属 灰色 光泽
≈45 º
≈ 90 º
白亮色，接 近金属光泽
≈ 90 º
结晶状金属 光泽
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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
70
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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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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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
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工程中的疲劳断裂
振动疲劳－共振、颤振和喘振
涡轮叶片振动疲劳试验的断口形貌
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工程中的疲劳断裂
高温疲劳－在交变应力和高温环境同时作 用下产生的疲劳
a.高周疲劳
b.低周疲劳
高温疲劳微观形貌(循 环、时间)
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工程中的疲劳断裂
腐蚀疲劳－腐蚀性环境和交变应力
源区沿晶断面
扩展区辉纹
LC4铝合金腐蚀疲劳断口形貌 疲劳损伤为主 应力腐蚀为主
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
性能
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
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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
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
鱼骨状花样2000×
解理羽毛状花样1000×
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
–用高倍率的放大手段对断口进行观察
8
1.5 确定主断口或主裂纹的方法
依据断裂性质特性确定首断件原则 韧后脆先法 脆性疲劳优先法 疲劳低应力优先
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宏观判断方法
拼凑
变形程度法 氧化颜色观察法 疲劳裂纹长度法
T法
分叉法
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1.6 断口的获得(制备)
加工 清洗 物理覆膜去除外来污染物、氧化皮 化学方法 电解方法 真空方法
伴随辉纹的二次裂纹
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a.2800× b.5000× c.900×
h.2000×
g.500×
a.细密平直辉纹 b.细密弧形辉纹 c.具有孪晶界和二次裂纹的辉纹 d.具有上阶梯和下阶梯状的辉纹 e.具有较多二次裂纹的粗直辉纹 f.具有滑移带的粗曲辉纹 g.高强度钢不规则辉纹和二次裂纹 h.晶界附近的辉纹
–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
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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
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
蛇行滑移
涟波花样
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3.2 解理断口及其微观特征
金属在正应力作用下，由于原子间结合 键的破坏而沿特定的晶面发生的断裂所 形成的断口（温度！！）