6-断口失效分析技术

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×疲来自源56AlZnMg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
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螺栓断口 93
汽车座椅螺钉断口
–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
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
41
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
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
左图 SEM 5000×
37
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
39
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
蛇行滑移
涟波花样
40
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！！）
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
≈ 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
36
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
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
22
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
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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
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
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请仔细辨认易混淆的花样
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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
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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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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）
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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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
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
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
34
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
其引起的显微裂纹（45°）
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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
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
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
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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
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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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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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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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
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在不同载荷状态下拉－拉（拉－压）疲劳断口宏观 特征示意图
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反复弯曲载荷引起的疲劳断裂
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
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、瞬断区面积大
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
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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
–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
9
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
10
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
性能
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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
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矩形拉伸试样 断口三要素变 化示意图
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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
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