裂纹与断口分析ppt课件

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
源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。
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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
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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
最初疲劳源区
度大，同时比较光泽明亮。 40
缺口敏感性对疲劳断口形态的影响
若材料对缺口不敏感→疲劳条纹绕着裂纹源或成为向外凸起的同心形状
out
对缺口敏感→疲劳条纹绕着裂源外开始较为平坦，向前扩展一定
距离即以反弧形向前扩展。
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负荷类型、应力集中程度和负荷大小 对疲劳断口形态的影响示意图
断裂区
扩展区
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。
out
42
几种重要断裂方式的断口特征
out
43
out
44
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)。
沿 晶
混
晶
穿
晶
out
11
c. 按裂纹机制分类
out
12
out
13
d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
out
14
f. 按服役条件分类
out
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1.3 裂纹与断口 的分析手段
万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌
宏观观察 ( 肉眼, 放大镜) 显微分析 ( OM SEM TEM) 显微裂纹←磁力探伤、荧光探伤、超声波探伤
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36
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。
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3.3 微观断口分析
分析内容：产物分析 + 形貌分析
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 out
解理断口 宏观形态除能观察到放
射状条纹外，还具有结晶状形态，
有许多强烈反光的小平面(或称刻
面)。在有些纯解理断口上只有结
out
晶状而看不到放射花样。
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疲劳断口的宏现形貌
应根据疲劳条纹的密度、 疲劳源区的光亮度和台阶情况 来确定疲劳源的起始次序。
最初疲劳源区经历交变负
out
荷作用的时间长，疲劳条纹密
合成氨管道腐蚀失效件
断口切片试样
out
沿晶腐蚀裂纹（×80）
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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
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TEM分析方法
一次碳复型
通常是在试验室中
的试验断口时使用，
或是为了对断口上
第二相质点或夹杂
作电子衍射分析时
使用。
纤维区
out 若材料塑性足够好，则放射区完全消失
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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。
温度越低,剪切唇数量越少。
高应变速率的试样对应的斜面 断裂（剪切唇）较少。
out
冲击断口
表面中覆盖的剪切唇
（斜面断裂面）的百分数
剪切唇
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应力腐蚀和氢脆断口宏观形貌
应力腐蚀 裂纹源常产生于构件表面，断口 的裂纹源及亚临界扩展区因介ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的腐蚀作用 而至黑色或灰黑色。
低速稳态扩展:﹤5m/s 非稳态快速扩展:＞1Km/s
声速：空气(25℃) 346m/s out
5
金属构件可能在制造、成形或使用阶段 的启裂、萌生裂纹, 受不同的环境因素及承 载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。
不同特征的各种类型断裂!
1.2 断裂失效形式 ?
a. 按断裂前变形程度分类 完全脆性断裂和完全韧性
• 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
out 全破坏—断裂! 通过无损检测,内部有超过按断裂力学计算
的临界尺寸的裂纹或缺陷的零件,应报废!
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
out
裂纹扩展方向)。
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沿晶断裂和解理断裂一般都是脆性断裂，所以 断口上常能观察到放射状特征，对于纯沿晶或纯解 理断口，将不存在纤维区及剪切唇区。
沿晶断口 在一些具有极粗大晶粒 的材料中，其沿晶断裂的宏观断口 呈现“冰糖状”特征。若晶粒很细， 须在电子显微镜下才能辨认。
X光探伤和低倍侵蚀 等 产物分析（EDX\XRD\XPS等）
基本原则→用尽可能简单的仪器
out
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。
使用裂纹 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。
(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
21
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
22
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
23
out
24
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 28
c. 断口样品的清洗和保存
带灰尘或其他附着物的断口
out
29
清洁断口
带油污的断口 out
30
锈蚀较严重的断口
out
31
在腐蚀环境下断裂的断口
out
32
3.2 宏观断口分析
out
若要增加反差,可气相沉积碳或金;要获得正复型,可涂上环
氧树脂再用丙酮溶解掉原复型。
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切片和断口剖面的研究
断口附近切片研究有助于确定断口与破断件 显微组织之间的关系，确定裂纹扩展走向是穿晶还 是沿晶的, 充分显示裂源部位的显微组织和裂纹之 间的关系，更有助于分析零件失效的原因。
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。
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
out
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．
out
48
out
50
基本断裂机制的 典型微观形貌
疲劳条纹
沿晶脆性断裂（×500）
解理断裂（×1000 ）
out
准解理断裂（×2000）
韧窝断裂（×2000 ）
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A. 主要分析仪器
可将断口直接放到显微镜下观察，但必需注意 当断口上有尖端或毛刺而妨碍透镜接近断口时，可用 工具消除以免损伤显微镜的镜头。
OM分析断口的特殊技术: 光镜分析法
out
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out
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俄歇电子能谱仪→分析断口
最有成效的是探测致脆元素，如暴露在 断口晶界面上的锑、铋、砷、硫、磷等 有害元素，因而可研究沿晶断口晶界脆 断的原因。
通过对断口表面元素的检测来研究腐蚀 引起的失效。
out
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离子探针→断口表面分析
可分析断口表面的元素分布情况 具有探测所有元素的优点， 检测灵敏度很高(可达到100ppm含量)
拉伸试 样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
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根据断口表面粗糙度及反光情况可以大致
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。
→分析沿晶界元素偏聚 →分析氢脆断口的氢含量
out
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B. 金属断口的基本显微形貌
解理断口
解理断裂是指在一定条件下， 金属因受拉应力作用而沿某些特定 的结晶学平面发生分离的过程。多 数解理面是原子密排面。
AC纸
二次复型
采用AC纸作过渡故 可以不破坏断口而 反复多次作复型， 因而在失效断口分 out 析中应用更为广泛。
一次碳复型
断口复型示意图
二次复型
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SEM分析方法
优点: 景深大、可直接观察断口, 不需制备 复型、能从低倍到高倍连续定点观察
试样制备 试样尺寸要小，能装入试样室。 切割时不能擦伤断口和腐蚀 沉积金属增加二次电子象清晰度。
3
金属构件在应力作用下分离为
断 口 互不相连的两个或两个以上部分,断
裂处暴露出的自然表面(即裂纹扫过 的面积)称为断口。
形貌特征→裂纹扩展留下的痕迹。
•与断裂过程有关信息的直接记录 (忠实记录者和见证者)
• 判别失效原因的有利证据 (根据断口主裂纹判别裂纹源)
out
4
金属材料的断裂过程
三个阶段：---裂纹萌生； ---裂纹亚稳扩展及失稳扩展； ---断裂。
断裂是较少见的，通常是出现 脆性和韧性的混合型断裂。
out
混合型
撕裂韧窝与剪切韧窝
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强度）
out
7
(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
out
拉伸
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扭转
2.1 裂纹分析思路与内容
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
out
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
• 复型 不能进实验室而又不宜现场观察的大型 破断零件，或断口起伏太大而妨碍照相，用复型 可对破断零件断口提供永久的记录。
常用的复型较厚，故较少发生变形成坍陷。一般制备过程
是在断口上淌上一薄层很粘的醋酸纤维丙酮溶液，然后把一片
厚的醋酸纤维胶带(厚度0．25-0．40mm)用手压在涂层上，约
1min，待干燥后将复型从断口上剥离。
展的反方向上(如图) ----多枝型法。
多枝型法示意图
T型法示意图
后生的裂纹是不可能穿越原
out
有的裂纹的, 由此可判定相遇裂
纹中哪一条为主裂纹 --T型法20则。
第三节 断口分析
断口分析思路与步骤
1. 断口样品的制备与保存 2. 断口的宏观观察(判定裂纹源) 3. 断口的显微观察 4. 断口截面分析
判定裂纹源的方法
最小应变法
碎块拼凑法 人字形法
放射标记法 剪切唇法
构件形成裂纹并逐渐 裂开后，有效截面越来 越小，宏观变形逐渐增 大, 通常源区是几乎不 变的。
贝纹花样法
out
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碎块拼凑法
从碎块拼形的大小或 密合程度可判别那个是先 断开的。(A裂纹密合程度 差，是先断开的) 。
人字形法
• 当表面无应力集中, 裂纹源区在两组“人”字形的汇 合处，即“人”字上部指向裂源。
out
• 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
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美国顺纳德球形储氢压力容器 碎片拼合后的一个视图
out
据断口人字条纹矢形方向 汇集到清扫孔A、B、C处，从而
断定裂纹源于清扫孔处。 27
放射标记法
剪切唇法
非完全脆性的断裂就有剪切唇。 断口上只有纤维区和剪切唇时， 裂纹是从试样中心的纤维区内外扩展 的，该情况的材料塑性较好。 断口同时有纤维区、放射区和剪 切唇，则塑性变形限制于裂纹前端区 域内。