裂纹与断口分析PPT课件
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金属材料的裂纹与断口分析资料
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基本原则→用尽可能简单的仪器 得到满意的结果!
16
断口形貌观察工具的特性比较
out
17
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。
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。
① 韧性断裂与断口特征
（屈服强度）
机 理
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
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
河海大学力学与材料学院硕士课程
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。 • 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
e. 按环境介质不同分类
out
14
f. 按服役条件分类
失效分析裂纹分析技术ppt课件
3. 裂纹的形貌分析
裂纹的宏观分析 裂纹的微观分析
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
裂纹一般容易产生于尖角、转折或几何尺 寸突然变化处等应力集中部位，受力最大 部位，焊缝熔合区等组织薄弱部位和材料 缺陷处。结合裂纹的外观形貌、张开情况 和匹配情况，可诊断出裂纹的类型和起始 源区。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
裂纹微观分析技术
在微观上，裂纹源区一般均是材料的薄弱环 节，如零件的表面或次表面及应力集中处 和材料缺陷处(有时可见到明显的缺陷)。对 于一条主裂纹，由粗到细的形态就是裂纹 的扩展过程。当存在放射状微裂纹时，其 收敛点位置即为裂纹源。
① 材质原因引起的裂纹
金属的表面缺陷，如夹砂、斑疤、划痕、 折迭、氧化、脱碳和粗晶环等 金属的内部缺陷，如缩孔、气泡、疏橙、 偏析、夹杂物、白点、过热、过烧和发纹 等 不仅本身直接破坏金属的连续性，降低材 料的强度和韧性，而且往往在这些缺陷周 围造成很大的应力集中，使得材料在很低 的平均应力下产生裂纹。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
•裂纹的宏观形貌
常见的裂纹向裂纹 辐射状裂纹 弧形裂纹
① 龟裂纹外观形貌类似于龟壳网络状分布的一类 裂纹。龟裂纹一般是一种表面沿晶裂纹，深度不大。 由于零件表面(或晶界)的成分、组织、性能
裂纹的宏观分析 裂纹的微观分析
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
裂纹一般容易产生于尖角、转折或几何尺 寸突然变化处等应力集中部位，受力最大 部位，焊缝熔合区等组织薄弱部位和材料 缺陷处。结合裂纹的外观形貌、张开情况 和匹配情况，可诊断出裂纹的类型和起始 源区。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
裂纹微观分析技术
在微观上，裂纹源区一般均是材料的薄弱环 节，如零件的表面或次表面及应力集中处 和材料缺陷处(有时可见到明显的缺陷)。对 于一条主裂纹，由粗到细的形态就是裂纹 的扩展过程。当存在放射状微裂纹时，其 收敛点位置即为裂纹源。
① 材质原因引起的裂纹
金属的表面缺陷，如夹砂、斑疤、划痕、 折迭、氧化、脱碳和粗晶环等 金属的内部缺陷，如缩孔、气泡、疏橙、 偏析、夹杂物、白点、过热、过烧和发纹 等 不仅本身直接破坏金属的连续性，降低材 料的强度和韧性，而且往往在这些缺陷周 围造成很大的应力集中，使得材料在很低 的平均应力下产生裂纹。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
•裂纹的宏观形貌
常见的裂纹向裂纹 辐射状裂纹 弧形裂纹
① 龟裂纹外观形貌类似于龟壳网络状分布的一类 裂纹。龟裂纹一般是一种表面沿晶裂纹，深度不大。 由于零件表面(或晶界)的成分、组织、性能
2 裂纹与断口分析
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基本原则→用尽可能简单的仪器 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。
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。
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
37
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。 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 裂纹扩展方向)。
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
断口学ppt课件
9
3.1 断裂宏观理论 3.2 断裂微观理论
10
4.1 断口的制备保存技术
4.1.1 主断口的确定
T型法、分叉法、变形法、氧化颜色法、疲劳扩展区长度法
11
5.1 断裂失效分析思路的思想方法
5.1.1 五个基本原则 整体观念原则—综合所有因素 从现象到本质的原则—寻找断裂原因 动态原则—相对运动状态 纵横交汇原则—不同条件不同表现 全面客观原则
（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
42
43
44
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
23
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.1 韧性断口的宏观特征
24
25
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 滑移分离
26
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝
27
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝形成机理
6.4.1 韧脆转移现象
51
连续性 长度
数量
与轧件表面角度
脱碳情况
单条、一组平行
折叠缺陷、 折叠缺陷与轧件表
轧制折 叠
连续
相对较 长
180°对称出现 面呈现一定角度， 两组平行折叠缺 越是靠近前面机架 陷、互成120° 产生的缺陷，其角
3.1 断裂宏观理论 3.2 断裂微观理论
10
4.1 断口的制备保存技术
4.1.1 主断口的确定
T型法、分叉法、变形法、氧化颜色法、疲劳扩展区长度法
11
5.1 断裂失效分析思路的思想方法
5.1.1 五个基本原则 整体观念原则—综合所有因素 从现象到本质的原则—寻找断裂原因 动态原则—相对运动状态 纵横交汇原则—不同条件不同表现 全面客观原则
（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
42
43
44
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
23
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.1 韧性断口的宏观特征
24
25
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 滑移分离
26
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝
27
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝形成机理
6.4.1 韧脆转移现象
51
连续性 长度
数量
与轧件表面角度
脱碳情况
单条、一组平行
折叠缺陷、 折叠缺陷与轧件表
轧制折 叠
连续
相对较 长
180°对称出现 面呈现一定角度， 两组平行折叠缺 越是靠近前面机架 陷、互成120° 产生的缺陷，其角
金属断口分析 ppt课件
断口（断裂）的基本特征与机理
穿晶韧窝断裂(b)
拉伸撕裂
(c)
断口（断裂）的基本特征与机理
穿晶韧窝断裂
韧窝的大小 ✓韧窝的大小包括平均直径和深度 ✓深度常以断面到韧窝底部的距离来衡量 ✓影响韧窝大小的主要因素为第二相质点的大小、密 度，基体的塑性变形能力，变形硬化指数，外加应力 大小状态以及加载速度等。 ✓通常对于同一种材料，断裂条件相同时，韧窝尺寸 越大，则表明材料的塑性越好。
断口（断裂）的基本特征与机理
滑移分离
滑移的形式 ✓滑移碎化：当一个晶粒产生滑移变形时，它受到相邻晶粒的 束缚而阻止该晶粒的滑移，这样滑动的晶粒随着滑移变形量的 增加而产生硬化现象；另一方面这个晶粒边界的应力场将促进 相邻晶粒的滑移。与此同时，这个晶粒开动了更多的滑移系来 反抗相邻晶粒的阻力，由此产生了多重滑移而引起滑移碎化。 ✓扭折带：在晶体材料滑移变形时，有时出现滑移部分的晶体 相对于基体旋转一定的角度，滑移区域内的滑移线成S形弯曲， 称为扭折带。扭折带两端的晶体区域具有不同的去向，但扭折 带平面总是大致垂直于主要参与滑移的方向。
✓按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等。 ✓按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂等。 ✓按断裂形成过程分类，可分为工艺性断裂和服役性断裂。 如在铸造、锻造、焊接、热处理等过程形成的断裂为工艺性 断裂。
断口（断裂）的基本特征与机理
提纲
1.过载断口宏观特征三要素 2.穿晶韧窝断裂 3.滑移分离 4.解理断裂 5.准解理断裂 6.延晶断裂 7.疲劳断裂
断口（断裂）的基本特征与机理
穿晶韧窝断裂 韧窝的形状
✓韧窝的形状主要取决于所受的应力状态 ✓等轴韧窝：在正应力作用下，显微空洞的周边均匀增长，断 裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。 ✓剪切韧窝：在切应力作用下形成的，拉伸或冲击断口的剪切 唇上，其形状呈抛物线形。匹配断口上抛物线的凸向相反 。 ✓撕裂韧窝：在撕裂应力作用下形成的，尖锐裂纹的前端及平 面应变条件下低能撕裂断口上，也呈抛物线形。但是在匹配断 口上，一对相匹配的撕裂韧窝不但形状相似，而且抛物线的凸 向也相同。 ✓实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存，或在拉长韧窝 的周围有少量的等轴韧窝。
故障分析基础PPT课件
一、 疲劳断裂的基本类型
1．按产生原因分：
机械疲劳：按加载方式可细分为拉压疲劳、弯曲疲 劳、扭转疲劳 热疲劳：温度反复变化引起热应力反复变化，产生 热疲劳。 腐蚀疲劳：在循环应力和腐蚀介质共同作用下产生 的失效。
2．按疲劳寿命分： 高周疲劳：应力较低，应力循环周次很多(>107次) 低周疲劳：应力较高(接近或高于材料的屈服强 度)，应力循环周次较少(102一103次) 在不特别指明的情况下，都是指高周疲劳。
S-N曲线
二、 疲劳断口的宏观形貌特征
宏观断口无明显变形，表现为脆性断口。 疲劳断口一般有三个区：疲劳源区、疲劳扩展区和瞬 断区。
1）疲劳源：
一般在材料有缺陷的地方。 疲劳源可能有多个。经反复挤压摩擦而比较光亮。
2) 裂纹扩展区：
是疲劳裂纹亚临界扩展部分，其典型特征是贝壳花 样(贝纹线、疲劳线)。
其它因素的影响：温度、腐蚀性、荷载频率等因素均对疲劳 强度有影响。其影响程度可通过疲劳试验用相应的影响系数 表示。
2.1.5 环境致断
一、 应力腐蚀断裂 应力腐蚀断裂是合金材料在持久拉应力和特定
的腐蚀环境共同作用下所导致的脆性断裂，断裂前 没有预兆，不易预防，危害性极大。
1．应力腐蚀断裂的特点和影响因素
疲劳裂纹的扩展规律： Paris公式：
3）瞬时断裂区：
疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域。断口粗 糙。靠近中心为平面应变状态的平断口，边缘区为 剪切唇。
三、 疲劳断口的微观形貌特征
疲劳裂纹扩展可分为两个阶段： 第一阶段是由疲劳源开始，与主应力成45°方向扩展，扩展速 度很慢，扩展量很小。第一阶段裂纹逐渐改变方向，转到与主 应力相垂直的方向，进入第二阶段。在此阶段，裂纹扩展是穿 晶的，按解理断裂方式扩展，扩展速度较快，其微观特征是疲 劳条带(疲劳辉纹)。
断口形貌特征ppt课件
精品课件
10
2）电子显微镜断口分析技术
1.透射电镜技术
通常断口凹凸不平，通过复型，利用电子束从样品中透射的电子成象，透射电镜 可以得到高分辨率的电子图象，研究断口的形貌特征。常用倍率为×2000-×30000 ）。
2.扫描电镜技术
扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
各种观察手段结合可以得到较好的结果。
精品课件
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（金）200:1
（扫）500:1
（透）10000:1
（扫）2000:1
凹处暗，凸处亮。 精品课件
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感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
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解理断口的结晶面呈无规则取向，有闪闪发光特征。称发光的小平面为小刻面。 解理断口的另一特征是具有人字状条纹或放射状条纹。容易判断裂源和扩展方向。
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6
3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈 角。
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精品课件
7
4.疲劳断裂 疲劳断口一般可划分三个不同区域：平滑区和“年轮”条纹区和瞬断区。
材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。
韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
精品课件
5
2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断
裂纹与断口分析课件
沿晶腐蚀裂纹（×80）
断口样品的清洗和保存
优点: 景深大、可直接观察断口, 不需制备
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。
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f.按服役条件分类
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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
在某一晶面上扩展的解理裂纹遇到位错等缺陷后受阻，会转移到相邻的晶面上继续扩展，这些面又有高低层次差。 断口形貌宏观上较平整、基本无塑性变形、或变形很小，与解理断口相近似也具有小刻面及放射状条纹等形貌，但其小刻面和放射状 条纹均较细小。
第二节 裂纹分析 韧性断裂和脆性断裂口的微观形貌
准解理断口的微观形貌也近似于解理断口，有台阶、河流、舌状、撕裂脊、准解理面等形貌。 准解理断口的微观形貌也近似于解理断口，有台阶、河流、舌状、撕裂脊、准解理面等形貌。 断口样品的制备与保存
根据断口微观形貌特征可判定断裂的类型，
测定裂纹的扩展速率、断裂过程与影响因素之
断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。
韧性断口宏现形貌
e.按环境介质不同分类 非杯锥状
有外周缺口圆棒试样
将散落断口拼合，测量其几何形状变化，变形量最大的为主裂纹。
将散落断口拼合，测量其几何形状变化，变形量最大的为主裂纹。
晶体解理裂纹转移到孪晶面上扩展一段距离，重新回到(100)面时，突出的挛晶面就会构成舌状花样。
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。 28
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,
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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 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
(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
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
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
29
清洁断口
带油污的断口
30
锈蚀较严重的断口
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在腐蚀环境下断裂的断口
32
3.2 宏观断口分析
断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。通过宏观
低速稳态扩展:﹤5m/s 非稳态快速扩展:＞1Km/s
声速：空气(25℃) 346m/s
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 断裂是较少见的，通常是出现 脆性和韧性的混合型断裂。
金属材料失效分析
（Failure analysis of metallic materials）
第2讲 裂纹与断口分析
1
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
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。
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
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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
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）
23
24
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。
14
f. 按服役条件分类
15
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
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
贝纹花样法
25
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。 • 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
26
美国顺纳德球形储氢压力容器 碎片拼合后的一个视图
• 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
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!
混合型
撕裂韧窝与剪切韧窝 6
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强度）
7
(微观）
(宏观）
8
② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
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
10
b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混
晶
穿
晶
11
c. 按裂纹机制分类
12
13
d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
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。
33
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
34
纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽
韧性断裂
脆性断裂ห้องสมุดไป่ตู้
拉伸试 样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
35
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。
单一滑移系启动
纯剪切断口
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。
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。
贝纹花样法
得到满意的结果!
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断口形貌观察工具的特性比较
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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。
拉伸
18
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
裂纹源附近状况
19
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
展的反方向上(如图) ----多枝型法。
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)
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。
T型法示意图
后生的裂纹是不可能穿越原 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
(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
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
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
29
清洁断口
带油污的断口
30
锈蚀较严重的断口
31
在腐蚀环境下断裂的断口
32
3.2 宏观断口分析
断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。通过宏观
低速稳态扩展:﹤5m/s 非稳态快速扩展:＞1Km/s
声速：空气(25℃) 346m/s
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 断裂是较少见的，通常是出现 脆性和韧性的混合型断裂。
金属材料失效分析
（Failure analysis of metallic materials）
第2讲 裂纹与断口分析
1
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
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。
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
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
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）
23
24
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。
14
f. 按服役条件分类
15
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
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
贝纹花样法
25
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。 • 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。
26
美国顺纳德球形储氢压力容器 碎片拼合后的一个视图
• 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
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!
混合型
撕裂韧窝与剪切韧窝 6
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强度）
7
(微观）
(宏观）
8
② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
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
10
b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混
晶
穿
晶
11
c. 按裂纹机制分类
12
13
d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
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。
33
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
34
纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽
韧性断裂
脆性断裂ห้องสมุดไป่ตู้
拉伸试 样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
35
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。
单一滑移系启动
纯剪切断口
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。
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。
贝纹花样法
得到满意的结果!
16
断口形貌观察工具的特性比较
17
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。
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
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
展的反方向上(如图) ----多枝型法。
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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)
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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。