常見(jiàn)斷口的失效分析-2

1、常見(jiàn)材料失效形式與分析1.概述材料失效分析技術(shù)包括：感官檢查、斷口分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、組織 分析、無(wú)損檢測(cè)、殘余應(yīng)力測(cè)試、結(jié)構(gòu)受力分析、使用維護(hù)分析、環(huán)境分析等。其中斷口分 析是重要的一環(huán)。材料失效形式有斷裂、變形、腐蝕、磨損等。在機(jī)械裝備的各類(lèi)失效中以斷裂失效最 主要、危害最大。斷口是斷裂失效中兩斷裂分離面的簡(jiǎn)稱(chēng)。斷口真實(shí)地記錄了裂紋由萌生、 擴(kuò)展直至失穩(wěn)斷裂全過(guò)程的各種與斷裂有關(guān)的信息。 對(duì)斷口進(jìn)行定性和定量分析， 可為斷裂 失效模式及斷裂類(lèi)型的確定提供有力依據(jù)， 為斷裂失效原因的診斷提供線(xiàn)索， 并且可以作為 沖擊試驗(yàn)轉(zhuǎn)變溫度的確定依據(jù)。 斷口金相學(xué)不僅能在設(shè)備失效后進(jìn)行診斷

2、分析， 還可為新產(chǎn) 品、新裝備投入使用進(jìn)行預(yù)研預(yù)測(cè)。本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容為：觀(guān)察不同載荷下失效的金屬斷口的宏觀(guān)形貌和微觀(guān)形貌，掌握 其宏觀(guān)形貌特征和微觀(guān)形貌特征。2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解拉伸、沖擊、疲勞斷口各特征區(qū)的構(gòu)成及形貌特征；（2）掌握判定斷口承載類(lèi)型及斷裂性質(zhì)的方法。3.實(shí)驗(yàn)裝置及材料（1）掃描電子顯微鏡（ JSM-6390A 型）一臺(tái)；（2）超聲清洗儀（ SCQ-200 ）一臺(tái)；（3）拉伸、沖擊、疲勞斷口試樣若干；（4）放大鏡一只；（5）吹風(fēng)機(jī)一只 ；（6）丙酮、無(wú)水酒精 、導(dǎo)電膠帶若干。4. 實(shí)驗(yàn)原理4.1 斷口形貌特征：（1）宏觀(guān)形貌特征 包括斷口附近的殘留塑性變形特征， 如：縮頸量的

3、多少、 表面的凹凸程度， 有無(wú)剪切唇 等；斷口的光澤和顏色：各區(qū)域的顏色及亮、暗程度，氧化腐蝕產(chǎn)物的顏色；斷口的形貌特 征花樣： 如纖維狀、 結(jié)晶狀、 發(fā)光小平面、 放射線(xiàn)、 弧形線(xiàn)等； 特征區(qū)的位置、 分布、 面積； 材料內(nèi)部缺陷的痕跡等。（2）微觀(guān)形貌特征 斷口上常見(jiàn)的微觀(guān)特征有：韌窩，特征包括微孔深度、大小，微孔形態(tài)（等軸、剪切、 撕裂）等；滑移，具有滑移線(xiàn)、蛇形花樣、漣波花樣和延伸區(qū)（平直區(qū)）等特征；解理，包 括臺(tái)階、河流、舌狀、扇形、魚(yú)骨狀花樣及瓦納線(xiàn)等特征。準(zhǔn)解理，介于解理斷裂與塑性斷 裂間的一種過(guò)渡斷裂形式，具有解理小平面、撕裂棱、淺韌窩、漣波花樣及延伸區(qū)等特征； 沿晶斷裂，具有

4、巖石狀、冰糖狀等特征；疲勞，具有條帶、二次裂紋、輪胎花樣等特征；腐 蝕，具有氧化物、腐蝕產(chǎn)物、泥紋等特征。4.2 斷口的分類(lèi) （1）按斷口表面宏觀(guān)變形分：有：脆性斷口、韌性斷口、韌-脆混合斷口。（ 2）按斷口表面宏觀(guān)取向分：有正斷斷口、切斷斷口、正-切混合斷口。（3）按斷口表面微觀(guān)斷裂路徑分：有沿晶斷口、穿晶斷口。（4）按斷口表面微觀(guān)形貌分：有解理斷口、準(zhǔn)解理斷口、韌窩斷口、疲勞斷口、沿晶斷口等。一般情況下的斷口為混合形貌斷口。例如，同時(shí)存在解理、疲勞和韌窩，或疲勞和韌窩 共存，韌窩和準(zhǔn)解理共存等。有時(shí)宏觀(guān)斷口不同區(qū)域顯示不同類(lèi)型的微觀(guān)形貌。4.3 斷裂類(lèi)型的分類(lèi) 有解理斷裂、準(zhǔn)解理解理斷裂、

5、韌性斷裂、疲勞斷裂、沿晶斷裂等。疲勞斷裂又分為： 機(jī)械疲勞 （應(yīng)力疲勞、 應(yīng)變疲勞、 接觸疲勞）、 腐蝕疲勞、 高溫疲勞、 熱疲勞、 微動(dòng)疲勞等。 沿晶斷裂按原因又分為氫脆、應(yīng)力腐蝕、蠕變、液態(tài)金屬致脆等類(lèi)型。4.4 韌性斷口的特征從宏觀(guān)外貌來(lái)看， 韌性斷口一般分為杯錐狀、 鑿峰狀、 純剪切斷口等。 其中塑性金屬光 滑圓棒試樣拉伸杯錐狀斷口是一種最為常見(jiàn)的韌性斷口。 其基本特征通常表現(xiàn)為三個(gè)特征區(qū) 即纖維區(qū)、 放射區(qū)和剪切唇區(qū)。 這三個(gè)特征區(qū)是斷口的三要素。 纖維區(qū)晶粒呈纖維狀 （或鵝 毛絨狀），顏色發(fā)暗，是裂紋緩慢、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，放射區(qū)是裂紋快速、不穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域，其 特征是放射花樣。 其放射方

6、向與裂紋擴(kuò)展方向平行， 垂直于裂紋前沿， 并逆指向裂紋源。 放 射花樣的形態(tài)分放射纖維、放射剪切兩種。剪切唇是最后斷裂的區(qū)域，其表面較光滑。在不同載荷下， 斷口表面的形態(tài)會(huì)有所不同。 靜拉伸應(yīng)力造成的韌性斷口往往呈杯錐狀（圓棒試樣）或呈 45°切斷斷口，頸縮明顯；靜壓縮應(yīng)力造成的韌性斷口往往呈45°切斷斷口；靜扭轉(zhuǎn)應(yīng)力造成的斷口與扭轉(zhuǎn)軸呈90°表面通常為漩渦狀，裂紋多從表面缺陷處萌生；靜彎曲應(yīng)力造成的斷口存在由中性軸分隔開(kāi)的受拉區(qū)和受壓區(qū)， 斷裂由受拉的一側(cè)向受 壓的一側(cè)進(jìn)行， 伴有顯著的塑性變形并形成剪切唇； 沖擊應(yīng)力造成的缺口塑性變形集中在局 部區(qū)域， 斷口上

7、的纖維成行排列， 每排纖維的法線(xiàn)方向與裂紋擴(kuò)展方向一致。 斷口上通常有 剪切唇，但往往不完整。缺口沖擊試樣的斷口一般存在纖維區(qū)、 放射區(qū)和剪切唇區(qū)。 三個(gè)區(qū)域的相對(duì)比例和分布 取決于材料的塑性。 塑性好的， 整個(gè)斷口只存在纖維區(qū)和剪切唇區(qū)、 塑性差的， 甚至整個(gè)斷 口都為放射區(qū)。 通常裂紋源位于缺口根部的中段亞表面處， 裂紋從源區(qū)穩(wěn)定擴(kuò)展形成纖維區(qū)， 然后失穩(wěn)擴(kuò)展成放射區(qū)，最后形成剪切唇區(qū)。試樣的無(wú)缺口側(cè)有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)二次纖維區(qū)。從微觀(guān)外貌來(lái)看，韌性斷口具有韌窩、滑移的特征。4.5 脆性斷口的特征 脆性斷口的宏觀(guān)特征為：斷口上沒(méi)有明顯的宏觀(guān)塑性變形，斷口相對(duì)齊平并垂直于拉伸 載荷方向，表面常呈晶

8、體學(xué)平面 （解理面 ） 或晶粒外形。解理面色澤較光亮，而晶粒外形或無(wú) 定型的粗糙表面色澤相對(duì)灰暗。 解理面有時(shí)呈放射狀花樣、 人字紋花樣。 放射狀花樣的收斂 處及人字紋的尖頭方向都指向斷裂源，相反的方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。脆性斷口從微觀(guān)晶體破壞的方式可分為穿晶（解理）斷裂和沿晶斷裂。穿晶斷裂的特征 包括：解理臺(tái)階、河流、舌狀、魚(yú)骨狀、扇形花樣及瓦納線(xiàn)等特征。沿晶斷裂具有巖石狀、 冰糖狀等特征。 晶界面多為光滑無(wú)特征形貌， 有的晶界面上也有大量小韌窩或有滑移特征。 4.6 疲勞斷口的特征（1）宏觀(guān)特征典型的疲勞斷口由疲勞源區(qū)、 疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和疲勞裂紋快速擴(kuò)展區(qū) （瞬時(shí)斷裂區(qū)） 三部分組成。疲勞

9、源區(qū)及裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的斷面沒(méi)有明顯的宏觀(guān)塑性變形， 具有疲勞弧線(xiàn)、 放射棱線(xiàn)、 疲勞臺(tái)階等特征。疲勞弧線(xiàn)（貝殼花樣、海灘花樣）是疲勞斷裂最基本的宏觀(guān)特征，但不是 充分、必要判據(jù)。 它是與裂紋擴(kuò)展方向垂直的弧線(xiàn)。 放射棱線(xiàn)方向與裂紋擴(kuò)展方向平行， 逆 向指向疲勞源。 疲勞區(qū)斷口平齊， 表面較光亮， 但多個(gè)疲勞源不在一個(gè)平面時(shí)， 斷口表面較 粗糙。疲勞源一般在樣品的表面或次表面，如果材料內(nèi)部有嚴(yán)重的不連續(xù)性缺陷，疲勞源也可能在樣品內(nèi)部。疲勞源有單個(gè)的，也有多個(gè)的，交變載荷越大、應(yīng)力集中位置越多或應(yīng)力集 中系數(shù)越大，則疲勞源的數(shù)目越多。 疲勞源區(qū)是最早生成的斷口，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋反復(fù)張開(kāi)閉合，

10、引起表面摩擦，因此疲勞源一般較平整光滑。對(duì)于韌性材料，疲勞瞬斷區(qū)斷口一般為剪切斜斷口，斷口表面為灰暗粗糙的纖維狀；對(duì) 于脆性材料，疲勞瞬斷區(qū)斷口一般為平斷口，斷口表面為結(jié)晶狀或放射狀。一般來(lái)說(shuō)，疲勞斷口屬于脆性斷口。（2）疲勞斷裂的微觀(guān)特征如下： 疲勞源源區(qū)（包括裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)第一階段）：由摩擦痕跡、滑移線(xiàn)、解理臺(tái)階、河 流、舌狀花樣、早期疲勞帶、沿晶斷裂等混合形貌組成。 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)第二階段：疲勞條帶是疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段的最重要的顯微特征，也是疲勞斷裂斷口的基本形貌特征；它是判斷斷口為疲勞斷裂的充分判據(jù)，但不是必要判據(jù)。疲勞條帶基本上相互平行，與局部裂紋擴(kuò)展方向垂直。塑性疲勞條帶更光滑、

11、規(guī)則，脆性疲 勞條帶參差不齊、不規(guī)則。一般韌性材料容易形成疲勞條帶，而脆性材料則比較困難。輪胎花樣、平行的多條二次 裂紋帶等也是疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展第二階段常見(jiàn)的微觀(guān)形貌特征。二次裂紋多平行于疲勞條 帶。輪胎花樣也是疲勞斷裂的充分判據(jù)，但不是必要判據(jù)。 疲勞瞬斷區(qū)（裂紋快速擴(kuò)展區(qū)）：此區(qū)一般為混合斷口， 在其與穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)過(guò)渡處通常有 少量疲勞條帶，但較多是韌窩，也可能出現(xiàn)解理、準(zhǔn)解理和沿晶等形貌。5. 實(shí)驗(yàn)方法及步驟（1）樣品制備將各個(gè)斷口置于盛有丙酮溶液的燒杯內(nèi)，在超聲清洗儀內(nèi)清洗， 以去除其附著的氧化物或污染物。（2）斷口形貌觀(guān)察斷口宏觀(guān)分析在放大鏡下和掃描電鏡小于 40倍的條件下對(duì) Di、D

12、2、D3、D4斷口進(jìn)行觀(guān)察，觀(guān)察內(nèi) 容見(jiàn)表1、表2。填寫(xiě)表1、表2。綜合表1、表2數(shù)據(jù)，確定斷口承載類(lèi)型和斷裂類(lèi)型。表1所觀(guān)察金屬斷口的宏觀(guān)形貌特征樣品 代號(hào)樣品材料特征承載類(lèi)型斷裂類(lèi)型D1S135頸縮纖維區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)放射區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)剪切唇粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)D2TC18頸縮結(jié)晶區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)解理區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)D322Gr頸縮纖維區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)放射區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)剪切唇粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)D4S135頸縮疲勞弧線(xiàn)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)裂紋快速擴(kuò)展區(qū)粗糙度凹凸度色澤形貌特點(diǎn)表2所觀(guān)察金屬斷口的微觀(guān)形貌特征樣品 代號(hào)樣品材料特征承載類(lèi)型斷裂類(lèi)型DiS135纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇D2TC18結(jié)晶區(qū)解理區(qū)D322Cr纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇D4S135裂紋源區(qū)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)裂紋快速擴(kuò)展區(qū)6. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析(1) 填寫(xiě)表1、表2;(2) 復(fù)制所觀(guān)察的各斷口宏觀(guān)形貌圖；在Di和D3斷口樣品宏觀(guān)圖像