裂紋與斷口分析

金屬材料失效分析河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院碩士課程第2講裂紋與斷口分析（Failureanalysisofmetallicmaterials）編講：江靜華第一頁，共78頁。2第2講裂紋與斷口分析第一節(jié)裂紋與斷口第二節(jié)裂紋分析第三節(jié)斷口分析第二頁，共78頁。3第一節(jié)裂紋與斷口完整金屬在應(yīng)力作用下,某些薄弱部位發(fā)生局部破裂而形成的一種不穩(wěn)定缺陷。直接破壞材料的連續(xù)性應(yīng)力集中(多數(shù)裂紋尾端較尖銳)

→金屬發(fā)生低應(yīng)力下破壞裂紋(裂縫)實際金屬零件中不可避免存在各種微裂紋?？赡墚a(chǎn)生于工藝或使用過程中,在特定載荷或環(huán)境條件下逐漸產(chǎn)生并逐漸長大,一旦擴展到臨界尺寸,零件即發(fā)生完全破壞—斷裂!通過無損檢測,內(nèi)部有超過按斷裂力學(xué)計算的臨界尺寸的裂紋或缺陷的零件,應(yīng)報廢!

1.1裂紋與斷口的本質(zhì)第三頁，共78頁。4金屬構(gòu)件在應(yīng)力作用下分離為互不相連的兩個或兩個以上部分,斷裂處暴露出的自然表面(即裂紋掃過的面積)稱為斷口。

形貌特征→裂紋擴展留下的痕跡。斷口與斷裂過程有關(guān)信息的直接記錄

(忠實記錄者和見證者)判別失效原因的有利證據(jù)(根據(jù)斷口主裂紋判別裂紋源)第四頁，共78頁。5金屬材料的斷裂過程

三個階段：---裂紋萌生；

---裂紋亞穩(wěn)擴展及失穩(wěn)擴展；

---斷裂。低速穩(wěn)態(tài)擴展:﹤5m/s非穩(wěn)態(tài)快速擴展:＞1Km/s聲速：空氣(25℃)346m/s第五頁，共78頁。

金屬構(gòu)件可能在制造、成形或使用階段的啟裂、萌生裂紋,受不同的環(huán)境因素及承載狀態(tài)的影響而使裂紋擴展直至斷裂。

不同特征的各種類型斷裂!a.按斷裂前變形程度分類完全脆性斷裂和完全韌性斷裂是較少見的，通常是出現(xiàn)脆性和韌性的混合型斷裂。撕裂韌窩與剪切韌窩混合型

1.2斷裂失效形式?第六頁，共78頁。7①韌性斷裂與斷口特征（屈服強度）機理第七頁，共78頁。8(微觀）(宏觀）第八頁，共78頁。9②脆性斷裂與斷口特征Q：何種晶體結(jié)構(gòu)材料易出現(xiàn)脆性斷裂？(宏觀）第九頁，共78頁。10薄板表面薄板側(cè)面-斷口第十頁，共78頁。11b.按裂紋擴展路徑分類沿晶穿晶混晶第十一頁，共78頁。12c.按裂紋機制分類第十二頁，共78頁。13純剪切微孔聚集型斷裂韌窩第十三頁，共78頁。14d.按受力狀態(tài)不同分類e.按環(huán)境介質(zhì)不同分類第十四頁，共78頁。15f.按服役條件分類第十五頁，共78頁。161.3裂紋與斷口

的分析手段

宏觀觀察(肉眼,放大鏡)顯微分析(OMSEMTEM)顯微裂紋←磁力探傷、熒光探傷、超聲波探傷X光探傷和低倍侵蝕等產(chǎn)物分析（EDX\XRD\XPS等）基本原則→用盡可能簡單的儀器得到滿意的結(jié)果!萬能軋機雙排人字齒輪軸劈裂形貌（無損檢測）第十六頁，共78頁。17斷口形貌觀察工具的特性比較第十七頁，共78頁。18第二節(jié)

裂紋分析金屬零件在各種加工過程中產(chǎn)生的裂紋(如:鑄造裂紋、焊接裂紋、白點、熱處理裂紋等),往往是零件的斷裂源。工藝裂紋金屬零件在使用過程中產(chǎn)生的裂紋,如:應(yīng)力腐蝕裂紋(包括氫脆裂紋)、疲勞裂紋和蠕變裂紋。使用裂紋拉伸扭轉(zhuǎn)第十八頁，共78頁。192.1裂紋分析思路與內(nèi)容殘骸拼合、復(fù)原肇事件判斷主裂紋判斷裂紋源位置裂紋源特征裂紋萌生位置裂紋源附近狀況第十九頁，共78頁。202.2主裂紋與裂紋源位置的確定裂紋源通常起源于零件的應(yīng)力集中處,或材料缺陷(裂紋處)。通常主裂紋較二次裂紋寬而長,裂紋源區(qū)一定在主裂紋上,且在二次裂紋擴展的反方向上(如圖)----多枝型法。后生的裂紋是不可能穿越原有的裂紋的,由此可判定相遇裂紋中哪一條為主裂紋--T型法則。多枝型法示意圖T型法示意圖第二十頁，共78頁。21第三節(jié)斷口分析斷口分析思路與步驟

1.斷口樣品的制備與保存

2.斷口的宏觀觀察(判定裂紋源)3.斷口的顯微觀察

4.斷口截面分析

(確定斷裂路徑與組織關(guān)系)5.失效類型確定和失效原因判斷第二十一頁，共78頁。223.1斷口樣品的制備與保存a.斷口樣品的選取b.斷口樣品的切割第二十二頁，共78頁。23判定主裂紋的方法檢驗斷口，氧化最嚴(yán)重區(qū)為最先斷裂區(qū)（主裂紋形成）將散落斷口拼合，測量其幾何形狀變化，變形量最大的為主裂紋。第二十三頁，共78頁。24第二十四頁，共78頁。25判定裂紋源的方法碎塊拼湊法最小應(yīng)變法人字形法放射標(biāo)記法剪切唇法貝紋花樣法構(gòu)件形成裂紋并逐漸裂開后，有效截面越來越小，宏觀變形逐漸增大,通常源區(qū)是幾乎不變的。第二十五頁，共78頁。26碎塊拼湊法從碎塊拼形的大小或密合程度可判別那個是先斷開的。(A裂紋密合程度差，是先斷開的)。當(dāng)表面無應(yīng)力集中,裂紋源區(qū)在兩組“人”字形的匯合處，即“人”字上部指向裂源。若表面有應(yīng)力集中（存在缺口），“人”字下部指向裂源。人字形法第二十六頁，共78頁。27美國順納德球形儲氫壓力容器

碎片拼合后的一個視圖據(jù)斷口人字條紋矢形方向匯集到清掃孔A、B、C處，從而斷定裂紋源于清掃孔處。第二十七頁，共78頁。28放射標(biāo)記法剪切唇法非完全脆性的斷裂就有剪切唇。斷口上只有纖維區(qū)和剪切唇時，裂紋是從試樣中心的纖維區(qū)內(nèi)外擴展的，該情況的材料塑性較好。斷口同時有纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇，則塑性變形限制于裂紋前端區(qū)域內(nèi)。在斷口上若有疲勞的貝紋線，則根據(jù)疲勞條紋的弧線確定疲勞源。貝紋花樣法疲勞斷口的貝紋線，從裂紋源呈放射狀源區(qū)第二十八頁，共78頁。29c.斷口樣品的清洗和保存帶灰塵或其他附著物的斷口第二十九頁，共78頁。30清潔斷口帶油污的斷口第三十頁，共78頁。31銹蝕較嚴(yán)重的斷口第三十一頁，共78頁。32在腐蝕環(huán)境下斷裂的斷口第三十二頁，共78頁。333.2宏觀斷口分析斷口的宏觀分析是斷裂失效分析的基礎(chǔ)。通過宏觀分析，可直接確定斷裂的宏觀表現(xiàn)及其性質(zhì)，以及斷裂源區(qū)的位置、數(shù)量及裂紋擴展方向等。第三十三頁，共78頁。34金屬斷口宏觀分析的依據(jù)主要有：斷口的顏色、花紋、粗糙程度、邊緣情況、位置等。纖維區(qū)吸收大量塑性變形功而喪失金屬光澤靜載拉伸斷口第三十四頁，共78頁。35拉伸試樣的斷口比較脆性斷裂韌性斷裂點狀破裂韌性好第三十五頁，共78頁。36

根據(jù)斷口表面粗糙度及反光情況可以大致判斷斷裂的性質(zhì)。由斷裂前塑性變形量大小及斷口形貌特征，可大體判斷斷裂的類型是韌性的、脆性的還是疲勞斷裂。由裂紋形狀確定斷裂源和裂紋擴展的方向斷口三要素工程構(gòu)件中常出現(xiàn)的兩種韌性斷裂宏觀形貌常發(fā)生在滑移形變不受約束或約束較小的情況。如:平板承受拉伸載荷，薄壁容器過載,器壁承受雙向拉伸載荷。在直徑較大、沒有缺陷及缺口的光滑圓棒試樣慢應(yīng)變拉伸試驗中，當(dāng)材料韌性好，通常出現(xiàn)韌性斷裂。杯錐狀斷口純剪切斷口單一滑移系啟動第三十六頁，共78頁。37韌性斷口宏現(xiàn)形貌

非杯-錐狀有外周缺口圓棒試樣薄板厚板放射區(qū)增加第三十七頁，共78頁。38脆性斷裂的斷口宏觀形貌大多數(shù)是穿晶解理型的，其斷口的宏觀形貌具有兩個明顯的特征:小刻面

由于各晶粒解理面與斷裂面位向不相同，若把斷口放在手中旋轉(zhuǎn)時，將閃閃發(fā)光，像存在許多分鏡面似的。人字條紋或山形條紋隨著裂紋的發(fā)展，由斷裂源點形成的人字紋“或山形紋”變粗(圖中箭頭指示方向為裂紋擴展方向)。第三十八頁，共78頁。39

沿晶斷裂和解理斷裂一般都是脆性斷裂，所以斷口上常能觀察到放射狀特征，對于純沿晶或純解理斷口，將不存在纖維區(qū)及剪切唇區(qū)。

沿晶斷口

在一些具有極粗大晶粒的材料中，其沿晶斷裂的宏觀斷口呈現(xiàn)“冰糖狀”特征。若晶粒很細，須在電子顯微鏡下才能辨認。

解理斷口宏觀形態(tài)除能觀察到放射狀條紋外，還具有結(jié)晶狀形態(tài)，有許多強烈反光的小平面(或稱刻面)。在有些純解理斷口上只有結(jié)晶狀而看不到放射花樣。第三十九頁，共78頁。40疲勞斷口的宏現(xiàn)形貌應(yīng)根據(jù)疲勞條紋的密度、疲勞源區(qū)的光亮度和臺階情況來確定疲勞源的起始次序。

最初疲勞源區(qū)經(jīng)歷交變負荷作用的時間長，疲勞條紋密度大，同時比較光澤明亮。最初疲勞源區(qū)第四十頁，共78頁。41缺口敏感性對疲勞斷口形態(tài)的影響若材料對缺口不敏感→疲勞條紋繞著裂紋源或成為向外凸起的同心形狀

對缺口敏感→疲勞條紋繞著裂源外開始較為平坦，向前擴展一定距離即以反弧形向前擴展。第四十一頁，共78頁。42負荷類型、應(yīng)力集中程度和負荷大小

對疲勞斷口形態(tài)的影響示意圖斷裂區(qū)擴展區(qū)第四十二頁，共78頁。43幾種重要斷裂方式的斷口特征第四十三頁，共78頁。44第四十四頁，共78頁。45沖擊斷口

斷口三要素分布示意圖若材料塑性足夠好，則放射區(qū)完全消失一般情況下，缺口附近先形成纖維區(qū)，然后是放射區(qū)及剪切唇，剪切唇沿?zé)o切口的其它三側(cè)邊分布。擺錘沖擊下，缺口一側(cè)受拉應(yīng)力，另一側(cè)受壓應(yīng)力。整個斷面上受力方向不同，所以當(dāng)受拉應(yīng)力的放射區(qū)進入受壓區(qū)時可能會消失而重新出現(xiàn)纖維區(qū)(如圖所示)。剪切唇纖維區(qū)放射區(qū)第四十五頁，共78頁。46當(dāng)應(yīng)變速率↑、溫度↓時,

絕大多數(shù)材料變得更強但更脆。

溫度越低,剪切唇數(shù)量越少。

高應(yīng)變速率的試樣對應(yīng)的斜面斷裂（剪切唇）較少。沖擊斷口表面中覆蓋的剪切唇（斜面斷裂面）的百分?jǐn)?shù)剪切唇第四十六頁，共78頁。47應(yīng)力腐蝕和氫脆斷口宏觀形貌應(yīng)力腐蝕裂紋源常產(chǎn)生于構(gòu)件表面，斷口的裂紋源及亞臨界擴展區(qū)因介質(zhì)的腐蝕作用而至黑色或灰黑色。

氫脆斷裂

若是冶煉過程中形成氫分子，則當(dāng)鋼水冷卻時常在夾雜物等缺陷處析出或聚集，形成斷口上的“白點”或“魚眼”特征。

若由外界環(huán)境中氫侵入材料后發(fā)生(如酸洗液、電鍍液等)的沿晶斷裂，斷口有放射狀或結(jié)晶狀等脆性特征。

魚眼第四十七頁，共78頁。48白點白點是由于鋼中氫含量過高引起的一種缺陷．第四十八頁，共78頁。49第四十九頁，共78頁。503.3微觀斷口分析

根據(jù)斷口微觀形貌特征可判定斷裂的類型，從裂紋源處查明斷裂原因。它還能進行斷裂失效的定量分析，如進行韌性的定量測量，分析測定裂紋的擴展速率、斷裂過程與影響因素之間的定量關(guān)系等。

斷口微觀形貌中，韌窩、解理花樣、疲勞輝紋等分別是判斷金屬韌性斷裂、解理斷裂和疲勞斷裂的主要依據(jù)分析內(nèi)容：產(chǎn)物分析+形貌分析第五十頁，共78頁。51疲勞條紋沿晶脆性斷裂（×500）解理斷裂（×1000）基本斷裂機制的典型微觀形貌準(zhǔn)解理斷裂（×2000）韌窩斷裂（×2000）第五十一頁，共78頁。52光鏡分析法

可將斷口直接放到顯微鏡下觀察，但必需注意當(dāng)斷口上有尖端或毛刺而妨礙透鏡接近斷口時，可用工具消除以免損傷顯微鏡的鏡頭。

OM分析斷口的特殊技術(shù):

復(fù)型不能進實驗室而又不宜現(xiàn)場觀察的大型破斷零件，或斷口起伏太大而妨礙照相，用復(fù)型可對破斷零件斷口提供永久的記錄。常用的復(fù)型較厚，故較少發(fā)生變形成坍陷。一般制備過程是在斷口上淌上一薄層很粘的醋酸纖維丙酮溶液，然后把一片厚的醋酸纖維膠帶(厚度0．25-0．40mm)用手壓在涂層上，約1min，待干燥后將復(fù)型從斷口上剝離。若要增加反差,可氣相沉積碳或金;要獲得正復(fù)型,可涂上環(huán)氧樹脂再用丙酮溶解掉原復(fù)型。A.主要分析儀器第五十二頁，共78頁。53切片和斷口剖面的研究

斷口附近切片研究有助于確定斷口與破斷件顯微組織之間的關(guān)系，確定裂紋擴展走向是穿晶還是沿晶的,充分顯示裂源部位的顯微組織和裂紋之間的關(guān)系，更有助于分析零件失效的原因。觀察時，為使斷口的棱邊保存下來，常采用鑲嵌方法。在切片鑲嵌之前，若將試樣斷口鍍上鎳，有利于斷口棱邊完好地保存下來。合成氨管道腐蝕失效件斷口切片試樣沿晶腐蝕裂紋（×80）第五十三頁，共78頁。54鍍鎳鍍鎳鎳鎳片低碳鋼管件應(yīng)力腐蝕斷口利用邊緣鍍鎳金相保護觀察純鐵低溫沖擊試驗解理破壞截面邊緣鍍鎳金相保護觀察第五十四頁，共78頁。55TEM分析方法

一次碳復(fù)型通常是在試驗室中的試驗斷口時使用，或是為了對斷口上第二相質(zhì)點或夾雜作電子衍射分析時使用。

二次復(fù)型采用AC紙作過渡故可以不破壞斷口而反復(fù)多次作復(fù)型，因而在失效斷口分析中應(yīng)用更為廣泛。斷口復(fù)型示意圖一次碳復(fù)型二次復(fù)型AC紙第五十五頁，共78頁。56SEM分析方法優(yōu)點:景深大、可直接觀察斷口,不需制備復(fù)型、能從低倍到高倍連續(xù)定點觀察試樣制備試樣尺寸要小，能裝入試樣室。切割時不能擦傷斷口和腐蝕沉積金屬增加二次電子象清晰度。第五十六頁，共78頁。57第五十七頁，共78頁。58俄歇電子能譜儀→分析斷口最有成效的是探測致脆元素，如暴露在斷口晶界面上的銻、鉍、砷、硫、磷等有害元素，因而可研究沿晶斷口晶界脆斷的原因。通過對斷口表面元素的檢測來研究腐蝕引起的失效。第五十八頁，共78頁。59離子探針→斷口表面分析可分析斷口表面的元素分布情況具有探測所有元素的優(yōu)點，檢測靈敏度很高(可達到100ppm含量)→分析沿晶界元素偏聚→分析氫脆斷口的氫含量第五十九頁，共78頁。60解理斷口解理斷裂是指在一定條件下，金屬因受拉應(yīng)力作用而沿某些特定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生分離的過程。多數(shù)解理面是原子密排面。

FCC金屬很少有解理斷口。

低溫、高應(yīng)變率、三向應(yīng)力狀態(tài)的存在(如缺口、裂紋尖端等)、腐蝕環(huán)境中有活性介質(zhì)吸附郁有利于產(chǎn)生解理斷裂。B.金屬斷口的基本顯微形貌第六十頁，共78頁。61

觀察解理斷口的微觀形貌時常能發(fā)現(xiàn)一些韌窩特征。兩解理裂紋相連示意圖解理臺階在某一晶面上擴展的解理裂紋遇到位錯等缺陷后受阻，會轉(zhuǎn)移到相鄰的晶面上繼續(xù)擴展，這些面又有高低層次差。如一組基本上平行而高低不同的解理面上裂紋相互連接，就形成臺階。臺階面是解理面或是孿晶與基體的界面。第六十一頁，共78頁。62河流花樣若干解理臺階組合在一起，合成的條紋，形狀如地圖上的河流，故稱為河流花樣。

上游支流匯合成下游干流。河流的流向為裂紋擴展方向，裂源則位于河流的上游，若沿河流溯流而行可確定斷裂源。從解理臺階上看，河流的下游往往臺階較大，而上游則較小，這是解理斷口最具特色的顯微形貌。第六十二頁，共78頁。63河流花樣解理階的特點支流解理階的匯合方向代表斷裂擴展方向；匯合角的大小同材料的塑性有關(guān)，而解理階的分布面積和解理階的高度同材料中位錯密度和位錯組態(tài)有關(guān)。對河流花樣解理階進行分析，可幫助尋找主斷裂源的位置，判斷金屬的脆性程度，確定晶體中位錯密度和位錯容量。第六十三頁，共78頁。64第六十四頁，共78頁。65舌