断口分析

X射线衍射仪JSM-6700F场发射扫描电镜JEM-2010透射电镜菲利浦公司生产的TECNAI-20日本电子公司生产的JEM-2010光学显微镜下的照片背散射电子像扫描电镜射照片透射电镜射照片及衍射花样一、什么是断口？断口学？断口：试样或零件在试验或使用过程中断裂后形成的相匹配的表面。（断口是断裂失效中，两断裂分离面的简称）断口学：研究断口的形貌、性质进而分析断裂类型、断裂方式、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断裂原因和断裂机理的科学。二、断口分类1、宏观分类(1)按断口表面宏观变形韧性断口、脆性断口、韧-脆混合断口(2)按断口宏观取向分类正断断口、切断端口、混合断口脆性断裂韧性断裂2、微观分类(1)按断裂路径分类沿晶断裂、穿晶断裂(2)按微观形貌解理断口、准解理断口、韧窝断口、疲劳断口、沿晶断口等三、韧性断裂断裂前发生明显的塑性变形，韧性较好的材料所承受的载荷超过了该材料的强度极限时，就会发生韧性断裂。宏观断口为纤维状。塑性金属光滑圆试样拉伸杯锥状断口是一种常见的韧性断口。该种类型断口通常可分为三个区域，即纤维区、放射区和剪切唇区。§3.1韧窝断口的微观形貌特征韧窝断口的微观形貌特征是一些大小不等的圆形或椭圆形的凹坑-韧窝，在韧窝内经常可以看到夹杂物或第二相粒子。然而并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子，因为夹杂物或粒子分布在两个匹配断口上。此外夹杂物在断裂、运输或超声清洗时也可能脱落。凹坑的形状有等轴韧窝、剪切韧窝和撕裂韧窝三种。其形状取决于应力状态。拉伸断裂在断口上形成等轴状的韧窝等轴韧窝是在拉伸正应力的作用下形成。应力在整个断口表面上是均匀的，显微空洞沿空间三个方向均匀长大，形成等轴韧窝。拉伸形成的等轴韧窝剪切断裂剪切韧窝呈抛物线形。在剪切应力作用下显微空洞沿剪切方向上被拉长。剪切韧窝在两个相匹配的断面上方向相反。剪切方向形成的方向相反的拉长韧窝卵形韧窝是由较大夹杂物或第二相粒子先形成韧窝核，大人在长大过程中其自由表面与一个小韧窝连通，这时小韧窝完全覆盖在大韧窝上，貌似卵形。OvalOval拉伸撕裂撕裂形成的方向相同的拉长韧窝撕裂韧窝也是被拉长了的韧窝，呈抛物线状，是在撕裂应力作用下形成的。撕裂时材料受力的作用，显微空洞各部分受应力不同，沿着受力较大的方向韧窝被拉长。常见于尖端裂纹的尖端及平面应变条件下做低能撕裂的断口。22Cr双相不锈钢板材的冲击断口45钢断口形貌从以上的分析可知：剪切韧窝与撕裂韧窝形状没有什么区别，只从照片上很难区分，必须对断口两侧作对应研究，看凸向是否相同才能确定。§3.2韧窝的尺寸韧窝的尺寸包括它的平均直径和深度。影响韧窝尺寸的主要因素为第二相质点的尺寸、形状、分布，材料本身的相对塑性、变形硬化指数，外加应力、温度等。在金属的韧窝断口中，一般最常见的是尺寸大小各不相等各不相等的韧窝，如大韧窝周围密集着小韧窝的情况。§3.2.1韧窝的尺寸SEMTEM大韧窝周围密集着小韧窝韧窝大小、深浅及数量取决于材料断裂时夹杂物或第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温度。如果夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差则断口上形成的韧窝尺寸较小较浅。反之则韧窝较大较深。成核的密度大、间距小、则韧窝的尺寸小。在材料的塑性及其他试验条件相同的情况下，第二相粒子大，韧窝也大；粒子小，韧窝也小。韧窝的深度主要受材料塑性变相能力的影响。材料的塑性变形能力大，韧窝深度大，反之韧窝深度小。等轴韧窝（SEM）拉长韧窝（TEM）22Cr双相不锈钢冲击微观断口形貌（SEM）第二相粒子第二相粒子金属材料本身的相对塑性以及变形硬化指数的大小直接影响着显微空洞的聚集、连接方式。通常，变形硬化指数越大的材料难以发生内颈缩，将产生更多的显微空洞或通过剪切断裂而连接，因此导致韧窝变小、变浅。受材料本身微观结构和相对塑性的影响，韧窝表现出完全不同的形态和大小。§3.2.2影响韧窝的尺寸因素1.硬化指数弹簧钢浅的锥形韧窝马氏体钢的浅韧窝2.应变速率和温度的影响应变速率和温度通过对材料塑性和硬化指数发生作用而影响韧窝的尺寸；随着温度的增加，韧窝深度增加；对于某些合金，随着应变速率的增加，韧窝的直径增加。3.应变大小和应力状态的影响应力大小和应力状态也通过对材料塑性变形能力的影响间接的影响着韧窝的深度。例如：在高的静水压作用下，有利于内静缩的产生，是显微空洞间基体的剪切断裂减少，这时韧窝的直径变化不大，但是韧窝的深度有较大的增加；而在多向拉伸应力作用下，显微空洞间的基体易于产生剪切断裂，同样韧窝的直径变化不大，而韧窝的深度却减小。§3.2.3韧性断口的诊断1.对材料塑性的判断①柔性系数。一般说来，载荷的柔性系数越小，同一种材料所表现出来的塑性就越大；应变速率越大，温度越低，同种材料所表现出来的塑性就越小。②纤维区、放射区和剪切唇三区的相对大小。纤维区所占的面积比例越大，说明材料塑性越好。③颈缩。颈缩越大材料的塑性越好。④韧窝尺寸。韧窝的尺寸越大（平均直径越大、深度越深），材料的塑性就越好。2.对载荷类型的判断①静拉伸应力造成的韧性断口往往呈杯锥状（圆棒试样）或是呈45℃切断断口，它的塑性变形是以颈缩的方式表现出来。一旦发现颈缩的杯锥状断口或有颈缩45℃方向的切断断口，就可以判断载荷为静拉伸载荷。②静压缩造成的韧性断口呈45℃切断断口形状。③冲击载荷下，由于加载速率很快，试样来不及充分的塑性变形，因此塑性变形不是比较均匀的分布在晶粒中，而是集中在局部区域。断口上通常有剪切唇区，但剪切唇在整个试样周围不完整。四、解理断裂§4.1基本概念定义：解理断裂指晶体材料受拉应力作用沿着某些严格的结晶学平面发生分离的过程，其断口称为解理断口。结晶学平面称为解理面，有时解理面兼作滑移面或孪晶面。用来制造金属结构、桥梁、压力容器的低碳钢材在低温下可能出现冷脆；金属材料晶粒粗大、内部带有缺陷；试件上带有尖锐切口或裂缝，受冲击载荷作用等外部因素；焊接裂纹、焊缝夹杂、气孔严重及焊后热处理条件不当；压力容器在低温或与有害介质接触，环境介质与拉伸应力共同作用而产生的应力腐蚀断口；上述零件的断裂经常呈解理断口，氢脆断口有时也可见到解理断裂。解理断裂通常是在没有觉察到的塑性变形的情况下发生的脆性断裂。体心立方晶系一般沿{100}面解理，也可以沿{110}、{112}、{111}等晶面解理。密排六方晶体常常沿{0001}发生解理。面心立方金属由于有大量滑移系统一般情况不发生解理断裂，但是在特殊情况，例如冬季低温、腐蚀环境或材质较差条件也会发生解理。下面列出了常见金属的解理面。§4.2宏观断口解理断裂前几乎没有塑性变形，断口边缘没有或很少有剪切纯。断口表面一般垂直于最大正应力方向。解理断口宏观形貌特征是结晶状小刻面、“放射状”或“人字形”花样。结晶状小刻面：解理断口上的结晶面宏观上无规则取向，在光线照射下转动断口时呈现许多闪闪发光的小刻面。12Cr1MoV980℃正火+720℃回火GH4037钢的不同受力状态下的宏观断口断口比较平坦，呈颗粒状。断口主要为放射区，有粗糙的放射棱，为典型脆性断口。断面平坦，断口呈颗粒状，也是典型的脆性断口。“放射状”或“人字形”花样：解理断口另一宏观特征是具有放射状条纹或人字条纹。放射条纹的收敛处和人字纹的尖端为裂纹源。“人字纹”形态反映材料性质与加载速度。材料机械性能相同时加载速度越大“人字纹”愈明显。加载速度相同时，材料脆性越大“人字纹”愈明显。生产实际中，尖锐切口或裂缝的金属制件在低温下产生解理断裂大都是宏观的。人字形是宏观脆性断口诊断的重要依据。断口上是否有清晰的人字纹花样出现取决于构件几何形状和断裂位置的其实位置。在板材构件脆性断裂的断口上就经常出现人字纹花样。如果在断口上发现人字纹花样（通过肉眼或借助放大镜或用低倍显微镜），可以说明是脆性性裂的，另外还能够找到断裂的起源—平滑板材断口上人字纹的尖头方向指向断裂源，相反的方向为裂纹的扩展方向。§3.3解理微观形貌特征在实际使用的金属材料中晶阵取向是无序的，鲜理裂缝沿不同取向解埋面扩展过程中裂缝会相交成具有不同特征的花佯。其中最突出最常见的特征是河流花样，另外还有舌状花样．扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳（Wallner）线及二次裂纹。1.河流花样解理裂纹沿晶粒内许多个互相平行的解理面扩展时相互平行的裂纹通过二次解理；与螺位错相交；撕裂或通过基体和孪晶的界面发生开裂而相互连接，由此产生的花样类似河流称为河流花样；如左图。解理裂纹扩展中为减少能量的消耗，河流花样会趋于小河流汇成大河流。根据河流的流向可以判断裂纹扩展方向及由此可以找出裂纹源，如右图。低碳钢解理断口河流花样河流花样形成示意图（1）解理台阶产生机制①两个不在同一个平面上的解理裂纹通过与主解埋面相垂直的二次解理形成解理台结，如图所示．二次解理C103铌合金氩弧焊焊缝断口上的解理台阶②解理裂纹与螺位错相交形成台阶。解理裂纹与螺位错相交产生一个布氏矢量大小的台阶。裂纹扩展过程中如与多个同号螺位错相交，矢量不断叠加，达到一定程度便产生一个能够观察到的台阶。裂纹与异号螺位错相交台阶就抵消或减少。③解理裂纹之间产生较大的塑性变形，通过撕裂方式连接形成台阶。④通过基体和孪晶的界面发生开裂连接形成台阶。（2）河流花样的起源①河流花样起源于有晶面存在的地方：晶界、亚晶界、孪晶界。②河流花样起源于夹杂物或析出相。③河流花样起源于晶粒内部，是由于解理面与螺型位错交截所致。低碳钢拉伸断口河流花样起源于晶界河流花样起源于孪晶界河流花样起源于夹杂河流花样起源于析出相河流花样起源于晶粒内部河流花样在扩展过程中遇到倾斜晶界、扭转晶界和普通大角度晶界时河流形态发生改变。裂纹与小角度倾斜晶界相交时，河流连学地穿过晶界。小角度倾斜晶界是由刃型位错组成。晶界两侧晶体取向差小，两侧晶体的解理面也只是倾斜一个小角度。因此裂纹穿过时河流花样顺延到下一个晶粒。河流通过小角度倾斜界面河流通过小角度扭转界面河流花样穿过扭转晶界时将产生河流的激增。扭转界面又称为孪晶界，两侧晶体以晶界为公共界面旋转了一个角度。因此解理裂纹不能简单的穿过晶界，必须重新形核后才能沿新的解理面扩展。当解理裂纹扩展到大角度晶界（大多数晶界属于大角度晶界）时，由于晶界结构复杂两晶粒之间缺乏连续性，晶粒之间的位向差又很大，这些都使解理裂纹无法连接通过这时裂纹需要重新生核进而扩展，因此有可能在新的晶粒中出现大量的河流，而且河流台阶的高度差很大，这也有可能使原来的河流消失。下图为Fe-Cr-Al耐热合金（1300℃保温100h，炉冷）的冲击断口，在解理断口上显示出解理断裂穿过扭转晶界时河流花样的变化：裂纹由左向右扩展，中间斜交界线为晶界，由于扭转角度较大，在右边晶粒内产生较大台阶，使得裂纹继续扩展。河流通过较大角度扭转晶界舌状花样是在解理面上出现“舌头”状的断裂特征。并不是在所有材料的解理断裂中都能看到舌状花样。体心立方晶体在低温和快速加载时及密排立方金属材料中由于孪生是主要形变形式，断口上经常可见到舌状花样。2.舌状花样舌状花样3.扇形花样当解理裂纹起源于晶界附近的晶内时，河流花样以扇形的方式向外扩展。根据扇形花样可以判断裂纹源及裂纹局部扩展方向。A3钢的扇形河流花样4.鱼骨状花样在体心立方金属材料中例如碳钢、不锈钢有时看到形状类似鱼脊骨的花样。中间脊线是{100}[100]解理造成的，两侧是{100}[100]和{112}[110]解理所引起的花样。5.瓦纳（Wallner）线在非常脆的金属或金属间化合物的断口上，会产生一种叫作瓦纳线的花样。瓦纳线是根据第一位描述玻璃材料断裂图像的作者命名。在这些材料中，不产生塑性变形，而是在弹性范围断裂，开裂方式与晶体结构无关。瓦纳线是裂纹前沿以缺陷为中心的球形冲击波交互作用形成的图像。图中A表示裂纹源，O为缺陷处。当裂纹前沿线与O点缺陷发生的弹性波相遇时，其交点轨迹就是Wallner线花样。6.二次裂纹在解理断口上经常可以看见二次裂纹。二次裂纹扇形解理花样§4.4解理裂纹的萌生解理裂纹萌生的理论基础是位错和孪生变形。材料塑性变形受阻时在强烈变形区域产生应力集中，通过萌生微裂纹释