常见断口的失效分析-2

常见材料失效形式与分析1.概述材料失效分析技术包括：感官检查、断口分析、化学成分分析、力学性能测试、组织分析、无损检测、残余应力测试、结构受力分析、使用维护分析、环境分析等。其中断口分析是重要的一环。材料失效形式有断裂、变形、腐蚀、磨损等。在机械装备的各类失效中以断裂失效最主要、危害最大。断口是断裂失效中两断裂分离面的简称。断口真实地记录了裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息。对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式及断裂类型的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索，并且可以作为冲击试验转变温度的确定依据。断口金相学不仅能在设备失效后进行诊断分析，还可为新产品、新装备投入使用进行预研预测。本实验的主要内容为：观察不同载荷下失效的金属断口的宏观形貌和微观形貌，掌握其宏观形貌特征和微观形貌特征。2.实验目的（1）了解拉伸、冲击、疲劳断口各特征区的构成及形貌特征；（2）掌握判定断口承载类型及断裂性质的方法。3.实验装置及材料（1）扫描电子显微镜（JSM-6390A型）一台；（2）超声清洗仪（SCQ-200）一台；（3）拉伸、冲击、疲劳断口试样若干；（4）放大镜一只；（5）吹风机一只；（6）丙酮、无水酒精、导电胶带若干。4.实验原理4.1断口形貌特征：（1）宏观形貌特征包括断口附近的残留塑性变形特征，如：缩颈量的多少、表面的凹凸程度，有无剪切唇等；断口的光泽和颜色：各区域的颜色及亮、暗程度，氧化腐蚀产物的颜色；断口的形貌特征花样：如纤维状、结晶状、发光小平面、放射线、弧形线等；特征区的位置、分布、面积；材料内部缺陷的痕迹等。（2）微观形貌特征断口上常见的微观特征有：韧窝，特征包括微孔深度、大小，微孔形态（等轴、剪切、撕裂）等；滑移，具有滑移线、蛇形花样、涟波花样和延伸区（平直区）等特征；解理，包括台阶、河流、舌状、扇形、鱼骨状花样及瓦纳线等特征。准解理，介于解理断裂与塑性断裂间的一种过渡断裂形式，具有解理小平面、撕裂棱、浅韧窝、涟波花样及延伸区等特征；沿晶断裂，具有岩石状、冰糖状等特征；疲劳，具有条带、二次裂纹、轮胎花样等特征；腐蚀，具有氧化物、腐蚀产物、泥纹等特征。4.2断口的分类（1）按断口表面宏观变形分：有：脆性断口、韧性断口、韧-脆混合断口。（2）按断口表面宏观取向分：有正断断口、切断断口、正-切混合断口。（3）按断口表面微观断裂路径分：有沿晶断口、穿晶断口。（4）按断口表面微观形貌分：有解理断口、准解理断口、韧窝断口、疲劳断口、沿晶断口等。一般情况下的断口为混合形貌断口。例如，同时存在解理、疲劳和韧窝，或疲劳和韧窝共存，韧窝和准解理共存等。有时宏观断口不同区域显示不同类型的微观形貌。4.3断裂类型的分类有解理断裂、准解理解理断裂、韧性断裂、疲劳断裂、沿晶断裂等。疲劳断裂又分为：机械疲劳（应力疲劳、应变疲劳、接触疲劳）、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、微动疲劳等。沿晶断裂按原因又分为氢脆、应力腐蚀、蠕变、液态金属致脆等类型。4.4韧性断口的特征从宏观外貌来看，韧性断口一般分为杯锥状、凿峰状、纯剪切断口等。其中塑性金属光滑圆棒试样拉伸杯锥状断口是一种最为常见的韧性断口。其基本特征通常表现为三个特征区,即纤维区、放射区和剪切唇区。这三个特征区是断口的三要素。纤维区晶粒呈纤维状（或鹅毛绒状），颜色发暗，是裂纹缓慢、稳定扩展区，放射区是裂纹快速、不稳定扩展区域，其特征是放射花样。其放射方向与裂纹扩展方向平行，垂直于裂纹前沿，并逆指向裂纹源。放射花样的形态分放射纤维、放射剪切两种。剪切唇是最后断裂的区域，其表面较光滑。在不同载荷下，断口表面的形态会有所不同。静拉伸应力造成的韧性断口往往呈杯锥状（圆棒试样）或呈45°切断断口，颈缩明显；静压缩应力造成的韧性断口往往呈45°切断断口；静扭转应力造成的断口与扭转轴呈90°表面通常为漩涡状，裂纹多从表面缺陷处萌生；静弯曲应力造成的断口存在由中性轴分隔开的受拉区和受压区，断裂由受拉的一侧向受压的一侧进行，伴有显著的塑性变形并形成剪切唇；冲击应力造成的缺口塑性变形集中在局部区域，断口上的纤维成行排列，每排纤维的法线方向与裂纹扩展方向一致。断口上通常有剪切唇，但往往不完整。缺口冲击试样的断口一般存在纤维区、放射区和剪切唇区。三个区域的相对比例和分布取决于材料的塑性。塑性好的，整个断口只存在纤维区和剪切唇区、塑性差的，甚至整个断口都为放射区。通常裂纹源位于缺口根部的中段亚表面处，裂纹从源区稳定扩展形成纤维区，然后失稳扩展成放射区，最后形成剪切唇区。试样的无缺口侧有时还会出现二次纤维区。从微观外貌来看，韧性断口具有韧窝、滑移的特征。4.5脆性断口的特征脆性断口的宏观特征为：断口上没有明显的宏观塑性变形，断口相对齐平并垂直于拉伸载荷方向，表面常呈晶体学平面(解理面)或晶粒外形。解理面色泽较光亮，而晶粒外形或无定型的粗糙表面色泽相对灰暗。解理面有时呈放射状花样、人字纹花样。放射状花样的收敛处及人字纹的尖头方向都指向断裂源，相反的方向为裂纹扩展方向。脆性断口从微观晶体破坏的方式可分为穿晶（解理）断裂和沿晶断裂。穿晶断裂的特征包括：解理台阶、河流、舌状、鱼骨状、扇形花样及瓦纳线等特征。沿晶断裂具有岩石状、冰糖状等特征。晶界面多为光滑无特征形貌，有的晶界面上也有大量小韧窝或有滑移特征。4.6疲劳断口的特征（1）宏观特征典型的疲劳断口由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和疲劳裂纹快速扩展区（瞬时断裂区）三部分组成。疲劳源区及裂纹稳定扩展区的断面没有明显的宏观塑性变形，具有疲劳弧线、放射棱线、疲劳台阶等特征。疲劳弧线（贝壳花样、海滩花样）是疲劳断裂最基本的宏观特征，但不是充分、必要判据。它是与裂纹扩展方向垂直的弧线。放射棱线方向与裂纹扩展方向平行，逆向指向疲劳源。疲劳区断口平齐，表面较光亮，但多个疲劳源不在一个平面时，断口表面较粗糙。疲劳源一般在样品的表面或次表面，如果材料内部有严重的不连续性缺陷，疲劳源也可能在样品内部。疲劳源有单个的，也有多个的，交变载荷越大、应力集中位置越多或应力集中系数越大，则疲劳源的数目越多。疲劳源区是最早生成的断口，在裂纹扩展过程中，裂纹反复张开闭合，引起表面摩擦，因此疲劳源一般较平整光滑。对于韧性材料，疲劳瞬断区断口一般为剪切斜断口，断口表面为灰暗粗糙的纤维状；对于脆性材料，疲劳瞬断区断口一般为平断口，断口表面为结晶状或放射状。一般来说，疲劳断口属于脆性断口。（2）疲劳断裂的微观特征如下：①疲劳源源区（包括裂纹稳定扩展区第一阶段）：由摩擦痕迹、滑移线、解理台阶、河流、舌状花样、早期疲劳带、沿晶断裂等混合形貌组成。②裂纹稳定扩展区第二阶段：疲劳条带是疲劳裂纹扩展第二阶段的最重要的显微特征，也是疲劳断裂断口的基本形貌特征；它是判断断口为疲劳断裂的充分判据，但不是必要判据。疲劳条带基本上相互平行，与局部裂纹扩展方向垂直。塑性疲劳条带更光滑、规则，脆性疲劳条带参差不齐、不规则。一般韧性材料容易形成疲劳条带，而脆性材料则比较困难。轮胎花样、平行的多条二次裂纹带等也是疲劳裂纹稳定扩展第二阶段常见的微观形貌特征。二次裂纹多平行于疲劳条带。轮胎花样也是疲劳断裂的充分判据，但不是必要判据。③疲劳瞬断区（裂纹快速扩展区）：此区一般为混合断口，在其与稳定扩展区过渡处通常有少量疲劳条带，但较多是韧窝，也可能出现解理、准解理和沿晶等形貌。5.实验方法及步骤（1）样品制备将各个断口置于盛有丙酮溶液的烧杯内，在超声清洗仪内清洗，以去除其附着的氧化物或污染物。（2）断口形貌观察①断口宏观分析在放大镜下和扫描电镜小于40倍的条件下对D1、D2、D3、D4断口进行观察，观察内容见表1、表2。填写表1、表2。综合表1、表2数据，确定断口承载类型和断裂类型。表1所观察金属断口的宏观形貌特征样品代号样品材料特征承载类型断裂类型D1S135颈缩纤维区粗糙度凹凸度色泽形貌特点放射区粗糙度凹凸度色泽形貌特点剪切唇粗糙度凹凸度色泽形貌特点D2TC18颈缩结晶区粗糙度凹凸度色泽形貌特点解理区粗糙度凹凸度色泽形貌特点D322Gr颈缩纤维区粗糙度凹凸度色泽形貌特点放射区粗糙度凹凸度色泽形貌特点剪切唇粗糙度凹凸度色泽形貌特点D4S135颈缩疲劳弧线裂纹稳定扩展区粗糙度凹凸度色泽形貌特点裂纹快速扩展区粗糙度凹凸度色泽形貌特点表2所观察金属断口的微观形貌特征样品代号样品材料特征承载类型断裂类型D1S135纤维区放射区剪切唇D2TC18结晶区解理区D322Cr纤维区放射区剪切唇D4S135裂纹源区裂纹稳定扩展区裂纹快速扩展区6.实验数据处理及结果分析（1）填写表1、表2；（2）复制所观察的各断口宏观形貌图；在D1和D3断口样品宏观图像上标出纤维区、放射区、剪切唇的位置；在D2断口样品宏观图像上标出结晶区、解理区的位置；在D4断口样品宏观图像上标出裂纹源区、裂纹稳定扩展区和裂纹快速扩展区的位置。（3）复制采集的各断口及其各区域的微观形貌图；指出其微观特征。7.思考题D1和D4断口样品材料皆为S135，也都有放射区，但前者放射区的微观形貌主要表现为韧性断裂特征，后者放射区的微观形貌主要表现为脆性断裂特征，其原因为何？