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1、金属材料失效分析,河海大学力学与材料学院硕士课程,第2讲 裂纹与断口分析,（Failure analysis of metallic materials）,编讲：江静华,2,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,3,第一节 裂纹与断口,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,裂纹(裂缝),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,
2、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!,1.1 裂纹与断口的本质,4,金属构件在应力作用下分离为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。,断 口,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),5,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。,低速稳态扩展:5m/s 非稳态快速扩展:1Km/s,声速：空气(25)346m/s,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
3、扩展直至断裂。不同特征的各种类型断裂!,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。,撕裂韧窝与剪切韧窝,混合型,1.2 断裂失效形式?,7,韧性断裂与断口特征,（屈服强度）,机理,8,(微观）,(宏观）,9,脆性断裂与断口特征,Q：何种晶体结构材料易出现脆性断裂？,(宏观）,10,薄板表面,薄板侧面-断口,11,b.按裂纹扩展路径分类,沿晶,穿晶,混晶,12,c.按裂纹机制分类,13,纯剪切,微孔聚集型断裂,韧窝,14,d.按受力状态不同分类,e.按环境介质不同分类,15,f.按服役条件分类,16,1.3 裂纹与断口 的分析手段,宏观观察
4、(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（EDXXRDXPS等）,基本原则用尽可能简单的仪器 得到满意的结果!,万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌,（无损检测）,17,断口形貌观察工具的特性比较,18,第二节 裂纹分析,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。,工艺裂纹,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。,使用裂纹,拉伸,扭转,19,2.1 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
5、置,裂纹源特征,裂纹萌生位置,裂纹源附近状况,20,2.2 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。,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型法则。,多枝型法示意图,T型法示意图,21,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,22,3.1 断口样品的制备与保存,a.断口样
6、品的选取,b.断口样品的切割,23,判定主裂纹的方法,检验断口，氧化最严重区为最先断裂区（主裂纹形成）,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。,24,25,判定裂纹源的方法,碎块拼凑法,最小应变法,人字形法,放射标记法,剪切唇法,贝纹花样法,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。,26,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)。,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。,人字形法,27,美国
7、顺纳德球形储氢压力容器碎片拼合后的一个视图,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，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。,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。,贝纹花样法,疲劳断口的贝纹线，从裂纹源呈放射状,源区,29,c.断口样品的清洗和保存,带灰尘或其他附着物的断口,30,清洁断口,带油污的断口,31,锈蚀较严重的断口,32,在腐蚀环境下断裂的断口,33,3.2
8、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。,34,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。,纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽,静载拉伸断口,35,拉伸试样的断口比较,脆性断裂,韧性断裂,点状破裂,韧性好,36,根据断口表面粗糙度及反光情况可以大致判断断裂的性质。由断裂前塑性变形量大小及断口形貌特征，可大体判断断裂的类型是韧性的、脆性的还是疲劳断裂。由裂纹形状确定断裂源和裂纹扩展的方向,断口三要素,工程构件中常出现的两种韧性断裂宏观形貌,常发生在滑移形变不受
9、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。,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。,杯锥状断口,纯剪切断口,单一滑移系启动,37,韧性断口宏现形貌 非杯-锥状 有外周缺口圆棒试样,薄板,厚板,放射区增加,38,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)。,3
10、9,沿晶断裂和解理断裂一般都是脆性断裂，所以断口上常能观察到放射状特征，对于纯沿晶或纯解理断口，将不存在纤维区及剪切唇区。,沿晶断口 在一些具有极粗大晶粒的材料中，其沿晶断裂的宏观断口呈现“冰糖状”特征。若晶粒很细，须在电子显微镜下才能辨认。,解理断口 宏观形态除能观察到放射状条纹外，还具有结晶状形态，有许多强烈反光的小平面(或称刻面)。在有些纯解理断口上只有结晶状而看不到放射花样。,40,疲劳断口的宏现形貌,应根据疲劳条纹的密度、疲劳源区的光亮度和台阶情况来确定疲劳源的起始次序。最初疲劳源区经历交变负荷作用的时间长，疲劳条纹密度大，同时比较光泽明亮。,最初疲劳源区,41,缺口敏感性对疲劳断口
11、形态的影响,若材料对缺口不敏感疲劳条纹绕着裂纹源或成为向外凸起的同心形状 对缺口敏感疲劳条纹绕着裂源外开始较为平坦，向前扩展一定距离即以反弧形向前扩展。,42,负荷类型、应力集中程度和负荷大小 对疲劳断口形态的影响示意图,断裂区,扩展区,43,几种重要断裂方式的断口特征,44,45,冲击断口断口三要素分布示意图,若材料塑性足够好，则放射区完全消失,一般情况下，缺口附近先形成纤维区，然后是放射区及剪切唇，剪切唇沿无切口的其它三侧边分布。摆锤冲击下，缺口一侧受拉应力，另一侧受压应力。整个断面上受力方向不同，所以当受拉应力的放射区进入受压区时可能会消失而重新出现纤维区(如图所示)。,剪切唇,纤维区,
12、放射区,46,当应变速率、温度时,绝大多数材料变得更强但更脆。温度越低,剪切唇数量越少。高应变速率的试样对应的斜面断裂（剪切唇）较少。,冲击断口表面中覆盖的剪切唇（斜面断裂面）的百分数,剪切唇,47,应力腐蚀和氢脆断口宏观形貌,应力腐蚀 裂纹源常产生于构件表面，断口的裂纹源及亚临界扩展区因介质的腐蚀作用而至黑色或灰黑色。,氢脆断裂 若是冶炼过程中形成氢分子，则当钢水冷却时常在夹杂物等缺陷处析出或聚集，形成断口上的“白点”或“鱼眼”特征。若由外界环境中氢侵入材料后发生(如酸洗液、电镀液等)的沿晶断裂，断口有放射状或结晶状等脆性特征。,鱼眼,48,白点,白点是由于钢中氢含量过高引起的一种缺陷,49
13、,50,3.3 微观断口分析,根据断口微观形貌特征可判定断裂的类型，从裂纹源处查明断裂原因。它还能进行断裂失效的定量分析，如进行韧性的定量测量，分析测定裂纹的扩展速率、断裂过程与影响因素之间的定量关系等。,断口微观形貌中，韧窝、解理花样、疲劳辉纹等分别是判断金属韧性断裂、解理断裂和疲劳断裂的主要依据,分析内容：产物分析+形貌分析,51,疲劳条纹 沿晶脆性断裂（500）解理断裂（1000）,基本断裂机制的典型微观形貌,准解理断裂（2000）韧窝断裂（2000）,52,光镜分析法,可将断口直接放到显微镜下观察，但必需注意当断口上有尖端或毛刺而妨碍透镜接近断口时，可用工具消除以免损伤显微镜的镜头。O
14、M分析断口的特殊技术:,复型 不能进实验室而又不宜现场观察的大型破断零件，或断口起伏太大而妨碍照相，用复型可对破断零件断口提供永久的记录。,常用的复型较厚，故较少发生变形成坍陷。一般制备过程是在断口上淌上一薄层很粘的醋酸纤维丙酮溶液，然后把一片厚的醋酸纤维胶带(厚度025-040mm)用手压在涂层上，约1min，待干燥后将复型从断口上剥离。若要增加反差,可气相沉积碳或金;要获得正复型,可涂上环氧树脂再用丙酮溶解掉原复型。,A.主要分析仪器,53,切片和断口剖面的研究 断口附近切片研究有助于确定断口与破断件显微组织之间的关系，确定裂纹扩展走向是穿晶还是沿晶的,充分显示裂源部位的显微组织和裂纹之间
15、的关系，更有助于分析零件失效的原因。观察时，为使断口的棱边保存下来，常采用镶嵌方法。在切片镶嵌之前，若将试样断口镀上镍，有利于断口棱边完好地保存下来。,合成氨管道腐蚀失效件断口切片试样沿晶腐蚀裂纹（80）,54,镀镍,镀镍,镍,镍,片,低碳钢管件应力腐蚀断口利用边缘镀镍金相保护观察,纯铁低温冲击试验解理破坏截面边缘镀镍金相保护观察,55,TEM分析方法,一次碳复型通常是在试验室中的试验断口时使用，或是为了对断口上第二相质点或夹杂作电子衍射分析时使用。二次复型 采用AC纸作过渡故可以不破坏断口而反复多次作复型，因而在失效断口分析中应用更为广泛。,断口复型示意图,一次碳复型,二次复型,AC纸,56
16、,SEM分析方法,优点:景深大、可直接观察断口,不需制备 复型、能从低倍到高倍连续定点观察,试样制备 试样尺寸要小，能装入试样室。切割时不能擦伤断口和腐蚀 沉积金属增加二次电子象清晰度。,57,58,俄歇电子能谱仪分析断口,最有成效的是探测致脆元素，如暴露在断口晶界面上的锑、铋、砷、硫、磷等有害元素，因而可研究沿晶断口晶界脆断的原因。通过对断口表面元素的检测来研究腐蚀引起的失效。,59,离子探针断口表面分析,可分析断口表面的元素分布情况 具有探测所有元素的优点，检测灵敏度很高(可达到100ppm含量)分析沿晶界元素偏聚 分析氢脆断口的氢含量,60,解理断口,解理断裂是指在一定条件下，金属因受拉
17、应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离的过程。多数解理面是原子密排面。,FCC金属很少有解理断口。低温、高应变率、三向应力状态的存在(如缺口、裂纹尖端等)、腐蚀环境中有活性介质吸附郁有利于产生解理断裂。,B.金属断口的基本显微形貌,61,观察解理断口的微观形貌时常能发现一些韧窝特征。,两解理裂纹相连示意图,解理台阶,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。如一组基本上平行而高低不同的解理面上裂纹相互连接，就形成台阶。,台阶面是解理面或是孪晶与基体的界面。,62,河流花样,若干解理台阶组合在一起，合成的条纹，形状如地图上的河流，故称为
18、河流花样。,上游支流汇合成下游干流。河流的流向为裂纹扩展方向，裂源则位于河流的上游，若沿河流溯流而行可确定断裂源。从解理台阶上看，河流的下游往往台阶较大，而上游则较小，这是解理断口最具特色的显微形貌。,63,河流花样解理阶的特点支流解理阶的汇合方向代表断裂扩展方向；汇合角的大小同材料的塑性有关，而解理阶的分布面积和解理阶的高度同材料中位错密度和位错组态有关。对河流花样解理阶进行分析，可帮助寻找主断裂源的位置，判断金属的脆性程度，确定晶体中位错密度和位错容量。,64,65,舌状花样,在BCC金属和合金的解理断口上，常可看到凸出或凹陷的“舌状花样”。晶体解理裂纹转移到孪晶面上扩展一段距离，重新回到
19、(100)面时，突出的挛晶面就会构成舌状花样。这种孪晶主要是前进着的裂缝尖端附近由于塑性形变而形成的机械挛晶。,解理断口,66,扇形花样,有时也称羽毛状，很多材料中，解理面不是等轴的，如裂纹扩展方向与解理面伸长方向致，则可能会形成这种微观特征。,67,青鱼骨花样,在体心立方金属中有时能观察到一种类似鱼骨状的形貌，金属W与Fe-Cr-Al合金中曾发现。中间鱼骨的形成与解理裂纹沿不同晶面和晶向扩展有关。,68,断裂过程中伴有较多塑性变形,断裂性态介于解理断裂和韧窝断裂之间。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。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,69,70,剪切断裂的断口微观形貌,71,72,正交断裂等轴韧窝,73,74,韧性断裂形貌 空洞形成于杂质颗粒处，长大后沿着应力方向拉长成韧窝,75,韧性断裂和脆性断裂口的微观形貌,76,疲劳断裂的断口微观形貌,77,疲劳断裂形貌 图中周期线称为疲劳条纹,78,小 结,断裂源的确定各类断口的宏观特点各类断口的微观特点断口的分析方法,
