断口分析技术

1第七章断口分析技术§1断口试样的选取§2断口的一般分析技术§3断口的特殊分析技术2§1断口试样的选取一、主裂纹与二次裂纹的判别1、T型法若一个构件上产生两条裂纹或几个碎片合拢起来，其裂纹构成“T”型，通常情况下，横穿裂纹A为首先开裂的，这时可以认为A裂纹阻碍了裂纹B的扩展，A为主裂纹，B为二次裂纹，裂源位置可能O在O’或处32、分叉法一般情况下，裂纹分叉的方向为裂纹扩展方向，其反方向指向裂纹源O点处。即分叉裂纹为二次裂纹（B、C、D），汇合裂纹为主裂纹A。43、变形法根据变形量的大小来判别。变形量大的部位为主裂纹A，其它部位为二次裂纹，裂源在主裂纹所形成的断口上。54、氧化法根据材料在环境介质中发生氧化或腐蚀的现象确定。氧化或腐蚀严重的部位是主裂纹部位，较轻的部位是二次裂纹部位，裂源在主裂纹的表面处。65、贝纹线法:适用于疲劳断裂一般来说，脆断用T型法、分叉法来判别主裂纹韧断用变形法来判别主裂纹环境断裂用氧化法来判别主裂纹疲劳断裂用贝纹线法来判别主裂纹78二、裂纹源及裂纹扩展方向的判别裂源位置的判别裂源位置：材料表面材料次表面材料内部：夹渣、气孔等地应力集中处：尖角、油孔、凹槽及划痕等裂源的判别方法：利用断口宏观形貌特征来判别1、断口三要素:纤维区中心放射线或人字纹收敛处无剪切唇处92、疲劳断口：裂源位于平滑区疲劳前沿线曲率半径最小处3、环境断裂：裂源位于氧化或腐蚀最严重的表面或次表面10显微裂纹局部扩展方向的判别1、韧窝裂纹撕裂韧窝的抛物线方向2、解理裂纹河流花样的合并方向扇形花样的发散方向台阶高度增加方向11123、疲劳裂纹与疲劳辉纹相垂直的方向轮胎压痕间距增大的方向13§2断口的一般分析技术一、宏观断口分析技术指用肉眼、放大镜、体视显微镜等来观察分析断口的宏观形貌特征的一种方法。二、微观断口分析技术扫描电子显微镜光学显微镜透射电子显微镜14断口分析的主要技术手段分析手段放大倍数功能肉眼检查放大镜体视显微镜1-101-100对断口形貌有一全面了解，用于分析断裂原因，但不能判明断口的精细结构可确定裂纹起点及扩展途径，为微观分析确定最重要途径金相显微镜50-500除上述功能外，利用其焦深浅和易调动焦距可测定凹凸高度差，疲劳条纹间距，裂纹形态，但对断口形貌难作详细观察。分辨率＞0.2μ透射电子显微镜1千-几十万焦深大，能观察其一次复型或二次复型凹凸不平的表面，分辨率高，成象质量好，不必破坏断口。但不能在低倍下作扫描观察扫描电子显微镜5-20万可直接扫描断口，也可以用复型法观察，放大倍数可在一定范围内连续变化，高低倍比较具有方便、直接快速的优点。但分辨率不如TEM，样品尺寸受限制，有时要破坏15§3断口特殊分析技术一、断口的腐蚀坑分析技术1、腐蚀坑的类型位错腐蚀坑位向腐蚀坑锗中形成小角度晶界的位错腐蚀坑电子束熔炼钨的解理面腐蚀坑162、产生原因晶体材料在一定的腐蚀介质中腐蚀溶解具有选择性和各向异性选择性：一般情况下，均选择在晶体材料的低指数平面，如立方系的｛100｝、｛110｝、｛111｝｛112｝等各向异性：腐蚀溶解是各向同性，则其腐蚀溶解体积将呈一个圆锥体若腐蚀溶解是各向异性，则其腐蚀溶解体积将呈一个角锥体（多面体）3、几何形状依赖于材料的晶体结构，即晶体结构不同，腐蚀坑的几何形状也不相同17如：立方晶系的金属或合金，优先被腐蚀溶解的晶面通常是100、110、111等，腐蚀坑实质上就是由这些低指数晶面所围成的多面体，若腐蚀坑都是由｛100｝晶面所围成，则这个多面体为正六面体若腐蚀坑都是由｛111｝晶面所围成，则这个多面体为正八面体若腐蚀坑都是由｛110｝晶面所围成，则这个多面体为十二面体有时出现不同晶面为界面的多面体，如100+110、100+111、100+110+111，则腐蚀坑的几何形状各异六面体二十六面体十八面体十二面体八面体十四面体184、腐蚀坑分析技术就是利用腐蚀坑溶解体积的几何参数与晶面指数之间的关系，来分析研究晶体取向的一种简单测试技术具体应用：◆解理面的确定◆应力腐蚀断裂开裂面的确定◆解理断裂中裂纹扩展方向◆疲劳断裂中疲劳裂纹扩展方向局限性：适用于结晶学断裂，而非结晶学断裂（塑性变形较大的断裂），不能应用腐蚀坑技术来分析研究其位向关系19解理台阶的蚀坑河流花样的蚀坑20二、断口的定量分析技术1、定量分析内容断口电子图象中特征花样的定量分析如：韧窝大小、解理程度、第二相分布等断口形貌参数与断裂力学参量之间关系的定量分析如：疲劳辉纹间距与△K之间的关系212、定量分析方法点截法（网格法）特征形貌的定量测量值n%=断口形貌特征点数÷总的点数线截法特征平均尺寸（面积、体积、大小）=直线总长度÷直线所截取特征花样的总个数点截法线截法223、疲劳断口的定量分析疲劳辉纹间距S与应力强度因子变化△K及疲劳裂纹扩展速率da/dN的关系S=C(△K)nda/dN=A(△K)nS～△K～da/dN23其它分析方法断口浮突测量技术：解理台阶的高度滑移台阶的高度断口的分形（fractal）分析技术2425第八章断裂失效分析§1材料在加工过程中的断裂§2实际构件的失效分析26§1材料在加工过程中的断裂加工过程中材料开裂的现象27断裂形式：按金属制品裂纹产生的部位：表面开裂内部开裂按塑性加工方式：轧制开裂挤压（拉拔）开裂锻造开裂断裂原因：◆塑性变形不均匀◆铸锭质量差，如铸造时产生的疏松、偏析等◆加工工艺不合理，如温度过高造成过热、过烧28一、轧制时的断裂板材端部呈圆形轧件通过辊缝时，沿宽向各点均有横向流动的趋势，由于受到摩擦阻力的影响，中心部分宽展远小于边部，此时中心部分厚度的减少将转化为长度的增加而边部厚度的减少则有部分转化为宽展，所以板材端部呈圆形。29边裂：◆由于轧件为一整体，边部受附加拉应力作用，产生边部周期性裂纹◆轧辊控制不当（凸辊型）◆坯料形状不良（凸形横截面）劈裂：板材两侧强烈的附加拉应力所引起防止措施：◆适宜的良好辊型和坯料尺寸形状◆合理的轧制工艺规程（控制压下量、润滑、调整张力）◆包覆侧边30轧制时内部裂纹：平辊间轧制厚坯料时，由于压下量小而产生表面变形，中心层基本没有变形，因而中心层牵制表面层，给予表面以压应力，表面层则给中心层以拉应力，当这种不均匀变形与拉应力积累到一定程度时，就会引起心部产生裂纹，而使应力松弛，继续变形时，此应力又累积到一定程度后又会产生心部裂纹，如此继续，便在心部产生了周期性裂纹。预防措施：增加L/h值，即道次压下量。随L/h增加，变形逐渐向内部深入，当达到一定值后，轧件中间部位便由原来的纵向拉应力变为压应力31二、挤压（拉拔）时的断裂挤压表面裂纹由于挤压筒和模壁摩擦力的阻碍作用，使边部金属流动滞后中心部金属，造成了边部受拉，中心受压的附加应力分布。摩擦阻力越大，此种现象就越严重，当摩擦力很大时，就会造成金属挤压制品的表面裂纹，严重时会出现竹节状或棘棒状。拉拔与挤压类似，但基本应力为拉应力，这就加剧了边部裂纹。预防措施：加强润滑、降低摩擦阻力改进工艺方法：反向挤压，反张力拉伸32挤压内部裂纹挤压比较小时，由于产生表面变形会使压缩变形深入不到轴心层，结果导致中心层产生附加拉应力，此拉应力与纵向基本应力相迭加，使轴心层工作应力大于材料的断裂应力，产生内裂。预防措施：增大挤压比拉拔时增大变形程度，减小模孔锥角33三、锻造时的断裂锻造时表面裂纹1、锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直2、锻造温度过低时，晶间强度常高于晶内强度，便出现穿晶断裂。由剪应力引起，其裂纹方向与最大主应力呈45°角3、自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面周向承受拉应力而产生裂纹锻造温度过高锻造温度过低34预防措施◆采用高效润滑剂，以减少工件与工具间的接触摩擦◆采用凹型模：锻造时由于模壁对工件的横向压缩，使周向拉应力减少◆采用软垫◆采用包套或活动套环35§2实际构件的失效分析一、引言失效：材料或机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起机械构件不能完成指定的功能。也有人叫事故或故障。判断失效的条件：完全不能工作虽能工作，但不能完成指定的任务当发现有严重损伤，不能再继续安全使用，应及时拆下调换或修补36二、失效分析的一般方法（程序）外部观察→试验检查→综合分析1、外部观察样品的选择（确定主断裂面）原始资料收集、现场记录、拍照了解构件工作环境和失效过程宏观断口分析↓↓↓初步判断失效类型372、试验检查微观断口分析、金相检验、力学性能检验、断裂力学分析、无损检测、化学分析、结构分析、模拟试验↓↓↓确定失效原因、类型3、综合分析失效主要原因及其影响因素提出预防措施及改进建议↓↓↓综合分析报告38失效分析报告的内容①失效构件的描述②失效时的服役条件③失效前的历史④构件制造及处理过程⑤构件材质及冶金质量的评定⑥各种物理、化学、力学试验⑦失效的主要原因及其影响因素⑧预防措施及改进意见要求：简洁、清晰、合乎逻辑39三、失效的主要原因设计不当加工不当环境介质的影响材质缺陷或选材不当其它：包括操作、装配、运输、使用等40四、失效分析实例自学教材的第十章41典型断口形貌特征总结宏观断口形貌特征微观断口形貌特征424344454647484950515253545556575859二次曲线解理阶铸态铌再结晶态钼