金属断口分析

何玉怀北京航空材料研究院2011年6月26日金属断口分析内容提纲1.断口分析的作用及意义2.断口（断裂）分类3.断口（断裂）的基本特征与机理4.断口分析内容5.断口与失效分析6.典型案例断口分析的作用及意义断口是试样或零件在试验或使用过程中发生断裂（或形成裂纹后打断）所形成的断面。记录材料在载荷和环境作用下断裂前的不可逆变形，以及裂纹的萌生和扩展直至断裂的全过程。定性和定量分析识别，并将断口特征与发生损伤乃至最终失效的过程联系起来，可以找出与失效相关的内在或外在原因。断口学作为失效分析学科的一个重要组成部分，在断裂失效分析中发挥了很大的作用。断口分析的作用及意义在机电产品的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。断裂力学方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并考虑材料内部存在缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。断口分析的作用及意义断裂失效分析从裂纹和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因和规律。断裂力学方法和金属物理方法之间架起联系的桥梁。断口（断裂）分类1.断裂与断口构件或试样在外力作用下导致裂纹形成扩展而分裂为两部分（或几部分）的过程称为断裂。包括裂纹萌生、扩展和最后瞬断三个阶段。各阶段的形成机理及其在整个断裂过程中所占的比例，与构件形状、材料种类、应力大小与方向、环境条件等因素有关。断裂形成的断面称为断口。断口上详细记录了断裂过程中内外因素的变化所留下的痕迹与特征，是分析断裂机理与原因的重要依据。断口（断裂）分类2.断裂分类按断裂性质分类根据零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小可分为：塑性断裂：断裂前发生较明显的塑性变形。延伸率大于5%的材料通常称为塑性材料。脆性断裂：断裂前几乎不产生明显的塑性变形。延伸率小于3%的材料通常称为脆性材料。脆性断裂有穿晶脆断（如解理断裂、疲劳断裂）和沿晶脆断（如回火脆、氢脆）之分。塑性-脆性混合型断裂，又称为准脆性断裂。塑性断裂对装备与环境造成的危害远较脆性断裂小，脆性断裂往往会引起危险的突发事故。断口（断裂）分类按断裂路径分类依断裂路径的走向可以分为穿晶断裂和沿晶断裂两类。穿晶断裂，裂纹穿过晶粒内部。穿晶断裂可以是塑性的，也可以是脆性的。前者端口具有明显的韧窝花样，后者端口的主要特征为解理花样。沿晶断裂，断裂沿着晶粒边界扩展，可分为沿晶脆断和沿晶韧断(在晶界面上有浅而小的韧窝)。无微孔聚集沿晶断裂微孔聚集沿晶断裂断口（断裂）分类按断面相对位移形式分类按两断面在断裂过程中相对运动的方向可以分为：张开型（Ⅰ型）。裂纹表面移动的方向与裂纹表面垂直。这种型式的断裂常见于疲劳及脆性断裂，其断口齐平，是工程上最常见和最危险的断裂类型。前后滑移型（Ⅱ型）。裂纹表面在同一平面内相对移动，裂纹表面移动方向与裂纹尖端的裂纹前沿垂直。剪切型（Ⅲ型）。裂纹表面几乎在同一平面内扩展，裂纹表面移动的方向和裂纹前沿线一致。剪切断口、斜断口和扭转断口是Ⅱ型以及Ⅱ型和Ⅲ型的组合。断口（断裂）分类按断裂方式分类按断面所受到的外力类型的不同分为正断、切断及混合断裂三种。正断断裂，受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应力方向相垂直。断口的宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、解理花样等。切断断口，是在切应力作用下而引起的断裂，断面与最大正应力方向成45°角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为抛物状的韧窝花样。混合断裂，正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥杯状，混合断裂是最常见的断裂类型。断口（断裂）分类按断裂机制分类可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶以及疲劳等。其他分类方法按应力状态分类，可分为静载断裂（拉伸、剪切、扭转）、动载断裂（冲击断裂、疲劳断裂）等。按断裂环境分类，可分为低温断裂、中温断裂、高温断裂、腐蚀断裂、氢脆及液态金属致脆断裂等。按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等。按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂等。按断裂形成过程分类，可分为工艺性断裂和服役性断裂。如在铸造、锻造、焊接、热处理等过程形成的断裂为工艺性断裂。如拉伸、冲击、爆破等为快速断裂，疲劳、蠕变等为慢速断裂，氢脆、应力腐蚀等为延迟断裂。断口（断裂）的基本特征与机理1.过载断口宏观特征三要素2.穿晶韧窝断裂3.滑移分离4.解理断裂5.准解理断裂6.延晶断裂7.疲劳断裂提纲断口（断裂）的基本特征与机理纤维区：该区一般位于断口的中央，是材料处于平面应变状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，属于正断型断裂。纤维区的宏观平面与拉伸应力轴相垂直，断裂在该区形核；放射区：该区紧接纤维区，使裂纹由缓慢扩展转化为快速的不稳定扩展的标志，其特征是放射线花样。放射线发散的方向为裂纹扩展方向。放射条纹的粗细取决于材料的性能、微观结构及试验温度等；剪切唇区：剪切唇区出现在断裂过程的最后阶段，表面较光滑，与拉伸应力轴的交角约45°，属于切断型断裂。它是在平面应力状态下发生的快速不稳定扩展，在一般情况下，剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。过载断口宏观特征三要素断口（断裂）的基本特征与机理过载断口宏观特征三要素在通常情况下，金属材料的断口均会出现断口三要素形貌特征，所不同的仅仅是三个区域的位置、形状、大小及分布不同而已。但有时在断口上只出现一种或两种断口形貌特征，即优势有时断口三要素并不同时出现，这是受材质、温度、受力状态等因素的影响。断口三要素的分布有下列四种情况：断口上全部为剪切唇，例如纯剪切型断口或薄板拉伸断口就属于这种情况。断口上只有纤维区和剪切唇区，而没有放射区。断口上没有纤维区，仅有放射区和剪切唇区，例如低合金钢在-60℃时的拉伸断口。断口三要素同时出现，这是最常见的断口宏观形貌特征。断口（断裂）的基本特征与机理断口三要素在断裂失效分析中的应用裂源位置的确定。在通常情况下，裂源位于纤维状区的中心部位，因此找到了纤维区的位置就可以确定裂源德位置。另一方面是利用放射区的形貌特征，在一般条件下，放射条纹收敛处为裂源位置。裂纹扩展方向的确定。在断口三要素中，放射条纹指向裂纹扩展方向。通常，裂纹的扩展方向事由纤维区指向剪切唇区方向。如果是板材零件，断口上放射区的宏观特征为人字条纹，其反方向为裂纹的扩展方向。如果在板材的两侧开有缺口，则由于应力集中的影响，形成的人字纹尖顶指向与无缺口正好相反，逆指向裂纹源。断口上有两种或三种要素区时，剪切唇区是最后断裂区。过载断口宏观特征三要素断口（断裂）的基本特征与机理穿晶韧窝断裂金属延性断裂的主要微观特征。又称作迭波、孔坑、微孔、微坑等。材料在微区范围内塑性变形产生的显微孔洞，经形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。虽然韧窝是延性断裂的微观特征，但不能仅仅据此就作出断裂属于延性断裂的结论，因为延性断裂与脆性断裂的区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性变形。脆性断裂的断口上，个别区域也可能由于微区的塑变而形成韧窝。断口（断裂）的基本特征与机理穿晶韧窝断裂韧窝的形成显微空洞的形核、显微空洞的长大和显微空洞的聚集三个阶段。D.Brock，微孔聚集模型，第二相粒子形核模型。这个韧窝模型，可以同时解释在应力作用下，形成等轴韧窝或抛物线韧窝的过程和夹杂物或第二相粒子在切应力作用下，破碎而形成韧窝的现象。断口（断裂）的基本特征与机理穿晶韧窝断裂韧窝的形状韧窝的形状主要取决于所受的应力状态等轴韧窝：在正应力作用下，显微空洞的周边均匀增长，断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。剪切韧窝：在切应力作用下形成的，拉伸或冲击断口的剪切唇上，其形状呈抛物线形。匹配断口上抛物线的凸向相反。撕裂韧窝：在撕裂应力作用下形成的，尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上，也呈抛物线形。但是在匹配断口上，一对相匹配的撕裂韧窝不但形状相似，而且抛物线的凸向也相同。实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存，或在拉长韧窝的周围有少量的等轴韧窝。断口（断裂）的基本特征与机理穿晶韧窝断裂(c)单向拉伸(b)剪切拉伸撕裂(a)断口（断裂）的基本特征与机理穿晶韧窝断裂韧窝的大小韧窝的大小包括平均直径和深度深度常以断面到韧窝底部的距离来衡量影响韧窝大小的主要因素为第二相质点的大小、密度，基体的塑性变形能力，变形硬化指数，外加应力大小状态以及加载速度等。通常对于同一种材料，断裂条件相同时，韧窝尺寸越大，则表明材料的塑性越好。断口（断裂）的基本特征与机理滑移分离金属断裂（除理想的解理断裂外）过程均起始于变形。金属塑性变形方式主要有滑移、孪生、晶界滑动和扩散性蠕变四种。孪生一般在低温下才起作用；在高温下，晶界滑动和扩散性蠕变方式较为重要。常温下，主要的变形方式是滑移。过量的滑移变形出现滑移分离，其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样、涟波等。断口（断裂）的基本特征与机理滑移分离滑移带滑移线：晶体材料的滑移面与晶体表面的交线滑移台阶：滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶滑移带：由滑移线或滑移台阶组成的条带。目前人们将在电镜下分辨出来的滑移痕迹称为滑移带滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层，滑移层宽度在5nm~50nm之间。随着外力的增加，一方面滑移带不断加宽；另一方面，在原有滑移带之间还会出现新的滑移带。断口（断裂）的基本特征与机理滑移分离金属材料滑移的一般原则：滑移方向总是原子的最密排方向。滑移通常在最密排的晶面上发生。滑移首先沿具有最大且应力的滑移系发生。断口（断裂）的基本特征与机理滑移分离滑移的形式一次滑移：单晶材料在拉伸时，只在一组平行晶面的特定晶面上产生滑移。一次滑移晶体材料在滑移前后晶体的相对位向不变。多系滑移：当外力轴同时与几个滑移系的相对取向相同，且外力使这几个滑移系的分切应力同时达到临界值而同时产生滑移。在多系滑移中，最简单的情况就是二次滑移，即在两个不相平行的晶面上，沿两个滑移方向同时产生滑移。交滑移：在两个或两个以上滑移面共同按一个滑移方向的滑移。交滑移有很多滑移面参加滑移，滑移线不再是直线，而可变成弯曲的折线。断口（断裂）的基本特征与机理滑移分离滑移的形式滑移碎化：当一个晶粒产生滑移变形时，它受到相邻晶粒的束缚而阻止该晶粒的滑移，这样滑动的晶粒随着滑移变形量的增加而产生硬化现象；另一方面这个晶粒边界的应力场将促进相邻晶粒的滑移。与此同时，这个晶粒开动了更多的滑移系来反抗相邻晶粒的阻力，由此产生了多重滑移而引起滑移碎化。扭折带：在晶体材料滑移变形时，有时出现滑移部分的晶体相对于基体旋转一定的角度，滑移区域内的滑移线成S形弯曲，称为扭折带。扭折带两端的晶体区域具有不同的去向，但扭折带平面总是大致垂直于主要参与滑移的方向。断口（断裂）的基本特征与机理滑移分离滑移的形式波状滑移：在晶体材料中不仅有直线型的滑移线或滑移带，而且有波状的滑移线或滑移带。尤其是体心立方材料，由于它没有最密排的晶面，所以滑移没有一个确定的晶面，一般可能在几个较密的低指数面滑移，如{110}、{112}、{123}。而密排方向是111，它便是滑移方向。共有48个滑移系，如果有很多的滑移系同时开动，除了产生直线滑移外，还可能产生波状滑移。断口（断裂）的基本特征与机理滑移分离滑移分离断口形貌滑移分离的基本特征是：断面倾斜，呈45°角；断口附近有明显的塑性变形，滑移分离是在平面应力状态下进行的滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样、延伸区。断口（断裂）的基本特征与机理解理断裂解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键的破坏而造成的沿一定的晶体学平面（即解理面）快速分离的过程。解理断裂是脆性断裂的一种机理，属于脆性断裂，但并不是脆断的同义语，有时解理可以伴有一定的微观塑性变形。解理面一般是表面能量最小的晶面。面心立方晶系的金属及合金在一般情况下不发生解理断裂