失效分析-裂纹分析技术

裂纹分析技术裂纹是材料表面或内部完整性或连续性被破坏的一种现象，是断裂的前期；断裂则是裂纹发展的结果。1裂纹的无损检测常用的无损检测方法有：X射线、磁力、超声波、荧光、着色、声发射、敲击测音法和工业CT等物理检测方法磁力、荧光和着色等方法主要用来检查表面裂纹X射线、超声波、声发射和工业CT等可检测表面和内部裂纹声发射靠捕捉裂纹扩展中发射的声信号来检测裂纹，只能检测正在扩展中的裂纹检测注意事项裂纹检测中，要注意检测的方向，超声波和磁力线必须垂直裂纹平面检测，而X射线须平行于裂纹所在的平面检测。2裂纹产生先后顺序的诊断技术和方法在断裂失效分析中，往往存在有多条裂纹，而最先产生的裂纹往往是导致其它裂纹产生和整个事故(故障)发生的根本原因。因此，在分析中，首要任务就是从这些裂纹中确定首先产生的裂纹即主裂纹，然后对主裂纹进行分析。2.1确定主裂纹(首断件)的原则和方法断裂件中既有延性断裂又有脆性断裂时，一般脆性断裂件发生在前，延性断裂件发生在后断裂件中既存在脆性断裂件又存在疲劳断裂件时，则疲劳断裂件应为首断件存在两个或两个以上的疲劳断裂件时，低应力疲劳断裂件在前，高应力疲劳断裂件在后各断裂件均为延性断裂时，应根据各零件的受力状态、结构特性、断裂的走向和材料与性能等进行综合分析与评定，才能找出首先断裂失效件2.2常用判断裂纹先后顺序的方法(1)塑性变形量大小确定法当零件断裂成多块，有的部位没有明显塑性变形，有的部位塑性变形明显，则无塑性变形的区域为首先断裂区域；当所有断裂部位均为延性断裂时，变形量大的部位为主裂纹，其它部位为二次或三次裂纹。(2)T型法一个零件上同时出现两条或多条裂纹，裂纹间构成T型关系时，可根据裂纹的相对位置关系来确定主裂纹。图8中所示，横贯裂纹A形成在前为主裂纹，而B裂纹形成在后为次裂纹。(3)裂纹分叉法机械零件在断裂的过程中，出现一条裂纹后，往往会引伸出多条分支裂纹或分叉裂纹，如图9所示。裂纹的扩展方向为从主裂纹向分叉或分支裂纹方向，分叉或分支裂纹汇集的裂纹为主裂纹。A为主裂纹；BCD为二次裂纹。(4)断面氧化颜色法金属零件如暴露在环境介质或高温下会被腐蚀和氧化，而且腐蚀和氧化的程度会随时间的增加而加重。主裂纹较次裂纹形成时间早，主断面较次断面暴露在环境中的时间长，腐蚀与氧化程度严重，腐蚀产物多、氧化颜色深。(5)疲劳裂纹长度法当同一零件上出现多条疲劳裂纹时，一般可根据疲劳扩展区的长度、疲劳弧线和疲劳条带间距的大小来判断主裂纹。疲劳裂纹长、疲劳弧线或疲劳条带间距小的为主裂纹。一般脆性断裂可用T型法或分叉法，延性断裂可用变形法，环境断裂可根据断面氧化与腐蚀程度及颜色深浅，疲劳断裂可利用断口的宏观与微观特征形貌来区分主次断裂。3.裂纹的形貌分析裂纹的宏观分析裂纹的微观分析裂纹一般容易产生于尖角、转折或几何尺寸突然变化处等应力集中部位，受力最大部位，焊缝熔合区等组织薄弱部位和材料缺陷处。结合裂纹的外观形貌、张开情况和匹配情况，可诊断出裂纹的类型和起始源区。•裂纹的宏观形貌常见的裂纹宏观形貌有龟裂纹线裂纹环形裂纹周向裂纹辐射状裂纹弧形裂纹①龟裂纹外观形貌类似于龟壳网络状分布的一类裂纹。龟裂纹一般是一种表面沿晶裂纹，深度不大。由于零件表面(或晶界)的成分、组织、性能及应力状态与中心(或晶内)不一致，在制造过程或使用过程中使晶界成为薄弱环节，并产生很大的组织应力和热应力等内应力，从而使晶界开裂，形成龟裂纹。龟裂纹按其形成条件，可分为铸造表面龟裂纹、锻造表面龟裂纹、热处理表面龟裂纹、焊接龟裂纹、磨削龟裂纹和使用龟裂纹。②线裂纹是指近似直线状的裂纹。最典型的线裂纹是由于非金属夹杂在后续工序中扩展而形成的裂纹。它们一般沿材料的纵向发展并较长，在裂纹的两侧和金属基体上一般有氧化物夹杂或其它非金属夹杂物。③其它形状裂纹常见的其它形状裂纹有环形裂纹、周向裂纹、辐射状裂纹和弧形裂纹等。3.2裂纹的微观分析裂纹微观分析一般是通过光学显微镜和电子显微镜对裂纹表面形态和金相磨片进行观察和分析其主要内容包括：裂纹的微观形态特征，如扩展路径是穿晶还是沿晶，主裂纹附近有无微裂纹；裂纹处及其附近的晶粒度有无显著粗化、细化或大小极不均匀现象；晶粒是否变形；裂纹与晶粒变形方向是否一致；裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象；裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物，其形态、大小、数量及分布如何；裂纹源是否产生于碳化物或非金属夹杂物周围，扩展方向如何；裂纹处是否存在异常组织，如粗大过热组织、魏氏组织和带状组织等；源区是否存在加工缺陷、材质缺陷和腐蚀损伤等；表面是否存在白色加工硬化层或回火层。裂纹微观分析技术在微观上，裂纹源区一般均是材料的薄弱环节，如零件的表面或次表面及应力集中处和材料缺陷处(有时可见到明显的缺陷)。对于一条主裂纹，由粗到细的形态就是裂纹的扩展过程。当存在放射状微裂纹时，其收敛点位置即为裂纹源。裂纹的扩展途径有沿晶、穿晶和沿晶与穿晶混合一般制造过程中产生的铸造热裂纹、过烧引起的锻造裂纹、回火脆性裂纹、磨削裂纹、焊接裂纹、使用中出现的冷热疲劳裂纹、蠕变裂纹、热脆裂纹、环境因素引起的应力腐蚀裂纹和氢脆裂纹等均是沿晶界扩展的；而疲劳裂纹、解理裂纹、延性断裂裂纹等使用中形成的裂纹和因冷却速度过大、零件几何尺寸突变等引起的淬火裂纹和焊接裂纹等制造裂纹都是穿晶裂纹。裂纹微观分析的知识点若裂纹两侧具有明显的氧化和脱碳现象，则裂纹的形成肯定与制造热工艺过程有关。而淬火工件的裂纹断口颜色发黑，氧化物层厚，说明淬火加热前即已存在裂纹。淬火前就已存在的裂纹，裂纹两侧常有脱碳现象。在裂纹的微观分析中，还应该注意观察裂纹两侧的耦合情况，一般裂纹两侧的耦合性很好，但发裂、拉痕、磨削裂纹、折叠裂纹及经过变形后的裂纹，两侧的耦合性均较差。一般情况下，疲劳裂纹的末端是尖锐的；拉痕、发裂纹的末端圆秃；磨削裂纹一般细又浅，呈龟裂状或规则直线排列。由于过热、过烧引起的锻造或热处理裂纹，往往晶粒粗大，并常在晶界处伴有析出物。3.3裂纹综合诊断通过对裂纹的宏、微观分析．可确定裂纹的部位、形态和裂纹源的位置，初步判断裂纹的形成时期和扩展途径，结合应力分析、制造工艺和使用条件及材料性能综合分析，可初步诊断出裂纹的性质及产生的原因。裂纹综合诊断裂纹的起始位置裂纹的走向(1)裂纹的起始位置裂纹的产生是应力作用的结果，其起始的位置取决于应力集中和材料强度两方面综合作用的结果。根据裂纹存在的部位和受力状态，可以初步判断裂纹产生的条件。①材质原因引起的裂纹②零件形状因素原因引起的裂③受力状况不同引起的裂纹①材质原因引起的裂纹金属的表面缺陷，如夹砂、斑疤、划痕、折迭、氧化、脱碳和粗晶环等金属的内部缺陷，如缩孔、气泡、疏橙、偏析、夹杂物、白点、过热、过烧和发纹等不仅本身直接破坏金属的连续性，降低材料的强度和韧性，而且往往在这些缺陷周围造成很大的应力集中，使得材料在很低的平均应力下产生裂纹。②零件形状因素原因引起的裂纹零件由于某种原因，或者设计上的考虑不周，其几何形状上存在内外圆角、凸边或缺口等。在零件的制造和使用中会在这些地方产生应力集中，从而产生裂纹。淬火处理时，冷却速度的差异，产生巨大的组织应力，产生裂纹。在焊接件的应力集中处也可能产生焊接裂纹。③受力状况不同引起的裂纹零件在形状设计合理和材料质量合格的情况下，裂纹将在应力最大处起始如单向弯曲疲劳情况下，裂纹一般起源于受拉一侧的最大应力处双向弯曲疲劳情况下，裂纹一般起源于受力两边的最大应力处(2)裂纹的走向从宏观上看，裂纹的走向是由应力原则和强度原则决定的。在一般情况下，当材质比较均匀时，应力原则起主导作用，裂纹按应力原则扩展；而当材质存在明显的不均匀性时，裂纹按强度原则扩展，强度原则起主导作用应力原则，即是裂纹应该沿着最大应力方向扩展强度原则．就是指裂纹沿着材料最小阻力路线，即材料的薄弱环节扩展的原则各种裂纹的形成原因很多，其形貌也各异。需要从裂纹的宏、微观形貌，源区位置，扩展途径，周围情况、末端的特征及制造、使用履历来综合分析确定裂纹的性质和形成原因。图11是一飞机航炮固定座支臂在维护检查中发现的裂纹。该裂纹位于支臂外侧表面，与支臂圆弧基本平行．长约65mm、宽约1mm，局部有分支。宏观观察．可见裂缝内有漆层。将裂纹打开，断口可分为原始裂纹段断口和人为打开段断口两部分，其中原始裂纹断口深约3mm，颜色暗灰，与人为打开断口裂纹有明显的、整齐的分界线，如图12所示。在电镜下观察，原始裂纹区断口基本是颗粒状的附着物，没有断裂形貌特征；微区成分分析，表面含有较高的氧元素沿支臂裂纹的横切面切取剖面制作金相样品，可见裂纹平直．与支臂表面约成30角；裂纹两侧的金属变形流线与裂纹基本平行，见图13。裂纹末端圆钝，周围金属变形流线围绕裂纹末端弯曲呈回流状。见图14以上特征说明，该裂纹在制造过程中的涂漆前就已存在；是在模锻生产过程中产生的一种锻造缺陷——折叠，是金属在高温变形流动过程中，已氧化了的表层金属汇合在一起而形成的.结束