搜索
金属构件断口诊断技术主讲：孙智君前言失效分析是一门系统工程，其中的分析技术是其理论和实践基础。失效分析技术主要包括：痕迹分析技术裂纹分析技术断口分析技术等相关内容。1痕迹分析技术痕迹分析是失效分析中常用的一种分析方法和技术。通过痕迹分析，不仅可对事故和失效的发生、发展过程做出判断，而且可为事故和失效分析结论提供可靠的佐证和依据。1痕迹分析技术广义地说，痕迹是指环境作用于系统，在系统表面留下的标记。在机械失效中，系统指的是失效的构件或零件，而环境则是指外来的力学、化学、热学、电学等因素。因此，对机械失效，痕迹可定义为：力学、化学、热学、电学等环境因素单独地或协同地作用于机械，并在其表面或表面层留下的损伤性标记。1痕迹分析技术在失效分析范畴，痕迹的具体含义是指：痕迹的形貌（或称花样）；痕迹区及污染物、反应产物的化学成分；痕迹颜色的种类、色度和分布、反光等；痕迹区材料的组织和结构；1痕迹分析技术痕迹区的表面性能；痕迹区的残余应力分布；从痕迹区散发出来的各种气味；痕迹区的电荷分布和磁性等。痕迹分析即是对失效件的上述特征的变化进行鉴别，并找出其变化原因，为失效分析提供线索和依据的技术活动。1痕迹分析技术2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。裂纹分析包括裂纹的无损检测、表面分析、光学金相分析及裂纹打开后的断口分析等内容。2裂纹分析技术主要内容包括：裂纹产生的部位；裂纹的平直情况、或分叉情况、或宏观走向等；裂纹与主应力方向（或切应力方向）之间的关系；裂纹与材料成形方向（轧制方向、流线方向）的关系；裂纹的啮合情况（紧密配合，还是分离）；裂纹尖端的情况（尖锐或圆钝）；裂纹起始位置与零件形状的关系（是否有应力集中）。3断口分析技术断口是断裂失效中，两断裂分离面的简称。由于断口真实地记录了裂纹由萌生、到扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息，因此，断口上的各种断裂信息是断裂力学、断裂化学、断裂物理等诸多方面内外因素综合作用的结果，对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索。3断口分析技术内容：断口准备断口分析设备和技术断口宏观诊断技术和方法断口微观诊断技术和方法3.1断口准备断口准备的目的是为下一步的断口分析提供适于分析的断口。要求断口保存得尽量完整、特征原始；尽量没有产生二次、甚至三次损伤。对断口上附着的腐蚀介质、污染物，还需进行适当清理。当失效件体积太大时，还需分解、切割。总之，在断口准备过程中，要尽量保证断口（特别是关键断口、起始区断口）的原始特征不被破坏、污染。3.1断口准备对断口的清理应遵循以下基本原则：先判断后清理，先表面后内层，尽量采用物理方法清理而少用化学方法。常用的清洗方法有机械剥离法、化学腐蚀法、阴极电解法、真空蒸发法等，可根据断口材料特性、附着物的种类等选定。对断口常用的保护方法有涂保护性涂料、密封于内置干燥剂的塑料袋或干燥皿中和浸泡在无水酒精溶液中等。3.1断口准备切割大块失效残骸件时，应先对断口进行宏观分析，确定首断件；然后进一步确定断裂的起始部位。切割前，先将需要分析的部位保护起来；切割时，尽量使用锯、切等不会产生高温的机械方法。需要使用火焰切割、砂轮切割等会产生高温的切割方法时，切口位置应离开需分析部位一定的距离，同时对切割区域进行冷却，以确保需重点分析部位不会因高温而产生二次损伤。3.2断口分析设备和技术3.2.1断口宏观分析设备和技术宏观分析是指在小于40倍的条件下对断口进行观察判断的技术方法。主要手段是人的肉眼、普通放大镜和体式显微镜。形貌、源、扩展方向、性质。3.2.2断口微观诊断仪器设备和技术断口的微观分析设备主要有金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线能谱仪、波谱仪等。其中三种显微镜主要用来进行形貌观察，两种谱仪主要用来进行微区成分分析。扫描电子显微镜由于其具有制样简单，使用方便，并具有景深大，分辨率较高，放大倍数范围宽，可连续调节，可进行化学成分、晶体取向测定等一系列优点，在失效分析中得到了广泛的应用。显微形貌、机理、断裂模式。3.2断口分析设备和技术①首先对断口做低倍观察，以全面了解和掌握断口的整体形貌和特征，并确定重点观察部位。②在整体观察的基础上，找出断裂起始区，并对断裂源区进行重点分析，包括源区的位置、形貌、特征、微区成分、材质冶金缺陷、源区附近的加工刀痕及外物损伤痕迹等。③对断裂过程不同阶段的形貌特征要逐一加以观察，找出各区断裂形貌的共性与个性。3.2断口分析设备和技术④断裂特征的识别。在断口观察过程中，发现、识别和表征断裂形貌特征是断口分析的关键。在观察未知断口时，往往是和已知的断裂形貌加以比较来进行识别。各种材料在不同外界条件下的断裂机制不同，留在断口上的形貌特征也不同。⑤扫描电镜断口照片的获得。一般一个断口的观察结果要用如下几部分的照片来表述：断口的全貌照片、断裂源区照片和扩展区、瞬断区的照片。⑥利用背散射电子像观察，可观察到第二相、夹杂物等对裂纹萌生与扩展的影响。3.2断口分析设备和技术X射线能谱仪的最大优点是不损伤被测件表面，可同时适用于光滑表面和粗糙断口表面的元素分析，可以分析某一区域的元素平均成分和样品表面某一区域某一元素的分布情况（面分布），也可对某几种元素进行沿指定线路的线分布分析。是目前失效分析中应用最广泛的微区成分分析仪器。3.2断口分析设备和技术在进行微区成分分析时应注意：微区成分分析的结果只能代表分析部位的局部成分，而不能代表样品宏观总体的成分；X射线微区成分定量分析的准确性和样品的制备有关。由于微区成分分析的灵敏度和精确度的限制，其分析结果不能代替其它分析方法所做的结果。3.3断口宏观诊断技术和方法断口宏观分析的任务和内容①断裂位置、结构特征、工作环境；②断裂位置及附近的变形程度；③断裂区域痕迹特征；④源区位置、特征及裂纹走向；⑤宏观形貌特征；⑥断口颜色及附着物等。3.3断口宏观诊断技术和方法判断断口的基本特征、变形情况和裂纹的宏观走向；确定断裂的类型和方式，为断裂失效模式诊断提供依据；寻找断裂起源区和断裂扩展方向；估算断裂失效应力集中的程度和名义应力的高低（疲劳断口）；观察断裂源区有无宏观缺陷等。断口宏观分析需要解决如下主要问题：断口的平直情况和断口的主要特征形貌；断口的颜色（氧化色、腐蚀产物颜色、夹杂物颜色、光亮情况等）；断口与主正应力（或主切应力）方向的关系；断口与成形方向（轧制方向、流线方向）的关系。3.3断口宏观分析技术和方法对断口进行宏观观察时，应注意观察的角度和照明的角度，自然光是最好的照明源，观察时应从不同的角度进行观察。宏观断口分析的第一步是用肉眼观察断口形貌特征及失效件的全貌，包括断口的颜色、变形程度，断口之外的损伤痕迹等，然后对主要特征区用放大镜、体式显微镜等进行进一步的观察，确定重点分析的部位。分析中特别注意以下几个特征①断口上是否存在放射花样及人字纹花样。这种特征表征裂纹扩展是不稳定的、快速的；沿着放射方向的逆向或人字纹尖顶可找到裂纹源。②断口上是否存在弧形迹线。这种特征是裂纹在扩展过程中，因应力状态变化、断裂方向变化、环境介质影响、及裂纹扩展速率明显变化等在断口上留下的痕迹。分析中特别注意以下几个特征③断口的粗糙度。一般说来，断口越粗糙，即表征断口特征的花样越粗大，则剪切断裂所占比例越大；如果断口细平，多光泽，或者花样越细，则晶间断裂、解理断裂所起的作用越大。④断面的光泽与色彩。如准解理、解理断裂的金属断口在阳光下转动断面进行观察时常可看到闪闪发光的小刻面。分析中特别注意以下几个特征⑤断面与最大正应力的交角（倾斜角）。不同的应力状态、不同的材料及外界环境，断口与最大正应力的夹角不同。⑥判定特征区的划分、分布、面积大小等。⑦材料缺陷在断口上所呈现的特征。若材料内部存在缺陷，则缺陷附近存在应力集中，因而在断口上留下缺陷的痕迹。断裂起源的位置①纤微区的中心；②放射花样的收敛处；③人字纹的最尖顶处；④断口的平坦区内；⑤无明显塑性变形区，或无剪切唇形貌特征区；⑥疲劳弧形的最小半径处；⑦腐蚀氧化最严重的部位；⑧台阶高差最大处。一般裂纹的宏观扩展方向①裂纹源区指向最后断裂区的方向；②放射线发散的方向；③纤维区指向剪切唇区的方向；④与疲劳弧线相垂直的放射状条纹分散方向；⑤人字纹的人字张开的方向；⑥断口的平坦区指向斜断口的方向；一般裂纹的宏观扩展方向⑦无塑性变形或塑性变形小的区域指向变形大的区域的方向；⑧台阶高差减小的方向；⑨氧化、腐蚀减轻的方向。应力、环境、材料综合作用韧性金属材料一次过载造成的延性断裂断口三要素纤维区：断口中央呈粗糙纤维状。正断、断面与拉应力垂直，放射条纹收敛处为断裂位置，平面应变状态。放射区：裂纹由缓慢扩展向快速不稳定扩展转化的标志。特征是放射线花样，发散方向为裂纹扩展方向。裂纹扩展方向是由纤维区指向剪切唇区。剪切唇区：最后阶段，表面光滑与拉应力成45°，切断型，平面应力状态。过载断口三要素：零件形状对断口三要素有很大影响。冲击断口断口分类按宏观塑性变形分为：延性断裂和脆性断裂断口。断口附近有无明显塑性变形。按断裂方式分为：正断断口：断面与最大正应力垂直；切断断口：断面与最大正应力成45°形貌特征分类很多，一般主要分为延性断裂断口，脆性断裂断口，疲劳断裂断口（脆性断口）。延性断口正断型：灰色，粗糙锯齿状，与主应力成约90°，无放射线，无弧线。延性断口切断型：弱金属光泽，较光滑，与主应力成约45°，一般无放射线(高强钢有),无弧线。脆性断口缺口脆性：白亮色、近金属光泽，极粗糙，与主应力成约90°，放射线明显，无弧线。脆性断口低温脆性：结晶状，金属光泽、粗糙，与主应力成约90°，放射线不太明显，无弧线。疲劳断口低周疲劳：白亮色、较光滑，放射线不太明显，板材似人字纹，一般可见疲劳弧线，但恒载时无。与主应力交角当扩展速率小时近90°，大时近45°。疲劳断口高周疲劳：灰黑色，光滑，放射线明显且细腻，一般可见疲劳弧线，应力幅变化越大越明显，与主应力成约90°。双向弯曲疲劳旋转弯曲疲劳扭转疲劳3.4断口微观分析技术和方法断口微观分析的任务和内容断口的微观分析包括微观形貌分析和微区成分、结构分析。具体内容有：①断口周围的塑性变形大小、或有无；②断口的边缘锐利情况；③断口与零件形状或应力集中的情况；④断口各特征形貌面积的比例；断口微观分析的任务和内容⑤断口与晶面、晶向之间的关系；⑥断口与晶界的关系；⑦断口与显微组织的关系；⑧断裂源区的情况；⑨断口的化学成分、或杂质环境元素的分布情况；⑩断口上二次裂纹的有无或多少、分布情况。断口的微观形貌特征断口上常见的微观特征有韧窝、滑移特征、解理特征、准解理特征、沿晶断裂特征、疲劳断裂特征等断裂特征花样。韧窝特征金属延性断裂的主要微观特征，是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上所留下的痕迹。形成机制：微区孔洞形核→长大→聚集→连接→断裂。韧窝特征正拉应力→等轴韧窝；切应力→剪切韧窝和撕裂韧窝，呈抛物线形，其开口方向指向切应力作用的方向。剪切应力：匹配断口韧窝方向相反；撕裂应力：匹配断口韧窝方向相同。同材料、不同形态、相同条件下韧窝尺寸越大，则材料塑性越好。滑移特征金属延性断裂的一种微观特征，在切应力作用下，金属沿滑移面分离，宏观上，断面倾斜，呈45°角，断口附近有明显的宏观塑性变形。包括滑移线、滑移带、蛇形花样和涟波花样，是在正应力作用下，金属沿滑移面滑移分离的主要微观特征。滑移特征①滑移线（带）：位错运动到表面时，形成台阶或滑移线。大量的线、台阶称滑移带。②蛇形花样：多晶体塑性变形较大时，产生交滑移，分离面上可观察到起伏弯区条纹，类似蛇形的滑移花样。③涟波花样：变形程度进一步加大，蛇形花样因变形而平滑化，形成涟波。由于材料总有、裂纹、孔洞等缺陷，发生纯剪切，在韧窝侧表面上出现蛇形、涟波花样。交滑移特征解理特征金属在正应力作用下，由于原子结合键破坏而造成的沿一定晶体