金属的裂纹与断口研究

out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（Failureanalysisofmetallicmaterials）out2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out3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,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out4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)out5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/sout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?out7①韧性断裂与断口特征（屈服强度）机理out8(微观）(宏观）out9②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）out10薄板表面薄板侧面-断口out11b.按裂纹扩展路径分类沿晶穿晶混晶out12c.按裂纹机制分类out13out14d.按受力状态不同分类e.按环境介质不同分类out15f.按服役条件分类out161.3裂纹与断口的分析手段宏观观察(肉眼,放大镜)显微分析(OMSEMTEM)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（EDX\XRD\XPS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out17断口形貌观察工具的特性比较out18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out192.1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置裂纹源特征裂纹萌生位置裂纹源附近状况out202.2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out21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out223.1断口样品的制备与保存a.断口样品的选取b.断口样品的切割out23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。out24out25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。out26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out27美国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。out28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out29c.断口样品的清洗和保存带灰尘或其他附着物的断口out30清洁断口带油污的断口out31锈蚀较严重的断口out32在腐蚀环境下断裂的断口out333.2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。out34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out35拉伸试样的断口比较脆性断裂韧性断裂点状破裂韧性好out36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out37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out38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)。out39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。out40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out41缺口敏感性对疲劳断口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。out42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out43几种重要断裂方式的断口特征out44out45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)。剪切唇纤维区放射区out46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out47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out48白点白点是由于钢中氢含量过高引起的一种缺陷．out49out503.3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out51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）out52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。OM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0．25-0．40mm)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out53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）out54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out55TEM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out56SEM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。out57out58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。out59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out60解理断口解理断裂是指在一定条件下，金属因受拉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out61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。out62•河流花样若干解理台阶组合在一起，合成的条纹，形