《材料断口分析(第七—八章).》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料断口分析(第七—八章).（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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，裂源位置可能在O或O 处 3 2、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。 4 3、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
2、纹所 形成的断口上。 5 4、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。 6 5、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 7 8 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
3、处 9 2、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 11 12 3、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
4、视显微镜 1-10 1-100 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0.2。 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。 扫描电子显微镜几倍-几万可直接扫描断口，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TE
5、M，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 16 2、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
6、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 18 4、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
7、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 21 2、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
8、法线截法 22 3、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 )n da/dN = A (K )n S K da/dN 23 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 24 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 25 1 材料在加工过程中的断裂 加工过程中材料开裂的现象 26 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
9、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 27 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。 28 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 29 轧制时内部裂纹： 平辊间轧
10、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 30 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
11、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 31 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 32 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
12、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 33 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 34 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：
13、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 35 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 36 2、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 37 失效分析报告的内容 失效构件的描述 失效时的服役条件 失效前的历史 构件制造及处理过程 构件材质及冶金质量的评定 各种物理、化学、力学试验 失效的主要原因及其影响因素 预防措施及改进意见 要求：简洁、清晰、合乎逻辑 38 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 四、失效分析典型案例 韧性断裂案例 解理断裂案例（准解理） 沿晶断裂案例 环境断裂案例（SCC、氢脆等） 疲劳断裂案例 夹杂
