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1、何玉怀何玉怀北京航空材料研究院北京航空材料研究院2011年年6月月26日日金属断口分析金属断口分析内容提纲内容提纲1. 断口分析的作用及意义断口分析的作用及意义2. 断口（断裂）分类断口（断裂）分类3. 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理4. 断口分析内容断口分析内容5. 断口与失效分析断口与失效分析6. 典型案例典型案例断口分析的作用及意义断口分析的作用及意义l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。l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。l定性和定量分析识别，并将断口特征与发生损伤乃至最
2、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。l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断口分析的作用及意义l在机电产品的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。l断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。l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。l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口分析的作用及意义l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
3、、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。l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）分类断口（断裂）分类 1.断裂与断口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）分类断口（断裂）分类 2. 断裂分类断裂分类 l按断裂性质分类根据零件断
4、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，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。脆性断裂往往会引起危险的突发事故。断口（断裂）分类断口（断裂）分类 l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。
5、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）分类断口（断裂）分类 l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（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（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（型）。裂纹表面几乎在同一平面内扩展，裂纹表面移动的方向
6、和裂纹前沿线一致。剪切断口、斜断口和扭转断口是型以及型和型的组合。断口（断裂）分类断口（断裂）分类 l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）分类断口（断裂）分类 l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。l其他
7、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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 1.过载断口宏观特征三要素过载断口宏观特征三要素2.穿晶韧窝断裂穿晶韧
8、窝断裂 3.滑移分离滑移分离 4.解理断裂解理断裂 5.准解理断裂准解理断裂 6.延晶断裂延晶断裂 7.疲劳断裂疲劳断裂 提纲提纲断口（断裂）的基本特征与机理断口（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。
9、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光滑，与拉伸应力轴的交角约45，属于切断型断裂，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过载断口宏观特征三要素 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 过载断口宏观特征三要素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
10、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（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
11、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过载断口宏观特征三要素 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 穿晶韧窝断裂穿晶韧窝断裂 l金属延性断裂的主要微观特征。l又称作迭波、孔坑、微孔、微坑等。l材料在微区范围内塑性变形产生的
12、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。l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。l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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 穿晶韧窝断裂穿晶韧窝断裂 l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
13、形成韧窝的现象。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 穿晶韧窝断裂穿晶韧窝断裂 l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
14、本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 穿晶韧窝断裂穿晶韧窝断裂 (c)单向拉伸(b)剪切拉伸撕裂(a)断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 穿晶韧窝断裂穿晶韧窝断裂 l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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 滑移分离滑移分离 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
15、、孪生、晶界滑动和扩散性蠕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。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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 滑移分离滑移分离 l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5nm50nm 之间。随着外力的增加
16、，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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 滑移分离滑移分离 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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 滑移分离滑移分离 l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
17、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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 滑移分离滑移分离 l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
18、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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 滑移分离滑移分离 l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，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
19、机理断口（断裂）的基本特征与机理 滑移分离滑移分离 l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）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 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
20、解理断裂。 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l解理裂纹的萌生与扩展 解理裂纹形核的位置：大都萌生于有界面存在的地方及位错易于塞积的地方。例如晶界、亚晶界、孪晶界、杂质及第二相界面等。解理裂纹的萌生：位错单向塞积、位错双向塞积、位错交叉滑移、刃型位错合并等。它们都是建立在解理生核之前存在变形这一前提之下。解理裂纹的扩展：解理裂纹形成后能否扩展至临界长度，不仅取决于应力大小和应力状态，而且还取决于材料的性质和环境介质与温度等因素。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l解理断裂的形貌特征 解理断裂区通常呈典型的脆性状
21、态，不会产生宏观塑性变形。小刻面是解理断裂断口上明显的宏观特征。解理断口上的“小刻面”即为结晶面，呈无规则取向。典型的解理断口微观形貌有以下重要特征：解理台阶、河流花样、“舌”状花样、鱼骨状花样、扇形花样及瓦纳线等。 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l解理台阶 解理台阶的形成途径主要有两种：一种是解理裂纹与螺位错相交截而形成台阶。假设晶体内存在一个螺位错，当解理裂纹沿解理面扩展时，与螺位错交截，产生一个高度为伯氏矢量的解理台阶。解理台阶在裂纹扩展过程中，要发生合并与消失或台阶高度减小等变化。另一种是通过次生解理撕裂的方式形成台阶。两个相互平行但处于不
22、同高度上的解理裂纹可以通过次生解理或撕裂的方式互相连接而形成台阶。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 AbBXDbCCbDAB裂纹扩展方向(a)(b)断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 (a)(b)断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 解理裂纹沿次生解理面解理而形成台阶解理裂纹通过撕裂而形成台阶（撕裂棱）(a)(b)断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l河流花样 解理裂纹扩展过程中，台阶不断地相互汇合，便形成河流花样。河流花样是解理断裂的
23、重要微观形貌特征。在断裂过程中，台阶合并是一个逐步的过程。许多较小的台阶（即较小的“支流”）到“下游”又汇合成较大的台阶（即较大的“支流” 。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。根据河流花样的流向，可以判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l河流花样 由于实际金属材料是多晶体，存在着晶界和亚晶界。当解理裂纹穿过晶界时，会使解理断裂出现复杂的情况：解理断裂穿过扭转晶界，将使河流激增。裂纹与小角度倾斜晶界相交时，河流可连续地穿过晶界，河流不发生激增。当裂纹穿过普通大角度晶界时，由于晶界上存在着的螺位错和刃位错，相邻晶粒的位向差
24、很大，因而也会出现大量的河流，河流台阶的高差也较大。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l舌状花样 解理舌是解理断裂的典型特征之一。它的显微形貌为舌状。 解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高的速度向前扩展时，在裂纹前端形成的。另外一种舌状花样是解理裂纹在扩展过程中局部发生二次解理，或者是滑移分离、或者是二次解理和滑移分离的混合。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l扇形花样 解理断裂面并不是等轴的，而是沿着裂纹扩展方向伸长，形成椭圆形或狭长形的特征，其外观类似扇形
25、或羽毛形状。在一个晶粒内，河流花样有时不是发源于晶界，而是在晶界附近的晶内发源，河流花样以扇形的方式向外扩展。在多晶体材料中，扇形花样在各个晶粒内可以重复出现。利用扇形花样，也可以判明解理裂纹的裂源及裂纹的局部扩展方向。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l鱼骨状花样，在解理断口中，有时可以见到类似于鱼骨状花样 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l影响解理断裂的因素 环境温度：环境温度直接影响解理裂纹扩展时所吸收的能量的大小，随着温度的降低，解理裂纹扩展时所吸收的能量较小，更容易导致解理断裂。加载速度：加载速率不
26、同，不仅影响解理裂纹扩展应力的大小，而且还影响材料应变硬化指数。在高应变速率下，有利于解理断裂发生。影响解理断裂的因素主要有环境温度、介质、加载速度、材料的晶体结构、显微组织、应力大小与状态等。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 解理断裂解理断裂 l影响解理断裂的因素 材料的种类、晶体结构及冶金质量对断裂起着重要的作用。在通常情况下所遇到的解理断裂，大多数都是属于体心立方和密排六方晶体材料，而面心立方晶体材料只有在特定的条件下才发生解理断裂。即使体心立方晶体材料，由于显微组织不同，其解理断裂的形貌特征也不相同。材料的显微缺陷、第二相粒子等分布在解理面上，则有利于解理断裂的
27、发生。如氢集聚在100面，将产生氢解理断裂。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。首先在不同部位(如回火钢的第二相粒子处)，同时产生许多解理裂纹核。然后按解理方式扩展成解理小刻面。最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小刻面相连，形成撕裂棱。准解理断裂准解理断裂 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 准解理断裂准解理断裂 l准解理断口与解理断口的不同准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子，而不像解理断裂那样，断裂源在晶粒边界或相界面上。裂纹传播的途径不同，准解理是由裂源向四周扩展，不连续，而
28、且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展，表现河流走向。准解理小平面的位向并不与基体(体心立方)的解理面100严格对应，相互并不存在确定的对应关系。在调质钢中准解理小刻面的尺寸比回火马氏体的尺寸要大得多，它相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。准解理断口宏观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小，呈脆性特征。其微观形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 沿晶断裂沿晶断裂 沿晶断裂又称晶间断裂，它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离，即沿晶界发生的断裂现象。晶界的键合力高于晶内，断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶，如韧窝
29、型断裂、解理断裂等。如果热加工工艺不当，造成杂质元素在晶界富集与沿晶界析出脆性第二相、或因温度过高(加工温度与使用温度)使晶界弱化、或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时，晶界的键合力被严重削弱，往往在低于正常断裂应力的情况下，被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。沿晶断裂的路线一般沿着与局部拉应力垂直的晶界进行。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 沿晶断裂沿晶断裂 按断面的微观形貌，可将沿晶断裂分为两类：沿晶韧窝断裂：由晶界沉淀的分散颗粒作为裂纹核，然后以剪切方向形成空洞，最后空洞连接形成的细小韧窝而分离。这种沿晶断裂又称微孔聚合性沿晶断裂或沿晶韧断。沿
30、晶脆性断裂：在断后的沿晶分离面平滑、干净、无微观塑性变形特征，往往呈现冰糖块形貌。这种沿晶断裂又叫沿晶光面断裂或非微孔聚合型沿晶断裂。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 回火脆、氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆以及因过热、过烧引起的脆断断口大都为沿晶脆性断裂特征；蠕变断裂、某些高温合金的室温冲击或拉伸断口往往为沿晶韧窝形貌。还有两种情况也属沿晶断裂范畴。一是沿结合面发生的断裂，如沿焊接结合面发生的断裂；二是沿相界面发生的断裂，如在两相金属中沿两相的交界面发生的断裂。沿晶断裂沿晶断裂 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 疲劳断裂是材料(或
31、构件)在交变应力反复作用下发生的断裂。交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向同时都随时间作周期性改变的应力。这种改变可以是规律性的或不完全规律性的。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 l疲劳断裂的危害性多数机件承受的应力是周期性变动的(称为循环交变应力)。如各种发动机曲轴、发动机的主轴、齿轮、弹簧、涡轮叶片、钢轨、飞机螺旋桨以及各种滚动轴承等。这些零件的失效，据统计6080是属于疲劳断裂失效；疲劳破坏表现为突然断裂，断裂前无显著变形。不用特殊探伤设备，无法预察损坏迹象。除定期检查外，很难防范偶发性事故；断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征
32、与机理 疲劳断裂疲劳断裂 l疲劳断裂的危害性造成疲劳破坏时，循环交变应力中的最高应力一般远低于静载荷下材料的强度极限；零件的疲劳断裂不仅取决于材质，而且对零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等非常敏感。加工过程也对疲劳抗力有很大影响。材料内部宏观、微观的不均匀性对材料抗疲劳性能的影响也远较静负荷下为大；很大一部分机件承受弯曲扭转应力。这种机件的应力分布都是表面应力最大。而表面情况，如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蚀及脱碳等都对疲劳抗力有极大的影响，增加了疲劳损坏的机会。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 l疲劳曲线、疲劳极限和疲劳寿命 在交变载荷
33、下，金属承受的最大交变应力愈大，则至断裂的应力交变次数N愈少；疲劳曲线也称SN曲线。疲劳极限：疲劳极限是指一定的材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生破坏的最大应力，应力低到某值时，材料或构件承受无限多次应力循环或应变循环而不发生疲劳断裂。发生破坏时的应力循环次数或从开始承受应力直至断裂所经历的时间称为疲劳寿命。次数NMPa12456r3不断裂断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 l疲劳断裂过程疲劳裂纹的萌生稳定扩展，而疲劳裂纹的稳定扩展又可分为两个阶段失稳扩展断裂断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 第一阶段扩展区
34、第二阶段扩展区最终破断区断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 l疲劳裂纹的萌生(形核)在交变载荷作用下，材料发生局部滑移。随着循环次数的增加，滑移线在某些局部区域内变粗，并形成滑移带，其中一部分滑移带为驻留带。进一步增加循环次数，驻留滑移带上可以形成挤出峰、挤入槽现象，这就是疲劳裂纹的萌生。表面缺陷或材料内部缺陷起着尖缺口的作用，使应力集中，促进疲劳裂纹的形成。实际工程构件的疲劳裂纹大都在零件表面缺陷、晶界或第二相粒子处萌生。疲劳断裂疲劳断裂 最终破断区缺口滑移带表面晶界滑移带表面断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 l疲劳裂纹稳定扩展
35、第一阶段在裂纹萌生后，在交变载荷作用下立即沿着滑移带的主滑移面向金属内部伸展。此滑移面的取向大致与正应力成45角，这时裂纹的扩展主要是由于切应力的作用。对于大多数合金来说，第一阶段裂纹扩展的深度很浅，大约在25个晶粒之内。这些晶粒断面都是沿着不同的结晶学平面延伸，与解理面不同。疲劳裂纹的第一阶段的显微特征取决于材料类型、应力水平与状态以及环境介质等因素。对于体心立方晶系及密堆六方晶系材料，这一阶段的断口区极小，又因断面之间相互摩擦等原因，使得这个区域的显微特征难以分辨。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 对于面心立方晶系材料，例如镍基高温合金，在高温下的
36、疲劳断裂，此阶段有两种类型的断裂形貌特征：类解理断裂小平面，裂纹严格地沿着晶粒内的111滑移面扩展。当其与晶界相遇时，稍微改变位向，显示出平坦、光滑和强的反光能力等特征。在涡轮叶片(材料为GH4037)的实际疲劳断裂失效断口，就观察到了这种典型的特征。在其上发现有滑移台阶、河流花样等微观特征。平行锯齿状断面。第一阶段裂纹沿着两组互不平行的111滑移面扩展，裂纹扩展的方向平行于两组111面的交线，即110方向。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 l疲劳裂纹稳定扩展第二阶段疲劳裂纹按第一阶段方式扩展一定距离后，将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展产
37、生重大影响。疲劳裂纹扩展第二阶段断面上最重要的显微特征是疲劳条带，又称疲劳辉纹。疲劳断裂疲劳断裂 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 l疲劳条带的主要特征疲劳条带是一系列基本上相互平行的、略带弯曲的波浪形条纹，并与裂纹局部扩展方向相垂直；每一条条带代表一次应力循环，每条条带表示该循环下裂纹前端的位置，疲劳条带在数量上与循环次数相等；疲劳条带间距(或宽度)随应力强度因子幅的变化而变化；疲劳断面通常由许多大小不等、高低不同的小断块所组成，各个小断块上的疲劳条带并不连续，且不平行；断口两匹配断面上的疲劳条带基本对应。疲劳断裂疲劳断裂 12345678911101213台阶A凸凹
38、断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳条带的数量一般与循环次数有对应关系，但并不一定完全相等，因为它受应力状态、环境条件、材质等因素的影响很大。疲劳条带有时也容易与其它花样相混淆，如滑移痕迹、解理台阶、瓦纳线，以及像珠光体之类的层状组织等。疲劳条带是疲劳断裂的基本特征，凡在断口上发现了疲劳条带，即可判定此断口为疲劳断裂。但如果在断口上未发现疲劳条带，并不能判断此断口为非疲劳断裂，还要根据宏观、微观的其它特征和其它分析工作的结果加以综合分析判断。 疲劳断裂疲劳断裂 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 疲劳条带一般仅在疲劳裂纹扩展的第
39、二阶段才能出现，但在某些合金中，第一阶段的后期有时也会出现疲劳条带。疲劳条带出现的必要条件是在疲劳裂纹前端必须处于张开型平面应变状态。疲劳条带的形成与材料的性质与环境条件等有关。延性材料容易形成疲劳条带，脆性材料则比较困难。例如体心立方晶系金属比面心立方金属形成疲劳条带要困难得多，其原因可能是体心立方金属的层错能高，滑移系多，易于交错滑移，不利于疲劳条带的形成。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 l疲劳条带的类型及其形态 延性疲劳条带 脆性疲劳条带断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 疲劳断裂疲劳断裂 l疲劳条带的形成机理疲劳裂纹尖端
40、在一次循环中的压缩阶段，裂纹的两个面紧靠在一起，裂纹尖端表面产生塑性变形，接着在下半个拉伸循环中，裂纹角度张开，并使裂纹扩展向前产生一个增量a，这时便形成了一个条带。疲劳裂纹尖端存在显微空穴，当空穴长大到一定尺寸时便与主裂纹连接，使裂纹向前扩展了a距离。这便形成了一条间距为a的条带。在疲劳裂纹扩展过程中，裂纹尖端首先沿解理面断裂成一小段距离，然后因裂纹前端塑性变形而停止扩展。当下一周期开始时，又作解理断裂，如此往复即形成解理疲劳条带。断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 断口（断裂）的基本特征与机理断口（断裂）的基本特征与机理 断口分析内容断口分析内容 l宏观分析：用肉眼或
41、40倍以下的放大镜、实体显微镜对断口进行观察分析，可有效地确定断裂起源和扩展方向；l微观分析：用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等对断口进行观察、鉴别与分析，可以有效地确定断裂类型与机理。l宏观分析和微观分析是不可分割的整体，二者不可互相取代，只能互相补充、相互促进。过分依赖微观分析而不重视宏观分析，只根据几个微观视场的特征就作出判断，往往会导致全局性的判断错误；反之，忽视微观分析而只进行宏观分析，也可能得出浮浅的乃至错误的结论。断口分析内容断口分析内容 断口的获取与保护断口的获取与保护 l裂纹打开与断口切取技术 方法：拉开、扳开、压开等。原则：根据裂纹的位置及裂纹扩展方向，来选定受力点。沿裂纹
42、扩展方向受力，使裂纹张开形成断口，而避免在打开裂纹的过程中造成断裂面的损伤。如果造成零件开裂的应力是已知的，可用同类型的更大应力来打开裂纹。例如，对受循环拉应力的开裂件，可通过静拉伸法将裂纹打开。如果造成的应力是未知的，可采用三点弯曲法将裂纹打开。断口分析内容断口分析内容 断口的获取与保护断口的获取与保护 切割方法：火焰切割，锯切，砂轮切割，线切割，电火花切割等。切割注意事项：要防止断口及其附近区域的显微组织因受热发生变化；要防止断面的形貌特征受到机械的或化学的损伤和污染。断口分析内容断口分析内容 断口的获取与保护断口的获取与保护 l断口的清洗技术清洗对象：断口表面上的尘埃、油污、腐蚀产物及氧
43、化膜等。清洗方法：根据断口材料特性、附着物的种类选定对于断口表面只有尘埃或油渍污染者，推荐使用丙酮与超声波清洗；对于遭受轻微腐蚀氧化的断口，推荐使用醋酸纤维(AC)纸反复复型剥离法加以清洗；对于遭受较重腐蚀氧化的钢制零件断口，则推荐在10%H2SO4水溶液+缓蚀剂(1%卵磷酯)中超声波法清洗；对于高温合金的高温氧化断口，可使用氢氧化钠+高锰酸钾热煮法予以清洗。 断口分析内容断口分析内容 断口的获取与保护断口的获取与保护 l断口的清洗技术注意事项：清洗之前，要对断口进行仔细的观察与检查。无论使用何种方法清洗，都应以既要除去断口表面的污物和腐蚀与氧化层，又不损伤断口的形貌特征为原则。 断口分析内容
44、断口分析内容 断口的获取与保护断口的获取与保护 l断口的保护与保存技术 切取断口与运送断口过程中，要严防断口表面遭受机械或化学损伤。在断口初检及清洗时，切忌用手去触摸断口表面，更不能将两个匹配断面对接碰撞，以免使断口表面产生人为的损伤。为了防止断口表面在运送与保存过程中遭受腐蚀与损伤，可在断口表面上涂抹一层保护材料，例如防锈漆、环氧树脂、醋酸纤维丙酮溶液等。保护材料应选择既无腐蚀作用又容易溶解除去的品种。也可直接用干净的塑料膜包扎保护断口。切记：不要由油、脂涂抹在断口上防锈。 断口分析内容断口分析内容 l观察的目的性与客观性观察的目的是为了判定断裂的性质，寻找断裂的原因。观察对象(断口)是客观
45、存在的事实，观察得到的结果只能是关于断口形象特征的反映，这是观察的客观性。l观察的全面性和典型法断裂失效的本质存在于与断裂过程相关的各种现象及关系中。全面地观察失效事件在各个方面的表现与各种现象。对能够集中反映断裂本质的典型区域、典型现象进行深入细致的观察，以加深对失效事件本质与规律的认识。断口观察的原则断口观察的原则 断口分析内容断口分析内容 断口观察的原则断口观察的原则 l观察的受动性与主动性在观察断口时不应进行人为的干预与控制，只应对断裂特征作如实的观察与记录，这就是观察的受动性。观察的目的，观察对象及工具等都可以主动加以选择。l观察活动中的感性因素与理性因素通过观测所获得的是关于断口定
46、性和定量两个方面的实际材料和数据，即为认识中的感性经验材料。但这并不是说观察过程中没有任何理性和思维的因素。在观察过程中总是以某种理论作指导进行积极的思维活动，在描述和概括观察结果时，也总要使用专业知识和基础理论。 断口分析内容断口分析内容 断口宏观分析断口宏观分析 l主要任务确定断裂的类型和方式，为判明断裂失效的模式提供依据；寻找断裂起源区和断裂扩展方向；估算断裂失效件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。断口的宏观分析可为断口的微观分析和其它分析工作指明方向，奠定基础，是断裂失效分析中的关键环节。断口分析内容断口分析内容 断口宏观分析断口宏观分析 l步骤：
47、用肉眼观察断面形貌特征及其失效件的全貌，包括断口的颜色变化，变形引起的结构变化，断口附近的损伤痕迹等。对主要的特征区用放大镜和体视显微镜进行进一步的观察，确定重点分析的部位。 断口分析内容断口分析内容 断口宏观分析断口宏观分析 l注意要点：断口上是否存在放射花样及人字纹。这种特征一方面表征裂纹在该区的扩展是不稳定的、快速的；另一方面，沿着放射方向的逆向或人字纹尖顶，可追溯到裂纹源所在位置。断口上是否存在弧形迹线。这种特征表明裂纹在扩展过程中，由于应力状态(包括应力大小的变化、应力持续时间)的交变，断裂方向的变化，环境介质的影响，以及裂纹扩展速度的明显变化都会在断口上留下此种弧形迹线，如疲劳断口
48、上的疲劳弧线等。断口分析内容断口分析内容 断口宏观分析断口宏观分析 l注意要点：断口的粗糙程度。不同的材料，不同的断裂方式，其粗糙度可有很大的不同。一般说来，断口越粗糙，即表征断口特征的“花”样越粗大，则剪切断裂所占的比例越大。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也越大。断面的光泽与色彩。构成断面的许多小断面具有特有的金属光泽与色彩，当不同断裂方式所造成的这些小断面集合在一起时，断口的光泽与色彩会发生微妙的变化。例如，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。断口分析内容断口分析内容 断口宏观分析断口宏观分析 l注意要点：断
49、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。例如，在平面应变条件下断裂的断口，与最大正应力垂直。在平面应力条件下断裂的断口，与最大正应力呈45交角。断口特征区的划分和位置、分布与面积大小等。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。断口分析内容断口分析内容 断口微观分析断口微观分析 l直接观察法工具：体视显微镜、光学显微镜和电子显微镜 体视显微镜应用于断口的初步分析中。光学显微镜观察一些比较平坦的断口。在裂纹和断口分析中，光学显微镜主要是用来分析裂纹的形态，如裂纹的走向及其与组织的
50、关系等。断口观察的电子显微镜主要工具是扫描电镜。可以直接观察尺寸较大的断口，并可进行微区化学成分、晶体取向测定等一系列分析工作。断口分析内容断口分析内容 断口微观分析断口微观分析 扫描电镜观察的基本技术首先对断口从扫描电镜所能达到的较低放大倍数(550倍左右)作初步的观察，以求对断口的整体形貌、断裂特征区有全局性的了解与掌握和确定重点观察部位，切忌一开始就在高倍率下进行局部观察。在整体观察的基础上，找出断裂起始区，并对断裂源区（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以及外物损伤痕迹等）进行重点深入的观察与分析。断口分析内容断口分析内容 断口微观分析断口微观分析
51、扫描电镜观察的基本技术对断裂不同阶段的形貌特征要逐一加以观察。以疲劳断口为例，除了对疲劳源区要进行重点观察外，对扩展区和瞬断区的特征均要进行仔细的观察，找出各区断裂形貌的共性与特性。断裂特征的识别。各种材料在不同的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。在识别断裂形貌特征的基础上，还要注意观察各种形貌特征的共性与特性。例如对疲劳条带要区分是塑性还是脆性条带以及条带间距的疏密等。断口分析内容断口分析内容 断口微观分析断口微观分析 扫描电镜观察的基本技术断口照片的选择。断口照片包括：断口的全貌照片、断裂源区照片和反映扩展区、瞬断区特征的典型照片。断口的全貌照片可提供断裂形貌的整体概念
52、。对于较大的断口，可采用同一放大倍数分段拍摄然后剪切拼接或用光学照相机拍摄。在全貌照片上应标明各特征区及微观形貌特征照片的位置。断裂源区要有不同放大倍数的照片23张，以显示源区的全貌及细节特征。对于判定断裂机理的微观形貌特征要用合适的放大倍数拍摄，以充分显示形貌特征细节为原则。对于不同区域疲劳条带间距的变化，最好采用同一放大倍数拍摄，使人一目了然。断口分析内容断口分析内容 l间接观察法复型观察法：以断口为原型，用一种特殊的材料制成很薄的断口“复型”，然后用显微镜对复型进行观察分析，以揭示断口特征 。复型材料多用厚度0.1mm0.4mm的醋酸纤维薄膜(AC纸)。首先在断口上(或选定的特定部位上)
53、滴以丙酮，将AC纸覆盖在断口表面上，用手指或橡皮从中心向边缘逐渐压紧，使塑料纸与断口表面紧密地贴合。经灯光或自然干燥后，用镊子轻轻地将AC纸揭下，再用丙酮将其另一面溶化后粘在玻璃板上，并展平贴牢，即可放到光学显微镜下进行观察。 断口微观分析断口微观分析 断口分析内容断口分析内容 断口的特殊分析断口的特殊分析 l断口的剖面分析技术断口的剖面分析能有效揭示零件在制造、加工等过程中产生的缺陷、使用状况和环境条件等对断裂失效的影响。例如对夹杂物、脱碳、增碳、偏析、硬化深度、镀层厚度、晶粒大小、组织结构及热影响区等检查与分析。断口剖面分析技术是在断口上截取一定的剖面，剖面与断面相交的角度，一般可为609
54、0。在截取之前要采用镀镍层或镶嵌法等保护断口表面不受损伤。断口表面的截取方向根据所要分析的具体内容来确定。研究断裂过程，要在平行裂纹扩展方向截取，使在断口剖面上能包含断裂不同阶段的区域；如仅是研究某一特定位置的情况，则截取方向垂直于裂纹扩展方向。断口分析内容断口分析内容 断口的特殊分析断口的特殊分析 l断口的剖面分析技术用来分析研究断口形貌与显微组织之间的对应关系、断裂过程、断裂机理、变形程度、表面状态及其损伤情况等。借助于显微硬度分析技术研究疲劳断口剖面，可以对裂纹尖端塑性区的形态，尤其是热疲劳剖面两侧不同显微硬度的变化、基体合金元素的变化情况等进行深入的研究。焊接零件的断裂失效，断裂往往起
55、源于焊缝与过渡区或过渡区与基体之间的界面上，匹配断口上的显微组织及断口形貌特征不完全相同。在这种情况下，应用匹配断口剖面分析技术，对于研究断裂原因和断裂机理之间的关系能取得很好的结果。断口分析内容断口分析内容 l断口蚀坑分析技术利用腐蚀坑体积的几何参数与晶面指数之间的关系来分析晶体取向的技术。晶体材料在一定的腐蚀介质条件下，发生的腐蚀溶解是不均匀的，在一般情况下，晶体材料的低指数面被优先腐蚀溶解。各向异性腐蚀溶解，腐蚀结果呈现一个角锥体，即多面体的蚀坑。腐蚀坑的几何形状取决于材料的晶体结构，即材料的晶体结构不同，蚀坑的几何形状亦不相同。蚀坑分析技术可用于研究晶体取向，确定断口上的解理面、滑移面
56、裂纹萌生的位置及裂纹局部扩展方向等断口的特殊分析断口的特殊分析 断口分析内容断口分析内容 l断口的定量分析断口的定量分析包括断口表面成分、结构和形貌特征的定量分析。断口表面成分定量分析是指表面平均成分、表面微区成分、元素的面分布与线分布以及元素沿断口深度变化情况等。断口表面结构的定量分析是指断裂小面的晶面指数，断面微区第二相的结构、数量，各微区表面之间的夹角等。断口形貌特征的定量分析包括断口表面上各种特征花样的线条与面积的多少与大小，断口形貌特征的数量与断裂条件尤其是断裂力学参量之间的定量关系。断口表面残余应力以及表面硬度的大小等。断口的特殊分析断口的特殊分析 断口与失效分析断口与失效分析 疲
57、劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂疲劳断裂的类别疲劳断裂的载荷类型与大小疲劳断裂的起源疲劳断裂失效分析的目的在于找出引起疲劳断裂的确切原因，从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。断口与失效分析断口与失效分析 l疲劳断裂失效的分类疲劳断裂失效的分类 高周疲劳，又称低应力疲劳或长寿命疲劳，是指零件在较低的交变应力作用下直至断裂，其循环周次较高(一般Nf104)，它是最常见的疲劳断裂。有时将Nf大于104而小于106称为中周疲劳。低周疲劳，又称大应力或大应变、短寿命疲劳，是指零件在较高的交变应力作用下直至断裂，其循环周次较低，一般Nf104。疲劳断
58、裂失效分析疲劳断裂失效分析 断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳断裂的宏观分析疲劳断裂的宏观分析 疲劳源区扩展区瞬断区 断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳断裂的宏观分析疲劳断裂的宏观分析 疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别疲劳源区包括裂纹的萌生与第一阶段扩展区 疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处 形成辐射状台阶或条纹疲劳源区的宏观特征氧化或腐蚀较重，颜色较深；断面平坦、光滑、细密，有些断口可见到闪光的小刻面；有向外辐射的放射台阶和放射状条纹；在源区虽看不到疲劳弧线，但它看上去像向外发射疲劳弧线的中心。 断口与失效
59、分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳断裂的宏观分析疲劳断裂的宏观分析 疲劳断裂扩展区的宏观特征 断面较平坦，与主应力相垂直，颜色介于源区与瞬断区之间最基本的宏观特征是疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样)。疲劳弧线是由于外载荷大小、方向发生变化，应力松弛或者材质不均，使得裂纹扩展不断改变方向的结果。在低应力高周疲劳断口上，一般能看到典型的疲劳弧线，而在大应力低周疲劳断口上，一般没有典型的疲劳弧线。疲劳弧线的形状(即绕着疲劳源向外凸起或向外凹下)和疲劳弧线的间距变化等与受力状态，材质及环境介质等有关。 断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳断裂
60、的宏观分析疲劳断裂的宏观分析 瞬断区的宏观特征 瞬断区面积的大小取决于载荷的大小，材料的性质，环境介质等因素。在通常情况下，瞬断区面积较大，则表示所受载荷较大或者材料较脆；相反，瞬断区面积较小，则表示承受的载荷较小或材料韧性较好。瞬断区的位置越处于断面的中心部位，表示所受的外载越大；瞬断区的位置接近自由表面，则表示受到的外力较小。在通常情况下，瞬断区具有断口三要素的全部特征。但由于断裂条件的变化，有时只出现一种或两种特征。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳断裂的微观分析疲劳断裂的微观分析 建立在宏观分析的基础上，它是宏观分析的继续和深化。通过宏观分析即可判明
61、断裂是否属于疲劳断裂，找出疲劳断裂起始区的位置，裂纹的扩展方向，瞬断区面积的大小等。在有些情况下，仅仅通过宏观分析还难以判明断裂的性质和找出准确的断裂源位置等。对断口进行深入的微观分析，才能较准确地判明断裂失效的模式与机制。 断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳断裂的微观分析疲劳断裂的微观分析 疲劳断裂微观分析包括内容:疲劳源区的微观分析首先要确定疲劳源区的具体位置是表面还是亚表面，对于多源疲劳还需判明主源与次源。其次要分析源区的微观形貌特征，包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹，加工刀痕，磨损痕迹，腐蚀损伤及腐蚀产物，材质缺陷(包括晶界、夹杂物、第二相粒子)等。疲
62、劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数据，是分析的重点。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳断裂的微观分析疲劳断裂的微观分析 疲劳断裂微观分析包括内容:疲劳扩展区的微观分析针对第一阶段，要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、二次裂纹以及断裂小刻面的微观形貌。针对第二阶段，观察有无疲劳条带，疲劳条带的性质(包括区分晶体学延性与脆性条带，非晶体学延性与脆性条带)，条带间距的变化规律等。扩展区的微观特征对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载荷的性质与大小等有非常重要的作用。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳断
63、裂的微观分析疲劳断裂的微观分析 瞬断区微观特征分析观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝。韧窝的形貌特征对判断引起疲劳断裂的载荷类型起重要作用。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳载荷类型的判断疲劳载荷类型的判断 反复弯曲载荷引起的疲劳断裂构件承受弯曲载荷时，其应力在表面最大、中心最小。疲劳核心总是在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展。当裂纹达到临界尺寸时，构件迅速断裂，弯曲疲劳断口一般与其轴线成90。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳载荷类型的判断疲劳载荷类型的判断 反复弯曲载荷引起的疲劳断裂单向弯曲疲
64、劳断口在单向交变平面弯曲载荷作用下，疲劳破坏源是从交变张应力最大的一边的表面开始。 双向弯曲疲劳断口在双向交变平面弯曲的作用下，疲劳破坏源则从相对应的两边开始 。弯曲弯曲a裂纹起点b疲劳裂纹扩展区应力c瞬断区断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳载荷类型的判断疲劳载荷类型的判断 反复弯曲载荷引起的疲劳断裂旋转弯曲疲劳断口 旋转弯曲疲劳时，其应力分布是外层大、中心小，故疲劳核心在两侧，且裂纹发展的速度较快，中心较慢，其疲劳线比较扁平。 最后的破坏区向旋转的相反方向偏转一个角度。由这种偏转现象，即疲劳断裂源区与最终断裂区的相对位置便能推断出轴的旋转方向。 断口与失效
65、分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳载荷类型的判断疲劳载荷类型的判断 名义应力小名义应力小名义应力大名义应力大应力集中小应力集中大12断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳载荷类型的判断疲劳载荷类型的判断 反复弯曲载荷引起的疲劳断裂旋转弯曲疲劳断口 旋转轴上缺口越尖锐(应力集中越大)、名义应力越大，最后瞬断区越移向中心。弯曲疲劳裂纹的扩展方向总是与拉伸正应力相垂直，对于那些轴颈突然发生变化的圆轴，其断面往往不是一个平面。而是像皿一样的曲面，此种断口叫皿状断口。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳载荷类型的
66、判断疲劳载荷类型的判断 拉-拉载荷引起的疲劳断裂 当材料承受拉-拉(拉-压)交变载荷时，其应力沿着整个零件的横截面均匀分布。由于应力分布均匀，使疲劳源萌生的位置变化较大。源可以在零件的外表面，也可以在零件的内部。取决于各种缺陷在零件中分布状态及环境因素的影响。高应力、光滑圆试样裂纹萌生于外表面。板状试样疲劳裂纹萌生在应力较大的棱角处。高应力、有缺口试样形成波浪形疲劳弧线。板状试样裂纹由缺口处向中心扩展。低应力试样瞬断区所占的面积较小，疲劳稳定扩展区较大。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳载荷类型的判断疲劳载荷类型的判断 扭转载荷引起的疲劳断裂 轴在交变扭转应
67、力作用下，产生锯齿状或棘轮状断口。一般在双向交变扭转应力作用下，在相应各个起点上发生的裂纹，分别沿着45二个侧斜方向扩展(交变张应力最大的方向)，相邻裂纹相交后形成锯齿状断口。在单向交变扭转应力的作用下，在相应各个起点上发生的裂纹，只沿45倾斜方向扩展。当裂纹扩展到一定程度，最后连接部分破断而形成棘轮状断口。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l疲劳载荷类型的判断疲劳载荷类型的判断 扭转载荷引起的疲劳断裂 如果在轴上开有轴向缺口，如轴上的键槽和花键。则在凹槽的尖角处产生应力集中。裂纹将在尖角处产生，并沿着与最大拉伸正应力相垂直的方向扩展。特别是花键轴，可能在各个尖角
68、处都形成疲劳核心，并同时扩展，在轴的中央汇合，形成星形断口。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l低周疲劳断裂的判据低周疲劳断裂的判据 宏观特征具有多个疲劳源点，且往往成为线状。源区间的放射状棱线(疲劳一次台阶)多而且台阶的高度差大。瞬断区的面积所占比例大，甚至远大于疲劳裂纹稳定扩展区面积。疲劳弧线间距加大，稳定扩展区的棱线(疲劳二次台阶)粗且短。与高周疲劳断口相比。整个断口高低不平。随着断裂循环数(Nf)的降低，断口形貌愈来愈接近静拉伸断裂断口。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l低周疲劳断裂的判据低周疲劳断裂的判据 微观特征由于宏观
69、塑性变形较大，在疲劳断裂过程中出现静载断裂机理。在一般情况下，当疲劳寿命Nf90次时，断口上为细小的韧窝，没有疲劳条带出现；当Nf300次时，出现轮胎花样；当f104时，才出现疲劳条带，此时的条带间距较宽，可达2m周。使用温度超过等强温度，还会出现沿晶断裂。例如GH2136合金550下：当应变幅0.8%时，可观察到清晰的疲劳条带；在应变幅1.2%时，沿晶断裂与条带并存；当应变幅达到2.0%时，以沿晶断裂为主。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析 腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交变载荷协同、交互作用下发生的一种失效模式。腐蚀疲劳断
70、裂失效既不同于应力腐蚀开裂，也不同于一般的机械疲劳断裂，腐蚀疲劳对环境介质没有特定的限制，不像应力腐蚀那样，需要金属材料与腐蚀介质构成特定的组合关系。腐蚀疲劳一般不具有真正的疲劳极限，腐蚀疲劳曲线类似非铁基合金(如铝、镁)的一般疲劳曲线，没有与应力完全无关的水平线段，腐蚀疲劳的条件疲劳极限与材料的抗拉强度没有直接的相关关系。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析 影响腐蚀疲劳断裂过程的因素：环境因素：包括环境介质的成分、浓度、介质的酸度(pH值)、介质中的氧含量、介质的电极电位以及环境温度等；力学因素：包括加载方式、平均应力、
71、应力比、载荷波形、频率以及应力循环周数；材质冶金因素：包括材料的成分、强度、热处理状态、组织结构、冶金缺陷、夹杂物等。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析 机械疲劳、腐蚀疲劳和应力腐蚀三者之间的关系是相对的，要严格地将这三者加以区分有时是困难的。R1，且频率f很低时易产生应力腐蚀当R0，f为中等程度时，易产生腐蚀疲劳随着f的增高，腐蚀的作用愈来愈小，趋于纯机械疲劳。u但是这种区分只是就疲劳裂纹的扩展阶段而言，并未考虑裂纹的萌生阶段。实际上，在腐蚀疲劳裂纹的萌生阶段，腐蚀起了极其重要的作用。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断
72、裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析 腐蚀疲劳裂纹的萌生腐蚀疲劳裂纹的萌生不仅与应力及表面状态有关，而且与腐蚀和表面完整性、腐蚀反应与应力状态之间的相互作用有关。腐蚀疲劳裂纹的萌生随力学因素、环境因素与材质冶金因素的不同而不同断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析 腐蚀疲劳裂纹的萌生腐蚀疲劳裂纹萌生的理论局部腐蚀(孔蚀)理论 择优溶解理论 保护膜破坏理论 吸附理论 最低临界腐蚀速度理论 在表面遭受局部腐蚀处，引起应力集中，当腐蚀坑达到临界深度后，就会形成腐蚀疲劳裂纹。 在驻留滑移带(PSB)形
73、成腐蚀电池，加速局部腐蚀，促使裂纹的萌生。 表面保护膜被驻留滑移带所破坏而露出新鲜表面，发生局部溶解，逐渐在沿滑移边界上出现小而尖的缺口，当缺口深度达到施加应力变程所需的临界值时，就会萌生裂纹。 在腐蚀环境中，腐蚀介质吸附在金属表面上导致表面能下降，使滑移容易产生而促使裂纹萌生。 在驻留滑移带中造成加工硬化的一些位错因局部腐蚀而开动，从而促进了裂纹的萌生。要使位错开动，局部腐蚀速度需要达到某一临界值。低于该速度，裂纹不会萌生。 断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳裂纹的扩展 在腐蚀疲劳裂纹扩展过程中，产生力学和电化学
74、相互作用的部位仅仅限于裂纹尖端。 腐蚀疲劳裂纹扩展的六种过程 反应物向裂纹尖端区输送和反应产物由裂纹尖端区向外转移(传质过程)；金属-环境界面反应生成有害化学物质(如氢原子)，它们被吸附并扩散进入裂尖前缘区，加速裂纹扩展(如通过氢脆)；裂尖阳极溶解；断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳裂纹的扩展 腐蚀疲劳裂纹扩展的六种过程 疲劳开裂导致重复形成新鲜金属表面；循环应变导致裂纹尖端表面保护膜反复破裂；在裂纹张开期形成的腐蚀产物堆积起来，然后既影响裂纹内微区环境(闭塞效应)，又影响裂纹闭合过程以及裂尖处局部应力强度因子的大
75、小(提前闭合)。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳裂纹的扩展 KmaxKISCC时，在腐蚀疲劳扩展过程中将不出现应力腐蚀，da/dN与应力腐蚀无关而主要取决于循环载荷与环境腐蚀的交互作用，称为“真腐蚀疲劳” 。但是da/dN受应力频率f的影响十分明显，且这种影响随材料和环境的组合而异。KmaxKISCC时，应力腐蚀开裂对腐蚀疲劳裂纹扩展速率da/dN有影响，称为“应力腐蚀疲劳” 。大多数工程结构金属材料的腐蚀疲劳裂纹扩展速率为上述两种类型的组合。断口与失效分析断口与失效分析 断口低倍形貌呈现出明显的疲劳弧线；腐蚀疲
76、劳断口的源区与疲劳扩展区一般均有腐蚀产物。但但疲劳断口上覆盖有腐蚀产物，并不一定就是腐蚀疲劳断裂。疲劳断口上覆盖有腐蚀产物，并不一定就是腐蚀疲劳断裂。常规疲劳断裂后的断面上，亦有可能产生锈蚀。因此，断面上有腐蚀产物不是判定是否腐蚀疲劳断裂的唯一判据；腐蚀疲劳断裂一般均起源于表面腐蚀损伤处(包括点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等)，大多数腐蚀疲劳断裂的源区可见到腐蚀损伤特征；疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳的断裂特征 断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳断裂失效分析腐蚀疲劳的断裂特征 腐蚀疲劳
77、断裂扩展区具有某些较明显腐蚀特征，如腐蚀坑、泥纹花样等；腐蚀疲劳断裂的重要微观特征是穿晶解理脆性疲劳条带；在腐蚀疲劳断裂过程中，当腐蚀损伤占主导地位时，腐蚀疲劳断口呈现穿晶与沿晶混合型；当KmaxKISCC，在频率很低的情况下，腐蚀疲劳断口呈现出穿晶解理与韧窝混合特征。断口与失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l热疲劳断裂失效分析热疲劳断裂失效分析定义：零件在没有外加载荷的情况下，由于工作温度的反复变化而导致的开裂叫热疲劳。 热疲劳属于应变疲劳。影响热疲劳的主要因素是冷热循环的频率和上限温度的高低。 影响热疲劳性能的其它因素有材料的热膨胀系数()、导热率(K)等。 断口与
78、失效分析断口与失效分析 疲劳断裂失效分析疲劳断裂失效分析 l热疲劳断裂失效分析热疲劳断裂失效分析热疲劳断口的形貌特征对有表面应力集中零件，热疲劳裂纹易产生于应变集中处；对光滑表面零件，则易产生于温度高，温差大的部位，在这些部位首先产生多条微裂纹。热疲劳裂纹发展极不规则，呈跳跃式，忽宽忽窄。有时还会产生分枝和二次裂纹，裂纹多为沿晶开裂。热疲劳断口与机械疲劳断口在宏观上有相似之处，也分为三个区域。微观形貌为韧窝和疲劳条带。热疲劳裂纹附近显微硬度降低，这是由于高温氧化使靠近热疲劳裂纹两侧的材料产生合金元素贫化。断口与失效分析断口与失效分析 沿晶断裂失效分析沿晶断裂失效分析 l金属零件的沿晶断裂大都归
79、入脆性断裂失效范畴，主要包括热脆、低温脆、铜脆、回火脆、氢脆、应力腐蚀致脆、液态金属致脆等等 。l沿晶断裂失效模式的判别 宏观特征 断口的两匹配面很好地吻合一致，断口附近没有或极少有塑性变形绝大部分断面结构粗糙呈颗粒状，称为“岩石状”断口、断面平齐，边缘无剪切唇、一般与主应力轴垂直。断面无纤维状和放射状特征，一般看不出加载速度影响，且宏观上难以判明裂纹扩展方向。 断口与失效分析断口与失效分析 沿晶断裂失效分析沿晶断裂失效分析 l沿晶断裂失效模式的判别 微观特征 沿晶分离晶界面光滑无特征，呈冰糖块状，或者显示撕裂痕和细小的韧窝花样。u当零件断口上既有沿晶断裂又有韧窝断裂的混合状态时，在分析时要加
80、以区分，二者的形成机制不同，断裂原因也不同。 断口与失效分析断口与失效分析 晶界沉淀相引起的沿晶断裂 沿晶断裂失效分析沿晶断裂失效分析 l沿晶断裂失效原因分析 晶界沉淀相所造成的沿晶断裂多是沿晶韧窝断裂。这些沉淀相的形状可以是长形的、树枝状或锯齿状及链状。这些相通常能够用金相法检查出来。采用萃取法不但可以确定其形状，而且可准确地测定其组成。断裂过程是在外力作用下，围绕晶界沉淀相首先形成显微空洞。这些空洞长大最后连接起来，就是沿晶裂纹。因此，随晶界粒子数量的增加，沿晶界扩展裂纹所需要的总应力减小，而沿晶断裂的百分比则增加。断口与失效分析断口与失效分析 晶界沉淀相引起的沿晶断裂 沿晶断裂失效分析沿
81、晶断裂失效分析 l沿晶断裂失效原因分析 引起第二相在晶界析出的因素合金的成分热加工中的加热温度冷却速度热处理制度等断口与失效分析断口与失效分析 杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断裂杂质元素在晶界上聚集，降低了晶界的聚合能最常见的脆性杂质元素有Si、Ge、Sn、P、As、Sb、S、Se、Te等。沿晶断裂失效分析沿晶断裂失效分析 l沿晶断裂失效原因分析 断口与失效分析断口与失效分析 杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断裂第一类回火脆引起的沿晶断裂某些钢(主要是高强合金钢)经淬火后在低温(350左右)短时间回火后出现的脆化现象称为第一类回火脆。第一类回火脆最明显的特征是：冲击值明显下降，断口在宏观呈岩石状，微
82、观上沿原奥氏体界面断裂，晶界面上观察不到第二相粒子，微区成分分析发现在晶界面上有杂质元素P、S、As等偏聚第一类回火脆又称不可逆回火脆，即重复回火后不可消除脆性。沿晶断裂失效分析沿晶断裂失效分析 l沿晶断裂失效原因分析 断口与失效分析断口与失效分析 杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断裂第二类回火脆引起的沿晶断裂有些钢经淬火后在600以上的高温下回火，若冷速缓慢或在500左右长时间停留，会引起钢的韧性大幅度下降，而在冲击断口上出现沿晶断裂，这种现象称为第二类回火脆。由于通过重新热处理可消除脆性，故又称可逆回火脆。引起第二类回火脆的原因是钢中存在有Sb、Sn、P等杂质元素。由于大多数合金结构钢都经调质
83、处理后使用，所以第二类回火脆更具危险性。沿晶断裂失效分析沿晶断裂失效分析 l沿晶断裂失效原因分析 pSb、Sn、P等杂质元素在500600下向晶界扩散、偏聚，降低晶界的结合能。p钢中的某些合金元素(如Ni、Cr等)促进杂质元素向晶界扩散，偏聚，而另一些元素(如Ti、Mo等)则起抑制作用，将杂质元素钉扎在基体中，阻止杂质元素向晶界偏聚。断口与失效分析断口与失效分析 杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断裂回火脆的原因有多种理论，如相析出论，碳化物转变论，残余奥氏体分解论和杂质元素偏聚论等。对各种钢的回火脆断口表面探测分析的结果表明：沿晶断裂面上的Sn、Sb、P等杂质元素的浓度比基体平均浓度高出50010
84、00倍。这一结果证实杂质元素在晶界上的偏聚是导致回火脆的主要原因。沿晶断裂失效分析沿晶断裂失效分析 l沿晶断裂失效原因分析 断口与失效分析断口与失效分析 金属过热、过烧引起的沿晶断裂金属零件在热加工过程中，或使用过程中在过热、过烧温度区间内长期或短期停留，均会引起零件整件、或局部过热与过烧，从而在应力作用下导致沿晶脆性断裂。过热、过烧断口宏观上呈粗大的颗粒状，无明显的断裂起源特征，断口附近无明显变形，过烧断口无金属光泽。过热断口微观形貌为晶粒粗大，晶界分离面上有细小的韧窝。过烧断口微观形貌为晶粒粗大，晶界粗而深，晶界分离面上有氧化膜、熔化的孔洞等特征。沿晶断裂失效分析沿晶断裂失效分析 l沿晶断
85、裂失效原因分析 断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l金属材料的表面或内部的连续性遭到局部破裂称为裂纹。l裂纹是断裂失效的前奏。l裂纹分析主要是指裂纹的无损检测及光学金相磨片分析，如果将裂纹打开，分析其断裂特征，则纳入断口分析范畴。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹分析方法裂纹分析方法裂纹的检查及宏观分析钢材生产和工件制造过程中的质量检验，运行的机器和设备停修期的安全检验，一项重要内容就是裂纹的检查。肉眼进行外观检查，无损探伤法如采取X射线、磁力、超声波、荧光等物理探伤法检测裂纹。敲击测音法着色检查断口
86、与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹分析方法裂纹分析方法裂纹的微观分析光学金相分析和电子金相分析确定裂纹的性质和产生的原因裂纹形态特征，其分布是穿过晶粒开裂，还是沿晶粒边界开裂。主裂纹附近有无微裂纹。裂纹处及附近的晶粒度，有无显著粗大或细小或大小极不均匀的现象。晶粒是否变形，裂纹与晶粒变形的方向相平行或垂直。裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物，它们的形态、大小、数量及分布情况如何。裂纹源是否产生于碳化物或非金属夹杂周围，裂纹扩展过程与夹杂物之间有无联系。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹分析方法裂纹
87、分析方法裂纹的微观分析裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象，有无氧化物和脱碳组织出现。产生裂纹的表面是否存在加工硬化层或回火层。裂纹萌生处及扩展路径周围是否有过热组织、魏氏组织、带状组织以及其它形式的组织缺陷。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹分析方法裂纹分析方法其它分析应力分析结合加工工艺和使用条件，从裂纹特征、裂纹周围的显微组织缺陷、力学性能、化学成分综合分析研究，从而找出产生裂纹的原因。零件的工艺流程和每道工序的工艺参数、零件的形状及工艺条件分析。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹起始位置的分析
88、裂纹起始位置的分析材料原因所引起的裂纹金属的表面缺陷，例如夹杂、斑疤、划痕、折叠、氧化、脱碳、粗晶环等金属的内部缺陷，例如缩孔、气孔、疏松、偏析、夹杂物、白点、过热、过烧、发纹等。金属的表面缺陷和内部缺陷起始的裂纹，一般可以找到作为裂纹源的缺陷。偏析一般并不破坏金属的连续性，但是却使金属材料机械性能变得不均匀，并造成某些薄弱环节。因此偏析也可能成为裂纹源。断口与失效分析断口与失效分析 零件的形状因素所引起的裂纹断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹起始位置的分析裂纹起始位置的分析零件上存在尖锐的凹角、凸边或缺口。工件截面尺寸相差悬殊时的台阶、尖角等。焊接件的应力集中处。在深拉或
89、冲压时，由于总的变形程度太大，或零件圆角太小，或材料的晶粒度不均匀，往往在底部圆角处(变形程度最大)产生裂纹或开裂。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹起始位置的分析裂纹起始位置的分析受力状态不同所引起的裂纹裂纹一般 在应力最大处生核单向弯曲疲劳裂纹一般起源于受力最大的一边双向弯曲疲劳裂纹一般起源于受力两边的最大应力处在齿面上的磨损裂纹，一般起源于齿轮的节圆附近(该处的受力最大，相对运动速度最大、磨损也严重)断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹的宏观形貌裂纹的宏观形貌龟裂裂纹的宏观外形呈龟壳网络状态
90、分布龟裂裂纹的深度都不大，是一种表面裂纹铸锭或铸件表面的龟裂锻件表面的龟裂热处理中形成的表面龟裂磨削过程中产生的龟裂焊接过程中产生的龟裂使用过程的龟裂断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析铸锭或铸件表面的龟裂精密铸钢件表面的龟裂是由于融溶金属液与模型涂料起作用，而生成硅酸盐夹杂物。这种硅酸盐夹杂物有的作为领先相从金属液体中析出，有的则在铸件表面的初始奥氏体晶上析出，从而在钢体表面上形成龟裂。在铸锭表面上龟裂，也可能是由于锭型内壁有网状裂缝，钢液注入后则流入这种网状裂缝内，凝固后起着“钉子”的作用，影响钢锭的自由收缩，以致造成钢锭表面的龟裂。此外，铸件表面
91、龟裂还可能是在12501450形成的热裂纹。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析锻件表面龟裂形成的原因可以是过烧、渗铜、含硫量过高等。过烧裂纹多出现在易于过热的凸出表面和棱角部位，其形态为网络状或龟裂状。有时还可见表面有氧化色，无金属光泽。断口粗糙，呈灰暗色。当钢中的含铜量过高(0.2wt%)时，在热锻过程中局部铜含量相对地增加，从而沿晶界聚集并向钢材内部扩散，形成富铜的网络，在毛坯进行锻造加热过程中，杂质铜高温下沿晶界渗入而导致铜脆龟裂。当钢中含硫量较高时，低熔点的硫化铁与铁以共晶形式存在于晶粒边界上呈网络状。在高温锻造时，它们处于熔融状态，使塑性变
92、形能力降低引起锻件开裂。这种开裂也多呈龟裂状。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析热处理中形成的表面龟裂表面脱碳的高碳钢零件，淬火时易形成表面网状裂纹龟裂。由于表面脱碳不仅使淬火硬度大为降低，而且由于零件表里不同含碳量的奥氏体具有不同的马氏体开始转变温度Ms，加上冷却先后的差异，扩大了组织转变的不同时性和体积变形的不均匀性，使淬火组织应力显著增加，从而使表面造成很大的多向拉应力而形成网状裂纹。这种裂纹在重复淬火的高碳钢零件上经常出现。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析焊接过程中产生的龟裂在电弧焊时，有时因为起
93、弧电流过大，以致引起局部热量过高，而形成焊接龟裂。焊接龟裂，属于焊接热裂纹，它一般是在11001300的温度范围内、焊缝刚刚凝固、晶界强度较小的情况下，由于热应力的作用产生的。往往发生在焊缝区或由焊缝区开始向基体金属引伸，最后成为一种沿晶粒边界分布的网状裂纹。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析磨削过程中产生的龟裂淬火回火后或渗碳后热处理的零件，在磨削过程中有时在表面形成大量的龟裂或与磨削方向基本垂直的条状裂纹。磨削裂纹的产生的原因：在磨削金属表面时产生大量的磨削热冷却不充分，使磨削表面薄层重新奥氏体化，随后又再次淬火成为马氏体，从而表面层产生附加应力
94、，加上磨削加热速度极快，这种组织应力和热应力可能导致磨削表面产生磨削裂纹。零件淬火回火后，组织中还可能存在残余奥氏体、网状碳化物或内应力，在磨削加热时，可能引起进一步的组织转变或应力的再分配，最后导致产生磨削裂纹。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析使用过程中的龟裂主要是蠕变龟裂。蠕变裂纹是金属或合金在“等强温度”以上工作时，在低应力的条件下，沿晶界扩展的一种裂纹。蠕变是在高温低应力的条件下，先在晶界形成空洞、细沟或微裂纹中，通过扩散使原来溶解在金属中的氧或大气中的氧进入空洞、细沟或微裂纹，从而使晶界逐渐氧化，降低了裂纹发展所需的能量，最后使金属发生沿
95、晶的蠕变断裂。蠕变裂纹一般从金属表面开始(氧供应比较充分)，其起始形态一般是沿晶界排列的孔洞。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析直线状裂纹l裂纹的宏观形貌裂纹的宏观形貌最典型的直线状裂纹是由于发纹或其它非金属夹杂物在后续工序中扩展而形成的裂纹。这种裂纹沿材料的纵向分布，裂纹较长，在裂纹的两侧和金属的基体上，一般有氧化物夹杂或其它非金属夹杂物。发纹是由于钢材内部存在的非金属夹杂物沿热加工方向延伸而形成的一种纵向线性缺陷。淬火裂纹是纵向的直线状裂纹。对冷拔、热拔、深冲、挤压的制品，在表面还可能产生拉痕。削工艺不合理时，也有可能产生纵向直线裂纹。断口与失效
96、分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析其它形状裂纹l裂纹的宏观形貌裂纹的宏观形貌环形裂纹、周向裂纹、辐射状裂纹、弧状裂纹等p淬火裂纹不一定都是起源于表面，也不一定都是沿零件纵向分布的。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹的走向裂纹的走向金属裂纹的走向是按应力和强度两个原则进行应力原则金属的脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀断裂，裂纹的扩展方向一般都垂直于主拉伸应力的方向；韧性金属承受扭转载荷或金属在平面应力的情况下，其裂纹的扩展方向一般平行剪切应力的方向。强度原则强度原则即指裂纹总是沿着最小阻力路线即材料的薄弱环节处扩展。
97、当材质比较均匀时，应力原则起主导作用，裂纹按应力原则进行扩展；而当材质存在着明显不均匀时，强度原则将起主导作用，裂纹将按强度原则进行扩展。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹的微观形貌裂纹的微观形貌应力腐蚀裂纹、氢脆裂纹、回火脆性裂纹、磨削裂纹、焊接热裂纹、冷热疲劳裂纹、过烧引起的锻造裂纹、铸造热裂纹、蠕变裂纹、热脆裂纹等都是沿晶界扩展的疲劳裂纹、解理断裂裂纹、淬火裂纹(由于冷速过大、零件截面突变等原因引起的淬火裂纹)、焊接裂纹及其他韧性断裂裂纹都是穿晶裂纹。淬火裂纹既可以是沿晶的，也可以是穿晶或混合的。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析
98、中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹周围及裂纹末端情况裂纹周围及裂纹末端情况一方面要结合零件的工艺流程进行分析，例如，有无加热工序，是否在高温下工作等；一方面要对裂纹的周围情况作认真的金相分析，例如有无非金属夹杂的分布及其形状等。根据裂纹及其周围的形状和颜色，可以判断裂纹经历的温度范围和零件的工艺历史，从而找到产生裂纹的具体工序。多数裂纹两侧形状凹凸相应吻合。但是发裂、拉痕、磨削裂纹、折叠裂纹以及经过变形后的裂纹等，其偶合特征不明显。断口与失效分析断口与失效分析 断裂失效分析中的裂纹分析断裂失效分析中的裂纹分析l裂纹周围及裂纹末端情况裂纹周围及裂纹末端情况淬火裂纹呈瘦直线状，线条刚键、棱
99、角较多而尾巴尖细。铸造热裂纹一般具有龟裂的外形，裂纹沿原始晶界延伸，裂纹的内侧一般有氧化和脱碳，裂纹的末端圆秃。磨削裂纹一般细而浅，呈龟裂或有规律的直线排列。拉痕、发裂纹的末端一般均呈圆秃。折叠裂纹末端粗钝。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂性质断裂性质(模式模式)的分析的分析断裂模式断面特征塑性断裂脆性断裂疲劳断裂切断型正断型缺口脆性低温脆性低周疲劳高周疲劳放射线不出现，在高强度钢中有时会出现不出现明显不太明显较不明显，板材有近似人字纹明显且细弧形线不出现不出现不出现不出现疲劳弧线，应力幅变动大时明显疲劳弧线，但在恒载时不出现断面粗糙
100、度比较光滑粗糙的齿状极粗糙粗糙较光滑极光滑色彩较弱的金属光泽灰色白亮色，接近金属光泽结晶状金属光泽白亮色灰黑色倾角(与最大正应力的交角)45909090裂纹扩展速率小时为直角(K型)，大时接近45(K)90断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂源位置的分析判断断裂失效往往在零件的表面或次表面或在应力集中处萌生，如尖角、缺口、凹槽及表面损伤处等薄弱环节。受力状态、断裂模式(如延性与脆性，一次过载断与疲劳断裂等)的不同，在断口上留下特征也不相同。一般情况下根据宏观特征来确定断裂起源的位置。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分
101、析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂源位置的分析判断放射状条纹或人字纹的收敛处为裂源如果主裂纹断口宏观形貌具有放射状的撕裂棱线或呈人字花样，则放射状撕裂棱的收敛处即为断裂的起源位置。同样人字纹收敛处(即人字头指向处)亦为裂源，人字纹的方向即为裂纹扩展方向。对两侧带有缺口的薄板零件，则由于裂纹首先在应力集中的缺口处形成，裂纹沿缺口处扩展速度较快，两侧较慢，故人字纹的尖顶方向是裂纹的扩展方向，和无缺口平滑板材零件正好相反。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂源位置的分析判断纤维状区中心处为裂源当断口上呈现纤维区、放射区和剪切唇区的宏观特征时，
102、则裂源均在纤维区的中心处。如果纤维区为圆形或椭圆形，则它们的圆心为裂源，如果纤维区处在边部且呈半圆形或弧形条带，则裂源在零件表面的半圆或弧形条带的中心处。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂源位置的分析判断裂源处无剪切唇形貌特征某些机械零件(如厚板、轴类等)，裂源常在构件的表面无剪切唇处。剪切唇是最终断裂的形貌，断裂的扩展方向由裂源指向剪切唇。裂源位于断口的平坦区内机械零件的宏观断口常常呈现平坦区和凹凸不平区两部分(例如疲劳断口)，凹凸不平区通常是裂纹快速失稳扩展的形貌特征，而平坦区则是裂纹慢速稳定扩展的特征标记，裂源位于断口的平坦区内。
103、断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂源位置的分析判断疲劳弧线曲率半径最小处为裂源如果断口上具有明显的疲劳弧线，则疲劳源位于疲劳弧线曲线半径最小处，或者是在与疲劳弧线相垂直的放射状条纹汇集处。环境条件作用下断裂件的裂源环境条件作用下断裂失效件的裂源位于腐蚀或氧化最严重的表面或次表面。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂扩展方向的分析判别断裂扩展方向的分析判别断裂扩展的宏观方向与微观方向有时并不完全一致。在通常情况下主要是要判明断裂的宏观走向；在某些情况下，还要判明裂纹的微观走向。断裂扩
104、展方向的判别断裂失效分析中，当裂源的位置确定后，一般情况下，其裂纹扩展的宏观方向(即指向源区的反方向就是裂纹宏观扩展方向)随之确定。如放射线发散方向，纤维区主剪切唇区方向，与疲劳弧线相垂直的放射状条纹发散方向等。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂扩展方向的分析判别断裂扩展方向的分析判别断裂扩展的微观方向判别解理与准解理断裂微观扩展方向的判别河流花样合并方向就是解理裂纹扩展方向，反方向是起源。准解理裂纹的扩展方向与解理裂纹正好相反，即在一个晶粒内，河流花样的发散方向为准解理裂纹局部扩展方向。在解理或准解理的显微断面上，扇形或羽毛状花样的发
105、射方向为裂纹的局部扩展方向。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂扩展方向的分析判别断裂扩展方向的分析判别断裂扩展的微观方向判别疲劳裂纹微观扩展方向的判别与疲劳条带相垂直的方向为裂纹局部扩展方向。轮胎花样间距增大的方向为疲劳裂纹局部扩展方向。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂失效原因的分析断裂失效原因的分析断裂失效原因分析的前提条件分析对象要明确：某一机械零件首先断裂失效后，往往会导致其它机械构件断裂，因此应将首先失效件(肇事件)准确无误地找出来，作为断裂失效分析的主要对象，是判明零
106、件失效原因乃至整个事故原因的首要前提。断裂失效的性质判明要准确。断裂失效的性质不同，其断裂失效的机理与原因不同，所用分析的手段与方法也不相同。有关断裂失效过程的事实要尽可能全面、真实可靠与清楚。与断裂失效件有关的原始资料与数据要尽可能全面与准确。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂失效原因的分析断裂失效原因的分析断裂失效原因分析要点外力与抗力分析判断准则任何零件的任何类别的断裂失效，都是在零件所承受的外力超过了零件本身所具有的抗力的条件下发生的。确定了断裂失效性质的失效件，既要分析零件承受的外力，包括载荷的类型、大小、加载的频率与振幅以及
107、由此引起的应力分布状况等，又要分析零件本身所具有的抗力，包括材质冶金因素、表面完整性因素和环境因素等。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂失效原因的分析断裂失效原因的分析断裂失效原因分析要点由外力超过抗力引起的断裂失效对几何形状复杂的零件的应力分布(主要是应力集中)分析不透、计算不准确而造成局部应力过大引起断裂失效；缺乏深入而全面的系统分析，使得零件的自振频率与系统的某一振动频率相耦合，引起共振而造成超载断裂失效；对零件承受的主要载荷类型及大小与选用的材料所具有的主要抗力指标不匹配而造成超载失效。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起
108、源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂失效原因的分析断裂失效原因的分析断裂失效原因分析要点零件具有的抗力不足而引起的断裂失效在实际使用中零件的断裂失效大部分是由于零件本身具有的抗力不足所致。造成零件失效抗力下降的主要因素有：材质冶金因素包括材料的化学成分超标或存在标准中未予规定的微量有害元素 (如O、N、H、Sb、Pb、As、Sn、Bi等)。显微组织结构异常或超标，包括基体组织，第二相的数量、大小与分布，析出相的组分、大小与分布，晶粒度及残余奥氏体等。非金属夹杂物的种类、数量、大小及分布等超标。冶金缺陷超标(包括疏松、偏析、气孔、夹砂等)及流线分布不合理等。表面或内部存在有宏观裂纹
109、或显微裂纹。断口与失效分析断口与失效分析 断裂模式、起源和扩展途径分析断裂模式、起源和扩展途径分析l断裂失效原因的分析断裂失效原因的分析表面完整性不符合要求或在使用中遭到破坏均会造成零件的力学性能、物理性能与化学性能(即失效抗力)下降，从而诱发裂纹在这些部位萌生。表面完整性包括表面粗糙度、表面防护层的致密性、完整性及外界因素造成的机械损伤等。表层残余应力的类型、大小与分布。残余拉应力往往与外加应力叠加而促进断裂失效。残余拉应力提高应力腐蚀与氢脆等敏感性，因而是有害的，残余压应力能提高疲劳断裂寿命，降低应力腐蚀敏感性，因而是有利的；对于化学、电化学腐蚀，无论是残余压应力还是残余拉应力均是不利的。
110、典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析该类型螺钉在装配及装配后一段时间后均有断裂的情况发生。其工艺包括表面经氯化铵镀镉后，经19010/23h除氢工艺。典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析断裂于第一螺纹根部，断口高差较大，光杆部分可见装配过程中造成的磨痕；断口亦可见小刻面特征典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析低倍形貌可见断口整体呈小刻面特征，局部有明显的擦伤特征，钉头内边缘颜色较其它部位深。典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析外边缘、中部及内边缘的高倍
111、形貌可见断口整体均为沿晶特征。典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析断裂性质分析断裂性质分析断口均以沿晶特征为主，断裂性质为沿晶脆性断裂。螺钉在装配及后续放置过程中处于室温状态，且能谱分析仅在个别螺钉断口的局部位置发现Cd元素，因此基本可以排除镉脆的可能性。螺钉的快速冲击试验断口为韧窝特征，可排除螺钉回火脆断的可能性。对螺钉的整个装配、工作过程及试验结果进行分析表明，本次螺钉断口以沿晶特征为主，螺钉断口几乎没有塑性变形，延伸率低，因此螺钉的断裂应主要与氢脆有关。典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析影响氢脆的因素影响氢脆的因素
112、材料性能：高强度钢对氢脆的敏感性极大，且强度越高，氢脆越容易发生。螺钉的强度已经达到1700MPa，在此强度下，螺钉对氢脆高度敏感。且螺纹根部和螺钉钉头根部均存在缺口效应，氢更容易聚集，增强了螺钉的氢脆敏感性。故障螺钉整体断口均为沿晶特征，断口几乎没有塑性变形，延伸率低，说明材料脆性强，塑性差，螺钉在一定的应力条件下即可能发生氢脆。典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析影响氢脆的因素影响氢脆的因素氢含量：对于强度在1700MPa级别的30CrMnSiNi2A螺栓，含氢量在12ppm以上即有可能导致氢脆，而检测结果表明，该螺钉的螺杆与螺纹部分的氢含量均过高，检测
113、值多数在6ppm以上。氢含量过高，材料中的氢压越大，对开裂的贡献越大，即越容易发生氢脆。典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析影响氢脆的因素影响氢脆的因素应力：螺钉装配采用电动/气动载荷装配，并且未对装配应力进行控制，因此装配应力可能较大，相对应的是螺栓承受的预紧力也较高。材料的氢脆存在应力门槛值，应力超过此门槛值才可能发生氢脆，且应力越大，氢脆越容易发生。因此，装配应力较大也是氢脆的可能原因。典型案例分析典型案例分析 案例1: 30CrMnSiNi2A螺钉断裂分析改进措施降低螺钉的强度在合适的范围，并改善其塑性;应制定针对措施，加强除氢工艺的稳定性，以控制氢
114、含量在一个较低的范围，避免氢含量过高诱发氢脆;应制定规范的装配标准，降低装配应力的大小和速率，防治螺钉因应力过大诱发氢脆。典型案例分析典型案例分析 案例2:柱塞弹簧断裂失效分析 试验中泵在运转3.5h后检查发现三台泵上的弹簧发生断裂。柱塞泵弹簧在与柱塞泵连接的转子旋转过程中受油压作用。转子的旋转速度为3680rpm，转子上均匀分布7根弹簧。弹簧的工作环境为150、油环境。 典型案例分析典型案例分析 案例2:柱塞弹簧断裂失效分析 三台泵上的弹簧断裂位置及宏观形貌三台泵上的弹簧断裂位置及宏观形貌典型案例分析典型案例分析 案例2:柱塞弹簧断裂失效分析 所有弹簧断裂形式基本相同A A区区B B区区B区
115、区 ： 围围 绕绕着着 A区区 边边 缘缘起起源源扩扩展展的的疲疲劳劳区区域域，为为 灰灰 色色 ， B区区面面积积约约占占整整个个断断面面的的80，可可见见放射棱线。放射棱线。A区区：大大致致平平行行于于绕绕簧簧钢钢丝丝的的轴轴线线方方 向向 ， 为为 黑黑 褐褐色色，该该区区域域全全部部为为沿沿晶特征。晶特征。典型案例分析典型案例分析 案例2:柱塞弹簧断裂失效分析 A A区区B B区区B B区围绕区围绕A A区区起源起源弹簧钢丝表弹簧钢丝表面轴向裂纹面轴向裂纹典型案例分析典型案例分析 案例2:柱塞弹簧断裂失效分析 断口断口A A区泥纹花样区泥纹花样 断口断口A A区沿晶特征区沿晶特征 断断
116、面面均均包包括括沿沿晶晶区区域域和和疲疲劳劳区区域域，疲疲劳劳区区域域均均围围绕绕沿沿晶晶区域的边缘起裂并扩展区域的边缘起裂并扩展弹弹簧簧的的断断裂裂性性质质：以以沿沿晶晶开开裂裂小小裂裂纹纹作作为为疲疲劳劳源源并并在在循循环环应应力力作作用下的疲劳开裂和断裂用下的疲劳开裂和断裂典型案例分析典型案例分析 案例2:柱塞弹簧断裂失效分析 软氮化层厚度和疏松检验合格金相组织未见异常化学成分符合标准要求 弹簧均是先沿晶腐蚀后再疲劳断裂，腐蚀是导致弹簧失弹簧均是先沿晶腐蚀后再疲劳断裂，腐蚀是导致弹簧失效的直接原因。效的直接原因。 绕绕簧簧钢钢丝丝为为1Cr18Ni9奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢，该该材材料料
117、具具有有晶晶间间腐腐蚀蚀的的倾倾向向，在在弹弹簧簧的的加加工工制制造造过过程程中中存存在在造造成成晶晶间间腐腐蚀蚀的的条件。条件。分分 析：析：典型案例分析典型案例分析 案例2:柱塞弹簧断裂失效分析 结论： 弹簧的断裂性质为由沿晶腐蚀小裂纹导致的疲劳断裂 。断口与失效分析思考题断口与失效分析思考题 （1）纤维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。（2）滑移分离是在平面应力状态下进行的。（3）所有解理特征花样，都是局部发生微观脆性变形形成的。（4）高弹性断裂与脆性断裂过程中，裂纹的慢速扩展阶段在断口上留下光滑区，快速扩展阶段在断口上留下粗糙区。（5）解理断裂中的重要微观特征是
118、河流花样，河流的流向恰好与裂纹扩展方向相反。（6）疲劳条带是疲劳裂纹局部瞬时前沿线的微观塑性变形痕迹，其法线方向与裂纹扩展方向一致。断口与失效分析思考题断口与失效分析思考题 （7）氢脆断裂都是沿晶的。（8）通常情况下，晶界的键合力高于晶内，断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶。（9）当存在两个或两个以上的疲劳断裂件时，由于先发生开裂的件承受的应力较大，所以大应力疲劳断裂件出现在前，低应力疲劳断裂件出现在后。（10）当机械零件在断裂过程中产生变形并断成几块时，可测定各碎块不同方向上的变形量大小，变形量小的部位为主裂纹，其他部位为二次裂纹。（11）疲劳裂纹稳定扩展第一阶段主要是在切应力的作用下进行的。断
119、口与失效分析思考题断口与失效分析思考题 （1）在室温条件下，随着材料强度的增加，纤维区与放射区由 变 ，而剪切唇区由 变 。（2）金属的塑性变形方式主要有 、 、 、和 四种。（3）零件的疲劳断裂不仅取决于材质，而且对零件的 、 、 、 、 等非常敏感。（4）塑性断裂对装备与环境造成的危害远较脆性断裂 、 断裂往往会引起危险的突发事故。（5）韧窝的形状主要取决于所受的 状态。韧窝的形状有 韧窝， 韧窝， 韧窝， 断口与失效分析思考题断口与失效分析思考题 （1）以下那几种情况会使解理断裂中的河流花样激增？（）A解理断裂穿过扭转晶界 B裂纹与小角度倾斜晶界相交时C裂纹穿过普通大角度晶界时 D裂纹在扩展过程中的暂时停歇后又重新启动。（2）一般情况下为穿晶的裂纹有（ ）A疲劳裂纹 B淬火裂纹 C解理断裂裂纹 D磨削裂纹（3）关于疲劳裂纹微观扩展方向的判别说法正确的 有（）A与疲劳条带相垂直的方向为裂纹局部扩展方向。B轮胎花样间距增大的方向为裂纹局部扩展方向。C河流花样合并方向就是裂纹扩展方向。断口与失效分析思考题断口与失效分析思考题 1.解释何为解理断裂？2.写出腐蚀疲劳断裂失效的分析判据3.描述准解理断口与解理断口的不同之处4.一般如何判断断裂源位置5.断口按断裂机制可分哪几类
