2-1-斷口宏觀分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、 實(shí)驗(yàn)二斷口的宏觀分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉金屬材料常見的幾種失效形式及類型，了解失效分析中斷口觀察的目的、意義。2、掌握斷口的基本類型、特點(diǎn)及斷口觀察分析方法，了解失效分析思路。3、利用光學(xué)顯微鏡對拉伸和沖擊試樣進(jìn)行斷口觀察分析。二、實(shí)驗(yàn)概述1、失效的形式及其類型按失效機(jī)理，金屬材料的常見失效形式有：變形失效、斷裂失效、磨損失效和腐蝕失效等幾種主要類型。（1）變形失效變形通常是機(jī)械構(gòu)件在外載荷作用下，形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。從微觀上講是指材料在外載荷作用下，晶格產(chǎn)生畸變，宏觀上發(fā)生了變形。若外載消除變形亦消除時，這種變形為彈性變形；若外載消除，晶格不能恢復(fù)原樣，即畸變不能消除時，稱這種變形為

2、塑性變形。變形失效是指機(jī)械構(gòu)件在使用過程中產(chǎn)生過量變形，即不能滿足原設(shè)計要求的變形量。變形失效分為彈性變形失效和塑性變形失效兩種。彈性變形失效僅是材料的彈性模量發(fā)生變化，而與機(jī)械構(gòu)件的尺寸和形狀無關(guān)；塑性變形失效將導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件表面損傷，其機(jī)械構(gòu)件的形狀與尺寸均發(fā)生變化。（2）斷裂失效斷裂是指金屬、合金材料或機(jī)械產(chǎn)品在外載荷的作用下分成兩部分（或以上）的現(xiàn)象。斷裂是個動態(tài)的變化過程，包括裂紋的萌生及擴(kuò)展過程。斷裂失效是指機(jī)械構(gòu)件由于斷裂而引起的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品不能完成原設(shè)計所指定的功能。斷裂失效按斷裂機(jī)理不同有如下多種類型：解理斷裂失效；韌窩破斷失效；準(zhǔn)解理斷裂失效；疲勞斷裂失效；蠕變斷裂失效；應(yīng)力

3、腐蝕斷裂失效；沿晶斷裂失效；液態(tài)或固態(tài)金屬脆性斷裂失效；氫脆斷裂失效；滑移分離失效等。（3）磨損失效磨損是摩擦作用下物體相對運(yùn)動時，表面逐漸分離出磨屑而不斷損傷的現(xiàn)象。磨損失效是指由于磨損現(xiàn)象的發(fā)生使機(jī)械零部件不能達(dá)到原設(shè)計功效，即不能達(dá)到原設(shè)計水平。磨損失效的主要類型有：粘著磨損失效；磨粒磨損失效；腐蝕磨損失效；變形磨損失效；表面疲勞磨損失效；沖擊磨損失效；微振磨損失效等。（4）腐蝕失效腐蝕是指金屬或合金材料表面因發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的損傷現(xiàn)象。金屬腐蝕雖然在酸洗、化學(xué)電源、電解加工、金相浸蝕等方面起著有益于人類的作用，但是它在國民經(jīng)濟(jì)上所造成的損失是相當(dāng)嚴(yán)重的。由于腐蝕作用是機(jī)械構(gòu)件

4、喪失原設(shè)計功能的現(xiàn)象稱為腐蝕失效。腐蝕失效的主要類型有：直接化學(xué)腐蝕失效；電化學(xué)腐蝕失效；點(diǎn)腐蝕失效；局部腐蝕失效；沿晶腐蝕失效；選擇性腐蝕失效；縫隙腐蝕失效；生物腐蝕失效；磨損腐蝕失效；氫損傷失效；應(yīng)力腐蝕失效等。上述幾類主要失效中尤以斷裂失效的危害性最大。進(jìn)行斷裂失效分析時,斷口觀察和分析時重要的環(huán)節(jié)之一。2、斷口分析大多數(shù)零件的斷裂失效是在運(yùn)行過程中發(fā)生的，因此斷裂損壞和別的零部件、周圍環(huán)境和操作人員等均有著十分密切的關(guān)系。查找原因就要從零（部）設(shè)計、材料質(zhì)量、加工狀態(tài)、維修情況、裝配精度、工作環(huán)境、服役條件和操作方法等因素中找出造成損壞的主要原因，通過分析判斷找出損壞的原因，從而制定出

5、改進(jìn)措施。斷裂過程是個動態(tài)過程，對斷裂直接進(jìn)行觀察分析是很困難的；而斷口是斷裂的靜態(tài)反應(yīng)，如實(shí)地反映了機(jī)械構(gòu)件斷裂的全過程，包括裂紋的萌生與擴(kuò)展過程，通過對斷口進(jìn)行仔細(xì)觀察和分析就能找出斷裂的原因、機(jī)理等。因此對機(jī)械零（部）件的斷口進(jìn)行分析是斷裂失效分析的一個重要手段。斷口分析，是用肉眼、低倍放大鏡、實(shí)體顯微鏡、電子顯微鏡、電子探針、俄歇電子能譜、離子探針質(zhì)譜等儀器設(shè)備，對斷口表面進(jìn)行觀察及分析，結(jié)合無損檢測、機(jī)械性能試驗(yàn)、化學(xué)分析、電子能譜分析、X射線分析、模擬試驗(yàn)等，以便找出斷裂的形貌特征、成分特點(diǎn)及相結(jié)構(gòu)等與致斷因素的內(nèi)在聯(lián)系。最后將分析和試驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，判斷出失效的原因并

6、提出改進(jìn)措施，寫出失效分析報告。斷口分析包括宏觀分析和微觀分析兩個方面。宏觀分析主要判斷分析斷口形貌。微觀分析，既包括微觀形貌分析又包括斷口產(chǎn)物分析（如產(chǎn)物的化學(xué)成分、相結(jié)構(gòu)及其分布等）。（1）原始資料的收集原始資料是指構(gòu)件服役前的全部經(jīng)歷、服役歷史和斷裂時的現(xiàn)場情況等。服役前的經(jīng)歷包括構(gòu)件的批次、材料和加工工藝等；服役歷史包括承受載荷的類型、使用情況及其它同批次的使用情況和員工操作規(guī)范等。對于大型或斷裂件較多的構(gòu)件，還要從散落的失效殘骸中選擇有分析價值的斷口和供做其它檢測用的試樣材料。收集的斷裂件在對其斷口進(jìn)行分析以前必須妥善地保護(hù)好斷口并進(jìn)行必要的處理。（2）主裂紋和裂紋源的判別在對斷口進(jìn)

7、行分析前，首先要選擇最先開裂的構(gòu)件斷口。有時一個構(gòu)件在斷裂過程中形成幾個斷片時（如高壓容器或鍋爐爆炸事故等），也要選擇最先斷裂的斷口，即主裂紋所形成的斷口。經(jīng)常使用的主裂紋的判別方法有：T型法，分枝法，變形法和氧化法等四種方法，如圖1所示。T型法：將散落的斷片按相匹配的斷口合并在一起，其裂紋形成T型。分枝法：將散落的斷片按相匹配斷口合并，其裂紋形成樹枝型。在斷裂失效中，往往在出現(xiàn)一個裂紋后，產(chǎn)生很多的分叉或分枝裂紋。裂紋的分枝或分叉方向通常為裂紋的局部擴(kuò)展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂紋為二次裂紋，匯合裂紋為主裂紋。變形法：將散落的斷片按相匹配斷口合并，構(gòu)成原來機(jī)械構(gòu)件的幾何形狀，測量其幾

8、何形狀的變化情況，其變形量較大的部位為主裂紋，其它部位為二次裂紋。氧化法：在受環(huán)境因素影響較大的斷裂失效中，檢驗(yàn)斷口各個部位的氧化程度，其中氧化程度最嚴(yán)重者為最先斷裂者即主裂紋所形成的斷口，因?yàn)檠趸瘒?yán)重者說明斷裂的時間主斷面（主裂紋）確定后尋找裂紋源區(qū)，裂紋源區(qū)是斷裂破壞的宏觀開始部位。尋找裂紋源的方法有：利用斷口上的“三要素”特征利用斷口上的“人”字紋特征根據(jù)斷口上的放射花樣根據(jù)斷口上的“貝紋”線將斷開的零件的兩部分相匹配，則裂縫的最寬處為裂紋源根據(jù)斷口上的色彩程度斷口表面的損傷情況斷口的邊緣情況三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、了解體視顯微鏡的基本原理和功能特點(diǎn)，熟悉其操作規(guī)程并學(xué)會熟練操作。2、觀察分析不

9、同材料的靜載拉伸和沖擊斷口的宏觀形貌，區(qū)分?jǐn)嗫诘奶卣鲄^(qū)域，了解各特征區(qū)域的形貌特點(diǎn),用體視顯微鏡拍攝能反映特征區(qū)域特點(diǎn)的斷口照片。3、分析比較不同材料靜載拉伸和沖擊斷口的宏觀形貌的區(qū)別，并分析原因。四、實(shí)驗(yàn)所用材料、工藝規(guī)范及儀器設(shè)備1、實(shí)驗(yàn)材料低碳鋼、中碳鋼和鑄鐵拉伸斷口試樣；低碳鋼和鑄鐵沖擊斷口試樣；酒精；藥棉。2、工藝規(guī)范利用靜載拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)后的斷口試樣，對試樣斷口進(jìn)行宏觀觀察分析，區(qū)分不同斷口的各個特征區(qū)域，分析其形成的原因。3、儀器設(shè)備體視顯微鏡（型號：608Z）,金相顯微鏡（型號：4XB）,相機(jī)，攝像/照相系統(tǒng)。五、實(shí)驗(yàn)組織及步驟1、實(shí)驗(yàn)組織每班分成若干批次，以每批次8-12人為宜。每批分4組，每組2-3人，每組鑄鐵、低碳鋼（中碳鋼）拉伸斷口試樣各一個，鑄鐵、低碳鋼沖擊斷口試樣各一個。2、實(shí)驗(yàn)步驟（1）記錄零件的尺寸，了解零