失效分析第6章

第六章裂紋與斷口分析6.1裂紋與斷口6.2裂紋分析6.3斷口分析6.1裂紋與斷口裂紋：金屬的局部破裂(也稱裂縫)，是一種不完全斷裂的缺陷。裂紋的存在不僅直接破壞了材料的連續(xù)性，而且多數(shù)裂紋尾端較尖銳，產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，使金屬在低應(yīng)力作用下發(fā)生破壞。

斷口：零件斷裂處的自然表面，即裂紋掃過(guò)的面積（裂紋的兩個(gè)相對(duì)面）。重要性：斷口上的形貌特征是裂紋擴(kuò)展留下的痕跡，因此斷口的結(jié)構(gòu)和外形直接記錄了斷裂起因、過(guò)程和與斷裂過(guò)程有關(guān)的各種信息，所以斷口是斷裂全過(guò)程的最好的忠實(shí)記錄者和見證者。6.1裂紋與斷口研究目的：研究裂紋和斷口是分析零件失效過(guò)程和原因、采取有效措施防止失效的有力依據(jù)。

分析方法：可直接用肉眼進(jìn)行觀察，亦可用各種儀器，如放大鏡、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電鏡等。對(duì)裂紋分析還可采用磁粉探傷儀、熒光探傷儀、超聲波探傷儀、X光探傷儀等方法。

6.1裂紋與斷口6.2.1工藝裂紋與使用裂紋按形成時(shí)期分為：工藝裂紋、使用裂紋工藝裂紋：零件在各種加工過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋。往往是零件的斷裂源。失效常常是某一工藝裂紋在一次加載條件下失穩(wěn)擴(kuò)展造成零件破裂。如：鑄造裂紋、鍛軋裂紋、焊接裂紋、熱處理裂紋、磨削裂紋和皺裂、皺褶等。6.2裂紋分析使用裂紋：零件使用過(guò)程中產(chǎn)生并擴(kuò)展的裂紋稱為使用裂紋。如：應(yīng)力腐蝕裂紋(包括氫脆裂紋)、疲勞裂紋和蠕變裂紋等。

6.2.1工藝裂紋與使用裂紋據(jù)產(chǎn)生根源分為：鑄造裂紋、鍛造裂紋、軋制裂紋、磨削裂紋、熱處理裂紋、焊接裂紋、疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋等?；拘蚊蔡卣鳎毫鸭y兩側(cè)凹凸不平，但耦合自然。除某些沿晶裂紋外，絕大多數(shù)尾端尖銳。形狀各異，與形成原因有關(guān)。（直線、分枝、龜裂、輻射、環(huán)行、弧形等）6.2.2裂紋的分類及形貌特征裂紋分析的思路

6.2.3裂紋的分析與鑒別裂紋通常起源于零件的應(yīng)力集中處，或材料缺陷處。（1）起源于較深的刀痕，刮傷、圓角和臺(tái)階等處。（2）起源于材料的折疊、拉痕、偏析等缺陷處。實(shí)際零件上的裂紋常常有幾條，并且在擴(kuò)展時(shí)會(huì)出現(xiàn)分枝(即二次裂紋)，通常主裂紋較二次裂紋寬而長(zhǎng)，裂紋源區(qū)一定在主裂紋上，且通常在二次裂紋擴(kuò)展的反方向上。一、主裂紋與裂紋源區(qū)位置的確定一、主裂紋與裂紋源區(qū)位置的確定T型法則：如果零件上有一條裂紋與另一條裂紋相遇或垂直的情況，因?yàn)樵谕涣慵?，后?lái)產(chǎn)生的裂紋不可能穿越原有裂紋而擴(kuò)展，所以這條裂紋是晚生的

。裂紋源只能在主裂紋上，根據(jù)源區(qū)的裂紋常較寬、較深的特點(diǎn)及其他有關(guān)信息來(lái)判斷源區(qū)位置。

一、主裂紋與裂紋源區(qū)位置的確定一、主裂紋與裂紋源區(qū)位置的確定裂紋的走向與主應(yīng)力垂直(即所謂的裂紋走向的應(yīng)力原則)；且總是希望沿最小阻力路線——即材料的薄弱環(huán)節(jié)(或缺陷)處擴(kuò)展(即所謂裂紋走向的強(qiáng)度原則)；而實(shí)際裂紋走向就是這兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。

一、主裂紋與裂紋源區(qū)位置的確定1、原有（鑄造、鍛軋、焊接）裂紋與熱處理中產(chǎn)生裂紋的鑒別(1)判斷熱加工前已存在的裂紋某些熱加工前，已存裂紋經(jīng)歷熱加工后會(huì)留有熱加工痕跡。包括：熱處理時(shí)可能沿裂紋末端擴(kuò)展，也可能沿裂紋兩側(cè)擴(kuò)展(裂紋加寬或產(chǎn)生新裂紋)，如熱處理時(shí)零件在空氣中加熱，則原有的鍛造裂紋兩側(cè)一般均有氧化、脫碳現(xiàn)象。

二、裂紋的鑒別(2)判斷熱處理中所生成的裂紋（原因不同，形貌各異）①設(shè)計(jì)和加工不當(dāng)生成的裂紋②因材料缺陷所生成的裂紋③因熱處理工藝或操作不當(dāng)生成的裂紋特征：新生成的裂紋兩側(cè)邊的形狀是拼合的，而原有裂痕經(jīng)過(guò)變形其拼合特征不明顯。二、裂紋的鑒別2、鑄造、鍛軋和焊接裂紋的鑒別①鑄造裂紋：生成于冷卻時(shí)，具有龜裂的外形，裂紋沿原始晶界延伸，內(nèi)側(cè)一般有氧化脫碳，尾端圓禿。②鍛軋裂紋：如為表面裂紋，通常呈直線形、網(wǎng)狀和混合型，有時(shí)分叉成“Y”型，形狀不規(guī)則，長(zhǎng)度不大，兩端尖銳，垂直于鍛件表面向內(nèi)部深入，有的鍛造裂紋呈裂口狀。③焊接裂紋：焊接缺陷和焊接應(yīng)力共同作用的結(jié)果，焊接裂紋多形成于焊縫及附近的熱影響區(qū)內(nèi)。二、裂紋的鑒別3、使用裂紋的鑒別主要有應(yīng)力腐蝕、疲勞和蠕變裂紋等基本類型，這些裂紋的形態(tài)特征與其形成條件有關(guān)。機(jī)械冷應(yīng)力裂紋是在冷鍛、沖壓、冷拔、裝配、擴(kuò)孔、攻絲、冷剪等工序中形成的裂紋，沒(méi)有高溫特性，也可歸類于使用中形成的裂紋。此類裂紋形成應(yīng)力較高，裂紋起源部位在零件表面，呈傾斜的裂口狀，多為穿晶形式，有時(shí)是穿晶與沿晶混合形式。二、裂紋的鑒別斷口分析：對(duì)故障金屬構(gòu)件斷裂面進(jìn)行檢查并分析其斷裂原因的技術(shù)，現(xiàn)已成為對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行失效分析的重要手段（宏觀斷口分析、微觀斷口分析）。

解決基本問(wèn)題：斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機(jī)制、斷裂韌性、斷裂過(guò)程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴(kuò)展速率等。6.3斷口分析斷口分類：脆性斷口和延性斷口脆性斷口：幾乎不伴隨塑性變形而斷口。斷裂面通常與拉伸應(yīng)力垂直，宏觀上斷口由具有光澤的結(jié)晶亮面組成。延性斷口：伴隨著明顯塑性變形的斷口。斷裂面可能同拉伸應(yīng)力垂直或傾斜，分別稱為正斷口和斜斷口，從宏觀來(lái)看，斷口上有細(xì)小凹凸，呈纖維狀。6.3斷口分析斷口分析的依據(jù)：斷口的顏色與光澤斷口上的花紋斷口上的粗糙度斷口與最大正應(yīng)力的交角斷口上的冶金缺陷6.3斷口分析6.3斷口分析6.3.1宏觀斷口分析

宏觀斷口分析：是指用肉眼或放大鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察、分析。（低于40倍的觀察）在很多情況下，利用宏觀觀察就可以判定斷裂的性質(zhì)、起始位置和裂紋擴(kuò)展路徑。但如果要對(duì)斷裂起點(diǎn)附近進(jìn)行細(xì)致研究，分析斷裂原因和斷裂機(jī)制，還必須進(jìn)行微觀觀察。（舉典型斷口說(shuō)明）6.3斷口分析一、靜拉伸斷口塑性金屬靜載拉伸試驗(yàn)，頸縮斷裂后形成杯狀斷口。金屬斷口三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇纖維區(qū)：口中心是裂紋首先形成的地方，因吸收大量塑性變形功而喪失了金屬光澤，呈纖維狀。放射區(qū)：纖維區(qū)外面有一圈形似山脊的放射狀花樣，稱為放射區(qū)。剪切唇：最外層有與拉力軸線成45°的斜斷口部分，這是最終斷裂時(shí)，在最大切應(yīng)力方向上大量滑移變形形成的，表面光滑，稱為剪切唇。一、靜拉伸斷口三區(qū)所占面積比例決定于材料塑性和實(shí)驗(yàn)條件，如試驗(yàn)溫度，試樣形狀和加載條件等。如：隨著試驗(yàn)溫度降低，材料的脆性傾向增大，反映脆性特征的斷口形貌所占斷口面積比例增大。

一、靜拉伸斷口在上述斷口三個(gè)區(qū)域中，纖維區(qū)裂紋形成最早，擴(kuò)展緩慢，待其長(zhǎng)大成為宏觀裂紋，且剩余的有效截面積不足以承受當(dāng)時(shí)的載荷時(shí)，即裂紋達(dá)到臨界尺寸，便進(jìn)入快速擴(kuò)展階段。放射花樣就是裂紋快速擴(kuò)展留下的痕跡，放射源發(fā)散的方向與裂紋擴(kuò)展方向平行，而垂直于裂紋前沿。因此按放射花樣收斂的方向上溯，可找到裂紋源。一、靜拉伸斷口疲勞斷裂過(guò)程有三個(gè)階段，其斷口也可觀察到三個(gè)區(qū)域：疲勞裂紋起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、最終斷裂區(qū)（瞬斷區(qū)）裂紋起源區(qū)：裂紋萌生區(qū)，比例小。通常指斷面上疲勞花樣放射源的中心，位于構(gòu)件表面應(yīng)力集中處或不同類型的缺陷部位（可能有多個(gè)）。二、疲勞斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)：沙灘樣或貝殼狀條紋（疲勞弧帶）由于交變應(yīng)力下，裂紋擴(kuò)展時(shí)受到障礙，時(shí)而擴(kuò)展，時(shí)而停止而產(chǎn)生的，宏觀上呈現(xiàn)明亮的磨光區(qū)。臺(tái)階越多，表明其應(yīng)力或應(yīng)力集中越大（疲勞斷口的判斷依據(jù)）。最終斷裂區(qū)：裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸，承載截面強(qiáng)度不足，引起瞬間斷裂。脆性斷裂，程粗糙的”晶?！盃罱Y(jié)構(gòu)。二、疲勞斷口二、疲勞斷口二、疲勞斷口二、疲勞斷口二、疲勞斷口應(yīng)力腐蝕開裂的裂紋起源于表面，裂紋有分支特征，總體上呈樹枝狀，其中主裂紋擴(kuò)展較快。應(yīng)力腐蝕斷口，從宏觀上看一般有三個(gè)區(qū)域：①斷裂源區(qū)即裂紋起始的地方，一般由局部腐蝕或其他類型的裂紋引起。如點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕等，這些原裂紋可以是焊接裂紋、熱處理裂紋等。

三、應(yīng)力腐蝕斷口

②裂紋擴(kuò)展區(qū)反映應(yīng)力腐蝕裂紋緩慢擴(kuò)展的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的特征是呈脆性的，裂紋擴(kuò)展可以是穿晶的，也可以是沿晶的。斷口粗糙不平，而且不平度隨材料的組織和晶粒度而變化。有電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物存在，在應(yīng)力腐蝕斷裂的斷口上，可看到一深色區(qū)。③最終斷裂區(qū)特征與普通疲勞斷口的最終斷裂區(qū)相同。

三、應(yīng)力腐蝕斷口

三、應(yīng)力腐蝕斷口

微觀斷口分析：主要是利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和電子探針(EPMA)等儀器研究斷裂的微觀過(guò)程、斷裂機(jī)制，分析導(dǎo)致失效的各種因素。下圖是微觀斷口分析的基本方法。6.3.2微觀斷口分析6.3.2微觀斷口分析韌性斷裂分為：正斷（微孔聚集的韌窩花樣，覆蓋大量微坑）切斷（純剪切的蛇形花樣）一、韌性斷口微觀形貌韌窩類型：等軸韌窩（正應(yīng)力）剪切韌窩（切應(yīng)力）撕裂韌窩（撕裂應(yīng)力）一、韌性斷口微觀形貌一、韌性斷口微觀