失效分析第6章

第六章裂纹与断口分析6.1裂纹与断口6.2裂纹分析6.3断口分析6.1裂纹与断口裂纹：金属的局部破裂(也称裂缝)，是一种不完全断裂的缺陷。裂纹的存在不仅直接破坏了材料的连续性，而且多数裂纹尾端较尖锐，产生很大的应力集中，使金属在低应力作用下发生破坏。

断口：零件断裂处的自然表面，即裂纹扫过的面积（裂纹的两个相对面）。重要性：断口上的形貌特征是裂纹扩展留下的痕迹，因此断口的结构和外形直接记录了断裂起因、过程和与断裂过程有关的各种信息，所以断口是断裂全过程的最好的忠实记录者和见证者。6.1裂纹与断口研究目的：研究裂纹和断口是分析零件失效过程和原因、采取有效措施防止失效的有力依据。

分析方法：可直接用肉眼进行观察，亦可用各种仪器，如放大镜、金相显微镜、扫描电子显微镜和透射电镜等。对裂纹分析还可采用磁粉探伤仪、荧光探伤仪、超声波探伤仪、X光探伤仪等方法。

6.1裂纹与断口6.2.1工艺裂纹与使用裂纹按形成时期分为：工艺裂纹、使用裂纹工艺裂纹：零件在各种加工过程中产生的裂纹。往往是零件的断裂源。失效常常是某一工艺裂纹在一次加载条件下失稳扩展造成零件破裂。如：铸造裂纹、锻轧裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、磨削裂纹和皱裂、皱褶等。6.2裂纹分析使用裂纹：零件使用过程中产生并扩展的裂纹称为使用裂纹。如：应力腐蚀裂纹(包括氢脆裂纹)、疲劳裂纹和蠕变裂纹等。

6.2.1工艺裂纹与使用裂纹据产生根源分为：铸造裂纹、锻造裂纹、轧制裂纹、磨削裂纹、热处理裂纹、焊接裂纹、疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等。基本形貌特征：裂纹两侧凹凸不平，但耦合自然。除某些沿晶裂纹外，绝大多数尾端尖锐。形状各异，与形成原因有关。（直线、分枝、龟裂、辐射、环行、弧形等）6.2.2裂纹的分类及形貌特征裂纹分析的思路

6.2.3裂纹的分析与鉴别裂纹通常起源于零件的应力集中处，或材料缺陷处。（1）起源于较深的刀痕，刮伤、圆角和台阶等处。（2）起源于材料的折叠、拉痕、偏析等缺陷处。实际零件上的裂纹常常有几条，并且在扩展时会出现分枝(即二次裂纹)，通常主裂纹较二次裂纹宽而长，裂纹源区一定在主裂纹上，且通常在二次裂纹扩展的反方向上。一、主裂纹与裂纹源区位置的确定一、主裂纹与裂纹源区位置的确定T型法则：如果零件上有一条裂纹与另一条裂纹相遇或垂直的情况，因为在同一零件上，后来产生的裂纹不可能穿越原有裂纹而扩展，所以这条裂纹是晚生的

。裂纹源只能在主裂纹上，根据源区的裂纹常较宽、较深的特点及其他有关信息来判断源区位置。

一、主裂纹与裂纹源区位置的确定一、主裂纹与裂纹源区位置的确定裂纹的走向与主应力垂直(即所谓的裂纹走向的应力原则)；且总是希望沿最小阻力路线——即材料的薄弱环节(或缺陷)处扩展(即所谓裂纹走向的强度原则)；而实际裂纹走向就是这两个因素综合作用的结果。

一、主裂纹与裂纹源区位置的确定1、原有（铸造、锻轧、焊接）裂纹与热处理中产生裂纹的鉴别(1)判断热加工前已存在的裂纹某些热加工前，已存裂纹经历热加工后会留有热加工痕迹。包括：热处理时可能沿裂纹末端扩展，也可能沿裂纹两侧扩展(裂纹加宽或产生新裂纹)，如热处理时零件在空气中加热，则原有的锻造裂纹两侧一般均有氧化、脱碳现象。

二、裂纹的鉴别(2)判断热处理中所生成的裂纹（原因不同，形貌各异）①设计和加工不当生成的裂纹②因材料缺陷所生成的裂纹③因热处理工艺或操作不当生成的裂纹特征：新生成的裂纹两侧边的形状是拼合的，而原有裂痕经过变形其拼合特征不明显。二、裂纹的鉴别2、铸造、锻轧和焊接裂纹的鉴别①铸造裂纹：生成于冷却时，具有龟裂的外形，裂纹沿原始晶界延伸，内侧一般有氧化脱碳，尾端圆秃。②锻轧裂纹：如为表面裂纹，通常呈直线形、网状和混合型，有时分叉成“Y”型，形状不规则，长度不大，两端尖锐，垂直于锻件表面向内部深入，有的锻造裂纹呈裂口状。③焊接裂纹：焊接缺陷和焊接应力共同作用的结果，焊接裂纹多形成于焊缝及附近的热影响区内。二、裂纹的鉴别3、使用裂纹的鉴别主要有应力腐蚀、疲劳和蠕变裂纹等基本类型，这些裂纹的形态特征与其形成条件有关。机械冷应力裂纹是在冷锻、冲压、冷拔、装配、扩孔、攻丝、冷剪等工序中形成的裂纹，没有高温特性，也可归类于使用中形成的裂纹。此类裂纹形成应力较高，裂纹起源部位在零件表面，呈倾斜的裂口状，多为穿晶形式，有时是穿晶与沿晶混合形式。二、裂纹的鉴别断口分析：对故障金属构件断裂面进行检查并分析其断裂原因的技术，现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段（宏观断口分析、微观断口分析）。

解决基本问题：断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。6.3断口分析断口分类：脆性断口和延性断口脆性断口：几乎不伴随塑性变形而断口。断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成。延性断口：伴随着明显塑性变形的断口。断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜，分别称为正断口和斜断口，从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。6.3断口分析断口分析的依据：断口的颜色与光泽断口上的花纹断口上的粗糙度断口与最大正应力的交角断口上的冶金缺陷6.3断口分析6.3断口分析6.3.1宏观断口分析

宏观断口分析：是指用肉眼或放大镜对断口进行观察、分析。（低于40倍的观察）在很多情况下，利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。（举典型断口说明）6.3断口分析一、静拉伸断口塑性金属静载拉伸试验，颈缩断裂后形成杯状断口。金属断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇纤维区：口中心是裂纹首先形成的地方，因吸收大量塑性变形功而丧失了金属光泽，呈纤维状。放射区：纤维区外面有一圈形似山脊的放射状花样，称为放射区。剪切唇：最外层有与拉力轴线成45°的斜断口部分，这是最终断裂时，在最大切应力方向上大量滑移变形形成的，表面光滑，称为剪切唇。一、静拉伸断口三区所占面积比例决定于材料塑性和实验条件，如试验温度，试样形状和加载条件等。如：随着试验温度降低，材料的脆性倾向增大，反映脆性特征的断口形貌所占断口面积比例增大。

一、静拉伸断口在上述断口三个区域中，纤维区裂纹形成最早，扩展缓慢，待其长大成为宏观裂纹，且剩余的有效截面积不足以承受当时的载荷时，即裂纹达到临界尺寸，便进入快速扩展阶段。放射花样就是裂纹快速扩展留下的痕迹，放射源发散的方向与裂纹扩展方向平行，而垂直于裂纹前沿。因此按放射花样收敛的方向上溯，可找到裂纹源。一、静拉伸断口疲劳断裂过程有三个阶段，其断口也可观察到三个区域：疲劳裂纹起源区、扩展区、最终断裂区（瞬断区）裂纹起源区：裂纹萌生区，比例小。通常指断面上疲劳花样放射源的中心，位于构件表面应力集中处或不同类型的缺陷部位（可能有多个）。二、疲劳断口裂纹扩展区：沙滩样或贝壳状条纹（疲劳弧带）由于交变应力下，裂纹扩展时受到障碍，时而扩展，时而停止而产生的，宏观上呈现明亮的磨光区。台阶越多，表明其应力或应力集中越大（疲劳断口的判断依据）。最终断裂区：裂纹扩展到临界尺寸，承载截面强度不足，引起瞬间断裂。脆性断裂，程粗糙的”晶粒“状结构。二、疲劳断口二、疲劳断口二、疲劳断口二、疲劳断口二、疲劳断口应力腐蚀开裂的裂纹起源于表面，裂纹有分支特征，总体上呈树枝状，其中主裂纹扩展较快。应力腐蚀断口，从宏观上看一般有三个区域：①断裂源区即裂纹起始的地方，一般由局部腐蚀或其他类型的裂纹引起。如点腐蚀、缝隙腐蚀等，这些原裂纹可以是焊接裂纹、热处理裂纹等。

三、应力腐蚀断口

②裂纹扩展区反映应力腐蚀裂纹缓慢扩展的过程，这个过程的特征是呈脆性的，裂纹扩展可以是穿晶的，也可以是沿晶的。断口粗糙不平，而且不平度随材料的组织和晶粒度而变化。有电化学反应的产物存在，在应力腐蚀断裂的断口上，可看到一深色区。③最终断裂区特征与普通疲劳断口的最终断裂区相同。

三、应力腐蚀断口

三、应力腐蚀断口

微观断口分析：主要是利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电子探针(EPMA)等仪器研究断裂的微观过程、断裂机制，分析导致失效的各种因素。下图是微观断口分析的基本方法。6.3.2微观断口分析6.3.2微观断口分析韧性断裂分为：正断（微孔聚集的韧窝花样，覆盖大量微坑）切断（纯剪切的蛇形花样）一、韧性断口微观形貌韧窝类型：等轴韧窝（正应力）剪切韧窝（切应力）撕裂韧窝（撕裂应力）一、韧性断口微观形貌一、韧性断口微观