斷口失效分析技術

主要內容斷口、斷口分析斷口的宏觀特征分析一次過載斷裂的宏觀特征宏觀斷口三要素疲勞斷口、脆性斷口的宏觀特征斷口的微觀特征分析韌窩斷口、解理斷口、準解理斷口、沿晶斷口、疲勞斷口、蠕變斷口

、環境敏感斷口典型斷口賞析、實際案例分析

2一、斷口、斷口分析

31.1斷口分析目的判斷斷裂的性質分析斷裂的機理為進一步分析提供分析基礎提出可能的預防措施41.2斷口分析的任務確定斷裂的宏觀性質確定斷口的宏觀形貌查找裂紋源區的位置及數量確定斷口的形成過程確定斷裂的微觀機制確定斷口表面產物的性質，該產物是否參與了斷裂過程等51.3斷口含義斷口分析是失效分析的基礎斷口是指：具備斷口的形貌和宏微觀特征斷口（肉眼可觀察、具有一定的大小）裂紋（小斷口，有時肉眼無法觀察）二次裂紋：具備和斷口一樣的性質--“替補隊員”671.4斷口分析的技術手段斷口的常用分析方法是宏觀和微觀方法肉眼、或低倍放大鏡或體視顯微鏡斷口全貌（斷口位置、顏色、方向性的標志）判斷裂源位置、數量、斷裂類型及性質用高倍率的放大手段對斷口進行觀察1.5確定主斷口或主裂紋的方法9依據斷裂性質特性確定首斷件原則韌后脆先法脆性疲勞優先法疲勞低應力優先10拼湊T法分叉法宏觀判斷方法變形程度法氧化顏色觀察法疲勞裂紋長度法1.6斷口的獲得(制備)加工清洗物理覆膜去除外來污染物、氧化皮化學方法電解方法真空方法111.7斷口分類按斷裂的性質韌性斷口和脆性斷口按斷裂機理韌窩斷口、解理斷口、準解理斷口、沿晶斷口、穿晶斷口和疲勞斷口按照斷裂途徑沿晶斷裂和穿晶斷裂二種按照斷裂方式正斷和切斷混合斷裂12二、斷口的宏觀特征132.1靜載荷斷口（過載）靜載荷斷口---三要素纖維區、放射區和剪切唇依據斷口上所占的比例可以粗略的評價材料的性能1415靜載荷試樣宏觀斷口三要素（無缺口）斷口三要素示意圖斷口實際形貌16沖擊斷口三要素分布、形狀及位置示意圖缺口圓形拉伸試樣斷口三要素示意圖17矩形拉伸試樣斷口三要素變化示意圖18一次過載斷裂-應力取向與宏觀斷裂路徑圓形試樣在拉伸、扭轉、壓縮與彎曲載荷下的應力取向與宏觀斷裂路徑1938Cr鋼拉伸韌性斷口

低溫拉伸脆性斷口（無纖維區只有放射區)彈簧的脆性扭轉斷口，斷面與軸線成45度1056鋼軸（表面硬化，表面硬度60HRC，心部20HRC）的沖擊彎曲過載斷裂20斷口三要素在斷裂失效分析中的應用裂源位置裂紋擴展方向斷口上有二或三種要素區時，剪切唇區是最后斷裂區

2.2疲勞斷口宏觀特征

按照斷裂過程的先后有三個明顯的特征疲勞源區擴展區瞬斷區特點名義應力遠低于屈服，甚至低于彈性極限缺陷、表面、形狀、環境敏感性突然性分類：（載荷、壽命）低周、高周（載荷）軸向疲勞：拉-拉、拉-壓、脈動；彎曲（單向、雙向、旋轉）扭轉、振動（載荷源、環境）機械、熱、高溫、腐蝕、接觸、微動等2223二級渦輪葉片（GH37合金）疲勞斷口形貌源區、擴展區與瞬斷區界線明顯24疲勞斷裂擴展區的宏觀特征典型的貝殼紋（凸形）1050鋼軸（35HRC）旋轉彎曲疲勞斷裂起源于圓周上尖銳的咬傷槽，疲勞貝紋是凹狀橢圓形25最終斷裂區宏觀特征瞬斷區面積的大小取決于載荷大小、材料性質、環境介質等瞬斷區位置越處于斷面的中心部位，表示所受的載荷越大；瞬斷區的位置接近自由表面，則表示受到的外力較小通常情況下，瞬斷區具有斷口三要素的全部特征261Cr1Ni2W2MoV鋼缺口旋轉彎曲疲勞斷裂起始于斷口根部，主源位于1區，2區為擴展區，3為瞬斷區僅占斷面1/10且偏離中心27疲勞載荷類型與宏觀斷口關系在不同載荷狀態下的彎曲疲勞斷口宏觀特征示意圖28在不同載荷狀態下拉－拉（拉－壓）疲勞斷口宏觀特征示意圖29GH99軸缺口旋轉彎曲疲勞斷口宏觀形貌（Nf=3.37×106）多源疲勞擴展區瞬斷區主源反復彎曲載荷引起的疲勞斷裂30

a：正斷型，多點起裂，±45°擴展，鄰裂紋相交（交變拉應力最大方向）

b：剪斷型

c：復合型

aC：星形b扭轉載荷引起的疲勞斷裂3140CrMnSiMoVA鋼低周疲勞（Nf＝2.04×105周）斷口斷裂起始于缺口根部源位于表面，多源（徑向臺階）擴展區成月牙形（亮區）瞬斷區呈暗灰色有明顯放射線外圍有剪切唇40CrMnSiMoVA鋼旋轉彎曲疲勞（Nf＝2.04×105周）斷口1疲勞源區2擴展區3瞬斷區低周疲勞斷裂：多源、線狀、臺階、瞬斷區面積大322.3脆性斷口宏觀特征40CrMnSiMoVA鋼

脆斷宏觀斷口

1.源區

2.擴展區40CrMnSiMoVA鋼過熱粗晶脆性斷口

無剪切唇3338CrA鋼鎘脆斷口

暗灰色，平齊，無剪切唇30CrMnSiNiA鋼脆斷斷口

1.源區

2.擴展區（內有人字紋）

3.撕裂區342.4三種斷口特征的比較35斷面特征切斷型正斷型缺口脆性低溫脆性低周疲勞高周疲勞放射不出現，在高強度鋼中有時出現不出現明顯不太明顯較明顯，板材有近似人字紋明顯且細貝紋不出現不出現不出現不出現疲勞貝紋，應力幅變動大時明顯疲勞貝紋，但在恒載時不出現斷面粗糙度比較光滑粗糙的齒狀極粗糙粗糙較光滑極光滑色彩較弱的金屬光澤灰色白亮色，接近金屬光澤結晶狀金屬光澤白亮色灰黑色傾角≈45o≈90

o≈90

o≈90o裂紋擴展速率小時為直角（KI型）大時接近45o

（KII）≈

90o缺陷的斷口形態菊花狀平斷口無區別不出現不出現較不明顯，有時也呈現出延性斷口在裂紋核心區，在裂紋擴展過程中也會明顯出現36三、斷口微觀特征373.1韌窩斷口工程材料由于過載而發生韌性斷裂時形成的斷口，宏觀上為纖維狀，微觀形態為韌窩左圖SEM5000×38韌窩形成過程示意圖a.第二相粒子與基體界面處位錯堆集、界面分離而成微孔b.微孔長大形成空洞c.空洞的增殖和連接39不同應力狀態下形成的韌窩形狀A.正應力:等軸韌窩B.切應力：方向相反的拋物線狀韌窩C.撕裂應力：方向相同的拋物線狀韌窩40左圖為滑移流變所形成的蛇行滑移、漣波、延伸區示意圖a.自由表面上的應力分布1為最大主應力b.單晶的蛇行滑移，箭頭所指為滑移面分離，形成新的表面c.滑移流變過程：蛇行滑移→漣波→模糊、平坦化→延伸區形成蛇行滑移漣波花樣413.2解理斷口及其微觀特征金屬在正應力作用下，由于原子間結合鍵的破壞而沿特定的晶面發生的斷裂所形成的斷口（溫度！！）單晶體由應力誘導解理斷裂(呈脆性)到應變誘導（伴隨大的延性）解理斷裂的轉變＜Tc解理＞Tc塑變后解理421通過二次解理形成的解理臺階解理臺階的會合

a.異號臺階會合使臺階消失

b.同號臺階會合使臺階增大解理裂紋與螺位錯相交形成解理臺階的示意圖特征1--解理臺階43河流花樣形成過程示意圖特征2—河流花樣44解理舌狀花樣

SEM

2000×舌狀花樣的形成示意圖特征3—舌狀花樣45魚骨狀花樣2000×解理羽毛狀花樣1000×特征4—魚骨花樣特征5—解理扇花樣463.3準解理斷口準解理斷口2000×解理小平面上撕裂棱形成過程示意圖a.裂紋形成b.裂紋長大c.通過撕裂而連接形成撕裂棱準解理斷口：裂紋擴展不連續；河流（短、彎、大量撕裂棱）；裂紋源自斷裂面內部473.4沿晶斷口

沿晶斷裂原因主要有：沿晶界有大量第二相析出某些雜質元素或某些合金元素的沿晶界偏聚環境介質作用高溫與應力作用48鋼中含氮量對斷裂方式的影響49在馬氏體時效鋼沿晶斷口表面上Ti(C,N)粒子沿晶斷口表面樹枝狀AlN粒子40Cr鋼回火脆性斷口1000×

雜質元素偏聚50爐膽焊縫：奧氏體+沿晶界析出的σ相51高溫持久試樣斷口50×2Cr12MoV鋼淬火裂紋斷口50×

對比：304高溫持久試樣斷口52Fe-2.9Si合金滑移帶“擠出峰”與“擠入槽”及其引起的顯微裂紋（45°）3.5疲勞斷口裂紋萌生（表面、應力集中處）→裂紋擴展→過載斷裂機制：5354切向（最大循環切應力和應變，45°）擴展機制示意圖

a.“不滑移”模型（切變）

b.“塑性鈍化”模型

（尖端塑性流變鈍化）擴展機制：切向、正向55金屬磨削裂紋正向擴展及輝紋和二次裂紋形成機制示意圖（最大循環正應力和應變，90°）裂紋擴展機制匹配斷面上的輝紋、二次裂紋和滑移線裂紋側剖面56內部夾雜物120×表面刀痕12.5×疲勞源57切向斷口--輪胎壓痕：突出質點、突出部分AlZnMg合金鋸齒狀斷口切向疲勞斷口主要微觀形貌：平面狀斷口（平滑、光亮）平行鋸齒狀斷口輪胎花樣58正向疲勞斷口的示意圖

疲勞平臺

疲勞臺階或脊棱

疲勞輝紋

伴隨輝紋的二次裂紋59a.2800×b.5000×c.900×e.1200×d.1000×2800×a.細密平直輝紋

b.細密弧形輝紋

c.具有孿晶界和二次裂紋的輝紋

d.具有上階梯和下階梯狀的輝紋

e.具有較多二次裂紋的粗直輝紋

f.具有滑移帶的粗曲輝紋

g.高強度鋼不規則輝紋和二次裂紋

h.晶界附近的輝紋2800×f.4000×g.500×h.2000×60依據微觀變形：

a.延性疲勞輝紋：光滑連續

b.脆性疲勞輝紋：放射解理臺階分割

鑄鎂合金脆性疲勞輝紋的形貌61請仔細辨認易混淆的花樣62高周疲勞、低周疲勞和高低周復合疲勞高低周復合應力疲勞斷口的微觀形貌

a.多條復合輝紋b.單條復合輝紋工程中的疲勞斷裂800×800×63振動疲勞－共振、顫振和喘振渦輪葉片振動疲勞試驗的斷口形貌工程中的疲勞斷裂64高溫疲勞－在交變應力和高溫環境同時作用下產生的疲勞高溫疲勞微觀形貌(循環、時間)b.低周疲勞a.高周疲勞工程中的疲勞斷裂65腐蝕疲勞－腐蝕性環境和交變應力LC4鋁合金腐蝕疲勞斷口形貌疲勞損傷為主應力腐蝕為主源區沿晶斷面擴展區輝紋工程中的疲勞斷裂66鑄造高溫合金渦輪葉片熱疲勞斷口熱疲勞－環境溫度交變循環4×工程中的疲勞斷裂400×一般為低周、多源、表面龜裂67接觸疲勞－在高接觸壓力下，相對滾動或滾動加滑動的零件，在多次重復加載后發生點蝕或剝落，又稱表面疲勞GCr15鋼滾珠接觸疲勞斷口形貌a.裂紋源區b.裂紋擴展區（損傷）ab工程中的疲勞斷裂6840CrNiMoA鋼旋翼梳狀接頭耳孔的微動磨蝕疲勞斷口形貌a.磨蝕坑b.磨蝕裂紋微動磨蝕疲勞－兩個緊配合零件表面之間發生周期性的、幅值極小的相對運動而造成的磨損腐蝕疲勞ab工程中的疲勞斷裂69多次沖擊疲勞－承受沖擊載荷的零件，如錘桿、鑿巖機活塞和釬尾等，其沖擊能量小于一次沖擊斷裂的能量，經多次（>1000次）沖擊后發生斷裂，稱為小能量多次沖擊疲勞具有大應力脈動拉伸疲勞斷口形貌工程中的疲勞斷裂703.6蠕變斷口-溫度和應變速率某高溫合金構件的沿晶蠕變斷口注意：金相特征713.7環境敏感斷口

應力腐蝕開裂和氫脆過程示意圖（應力陽極開裂同時伴有氫的釋放）

應力腐蝕開裂和氫脆應力陽極開裂同時伴有氫的釋放--應力腐蝕陰極反應產生氫為金屬吸收—氫脆7218Ni馬氏體時效鋼應力腐蝕斷口－泥狀花樣1000×氫致沿晶裂紋73高強度鋼氫脆斷口示意圖K--裂紋尖端應力強度因子高K穿晶韌窩中高K準解理韌窩沿晶低K