基本介紹
金屬材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生分離，變?yōu)閮蓚€或者多個不相連部分，在斷裂處暴露的自然表面成為斷口。金屬斷口分析是研究金屬材料如何發(fā)生斷口樣式的損壞的，從材質(zhì)、制造方法、形狀、使用狀況等各種角度進行考察，推測主因。斷口分析是一門系統(tǒng)工程，在實際工作中，主要考慮材料所處的應(yīng)力、腐蝕等環(huán)境。一般情況下,應(yīng)遵循實事求是的原則，以客觀性為準則，觀察時，遵循先宏觀后微觀、先低倍后高倍、先全局后局部的原則。
金屬斷裂過程
裂紋萌生-裂紋擴展-斷裂。金屬構(gòu)件可能在制造、成形或使用階段的啟裂、萌生裂紋，受不同的環(huán)境因素及承載狀態(tài)的影響而使裂紋擴展直至斷裂。
分析方法
金屬材料斷口分析方法主要有2種：宏觀觀察和圍觀觀察。
1、宏觀觀察
通過肉眼、低倍率放大鏡或立體顯微鏡等進行分析。在發(fā)生破損的現(xiàn)場簡單易行的方法，在根據(jù)破壞種類和有無貝紋線等來區(qū)分大致原因時使用。宏觀觀察是指用肉眼、放大鏡、低倍率的光學(xué)顯微鏡來觀察斷口的表面形貌。通過宏觀觀察收集斷口上的宏觀信息，則可初步確定斷裂的性質(zhì)，可以分析裂源的位置和裂紋擴展方向，依據(jù)斷口的宏觀形貌,初步確定失效模式和斷裂起裂點,為深入分析和判明失效原因提供依據(jù)。但是，僅通過宏觀觀察無法詳細調(diào)查是如何破損的。
2、微觀觀察
（微觀觀察成像）
微觀觀察是使用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）等，通過斷裂面的組織觀察來調(diào)查微觀特征。通過捕捉韌窩和條紋圖案等各種各樣的斷裂面特征，可以詳細調(diào)查破壞樣式。斷口微觀觀察包括斷口表面的直接觀察及斷口剖面的觀察，微觀觀察是用顯微鏡對斷口進行高放大倍率的觀察，一般采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS),初步觀察斷口的微觀形態(tài)、確定材料成分,為后續(xù)所需的深度分析比如表面分析指明方向,厘清失效機理,查明失效原因。通過微觀觀察進一步核實宏觀觀察收集的信息，確定斷裂的性質(zhì)、裂源的位置及裂紋走向、擴展速度，找出斷裂原因及機理等。
（電子顯微鏡/SEM））
分析流程
1、斷口的準備和清理
斷口及其形貌一定保存完整,這對下一步的分析至關(guān)重要。一般情況下,利用鋸、切割機等設(shè)備對斷口試樣進行取樣。切割時,一定要保證斷口形貌信息未受破壞,尤其是注意切割時產(chǎn)生的高溫影響斷口處的組織和機構(gòu),從而影響分析結(jié)果。
一般情況下,材料在斷裂失效過程中,斷口不可避免地會受到其他零件的機械損傷、化學(xué)損傷和污染。為了能夠更科學(xué)地析材料的斷口,需要對斷口進行深入的清理。
2、材料斷口成分分析
斷口處成分分析對斷口分析至關(guān)重要,尤其是腐蝕、夾雜、非金屬氧化物等因素造成的斷裂。斷口處成分分析一般是成分定量分析,通常是指斷口表面的平均化學(xué)成分、微區(qū)成分、元素的面分布及線分布、元素沿深度的變化、夾雜物及其他缺陷的化學(xué)元素比等參數(shù)進行分析和表征。這方面分析所用的實驗設(shè)備較多,例如:離子探針、俄歇電子譜儀、電子探針、ⅹ射線能譜儀、X射線波譜儀等。
3、材料斷口結(jié)構(gòu)分析
斷口表面結(jié)構(gòu)分析主要是斷口所在面的晶面指數(shù)、斷口表面微區(qū)的結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力,這方面分析所用的實驗設(shè)備主要有X射線衍射儀。分析的主要內(nèi)容是點陣常數(shù)的測定、物相分析以及應(yīng)力測定。
金屬斷裂面破壞樣式
破壞樣式（破壞形態(tài)）分為“延性（塑性）破壞”、“脆性破壞”、“疲勞破壞”和“環(huán)境破壞”。通過分別進行宏觀觀察和微觀觀察，可以觀察斷裂面的特征，調(diào)查破損原因。下面對各種破壞樣式的概要和斷裂面的要點進行說明。金屬斷裂面破壞樣式一般分為4種：延性破壞（塑性破壞）、脆性破壞、疲勞破壞、環(huán)境破壞。
（1）延性破壞（塑性破壞）
延性（塑性）破壞是在許多金屬材料中都能看到的破壞樣式，在破壞之前，能看到伸長和頸縮等大的變形。在組織觀察中，可以看到以下特征和詳細的破壞樣式。
斷裂面的特征
·宏觀觀察：
剪切唇（剪切破壞、最終斷裂部）、微弱的灰白色
·微觀觀察：
等軸韌窩（拉伸破壞）、伸長韌窩（剪切破壞）、波紋圖案（滑移面破壞）
（2）脆性破壞：
脆性破壞是指幾乎看不到塑性變形，裂紋高速傳播的破壞。裂紋傳播時，斷裂面周邊不伴隨塑性變形。一般很多鋼鐵材料會在通常使用過程中受到脆性破壞。這種斷裂面多數(shù)情況下是由“準解離斷裂面”構(gòu)成的，在大型調(diào)質(zhì)鋼和零下幾十?dāng)z氏度環(huán)境中的一般結(jié)構(gòu)用鋼等中都能看到。
斷裂面的特征
·宏觀觀察：
銀白色的耀眼反射、人字紋（山形花紋：穿晶型急速破壞）、裂紋的擴展方向呈放射狀線條
·微觀觀察：
準解離斷口、河流花樣、結(jié)晶狀斷口、復(fù)雜斷口
（3）疲勞破壞
疲勞破壞是指反復(fù)受到荷載后，裂紋逐漸擴展的破壞，據(jù)說機械構(gòu)造物的破壞樣式有七成以上是這種疲勞破壞。
破損材料的外觀因為看不到伸長和頸縮，所以看起來像脆性破壞，但在微觀觀察中，可見明顯塑性變形。
與其他破壞樣式相比，斷裂面多平滑，可以看到“貝紋線（貝殼狀圖案）”這一宏觀特征。通過貝紋線的樣態(tài)可以知道破壞開始的部位和裂紋的擴展方向。
此外，“條紋”圖案是具有代表性的微觀特征。與裂紋擴展方向垂直的條紋圖案，據(jù)說容易在鋁合金和銅合金等中產(chǎn)生，不容易在鐵系合金中產(chǎn)生。
斷裂面的特征
·宏觀觀察：
貝紋線（貝殼狀圖案）、棘輪花樣（多個應(yīng)力集中處）、魚眼（破壞的起點）、裂紋的擴展方向呈放射狀線條。
·微觀觀察：
條紋（與應(yīng)力循環(huán)對應(yīng)）、條紋狀圖案（不與應(yīng)力循環(huán)對應(yīng)）、二次裂紋、擦痕或無特征斷口。
（4）環(huán)境破壞
環(huán)境破壞是指腐蝕性環(huán)境導(dǎo)致裂紋擴展而產(chǎn)生的破壞。因此，外部應(yīng)力極小時也會產(chǎn)生破壞。
代表性的環(huán)境破壞有“氫脆性”和“應(yīng)力腐蝕開裂”。
<1>氫脆性
也稱“延遲破壞”，多見于鋼鐵材料。由于氫侵入材料而導(dǎo)致脆化的現(xiàn)象，代表性案例有在焊接、電鍍等部件的制造工序中有氫侵入，以及由于使用環(huán)境中的腐蝕反應(yīng)而侵入。
<2>應(yīng)力腐蝕開裂
多發(fā)生于以奧氏體不銹鋼為材料的事故中。特別是在有C1-離子的使用環(huán)境中多會發(fā)生穿晶型破壞，而除了不銹鋼以外，純銅、黃銅、鋁合金等會發(fā)生沿晶型破壞。
斷裂面的特征
◆氫脆性
·宏觀分析
銀白色的耀眼反射
·微觀分析
結(jié)晶狀斷裂面、發(fā)紋
◆應(yīng)力腐蝕開裂
·宏觀分析
部分反射、生銹變色
·微觀分析
結(jié)晶狀斷口、羽毛狀花紋
◆高溫破壞
·宏觀分析
ー
·微觀分析
結(jié)晶狀斷口、韌窩、縮孔
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