金屬構(gòu)件斷口診斷方法ppt課件

1、金屬構(gòu)件斷口診斷技術(shù)主講：孫智君.前 言 失效分析是一門系統(tǒng)工程，其中的分析技術(shù)是其實(shí)際和實(shí)際根底。失效分析技術(shù)主要包括：痕跡分析技術(shù)裂紋分析技術(shù)斷口分析技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。.1 痕跡分析技術(shù) 痕跡分析是失效分析中常用的一種分析方法和技術(shù)。經(jīng)過痕跡分析，不僅可對(duì)事故和失效的發(fā)生、開展過程做出判別，而且可為事故和失效分析結(jié)論提供可靠的佐證和根據(jù)。 .1 痕跡分析技術(shù)廣義地說，痕跡是指環(huán)境作用于系統(tǒng)，在系統(tǒng)外表留下的標(biāo)志。在機(jī)械失效中，系統(tǒng)指的是失效的構(gòu)件或零件，而環(huán)境那么是指外來的力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等要素。因此，對(duì)機(jī)械失效，痕跡可定義為：力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等環(huán)境要素單獨(dú)地或協(xié)同地作用于機(jī)械，

2、并在其外表或外表層留下的損傷性標(biāo)志。.1 痕跡分析技術(shù) 在失效分析范疇，痕跡的詳細(xì)含義是指：痕跡的形貌或稱花樣；痕跡區(qū)及污染物、反響產(chǎn)物的化學(xué)成分；痕跡顏色的種類、色度和分布、反光等；痕跡區(qū)資料的組織和構(gòu)造；.1 痕跡分析技術(shù)痕跡區(qū)的外表性能；痕跡區(qū)的剩余應(yīng)力分布；從痕跡區(qū)分發(fā)出來的各種氣味；痕跡區(qū)的電荷分布和磁性等。痕跡分析即是對(duì)失效件的上述特征的變化進(jìn)展鑒別，并找出其變化緣由，為失效分析提供線索和根據(jù)的技術(shù)活動(dòng)。.1 痕跡分析技術(shù).2 裂紋分析技術(shù) 裂紋是資料外表或內(nèi)部完好性或延續(xù)性被破壞的一種景象，是斷裂的前期；斷裂那么是裂紋開展的結(jié)果。裂紋分析包括裂紋的無損檢測(cè)、外表分析、光學(xué)金相分析

3、及裂紋翻開后的斷口分析等內(nèi)容。.2 裂紋分析技術(shù) 主要內(nèi)容包括：裂紋產(chǎn)生的部位；裂紋的平直情況、或分叉情況、或宏觀走向等；裂紋與主應(yīng)力方向或切應(yīng)力方向之間的關(guān)系；裂紋與資料成形方向軋制方向、流線方向的關(guān)系；裂紋的嚙合情況嚴(yán)密配合，還是分別；裂紋尖端的情況鋒利或圓鈍；裂紋起始位置與零件外形的關(guān)系能否有應(yīng)力集中。 .3 斷口分析技術(shù)斷口是斷裂失效中，兩斷裂分別面的簡(jiǎn)稱。由于斷口真實(shí)地記錄了裂紋由萌生、到擴(kuò)展直至失穩(wěn)斷裂全過程的各種與斷裂有關(guān)的信息，因此，斷口上的各種斷裂信息是斷裂力學(xué)、斷裂化學(xué)、斷裂物理等諸多方面內(nèi)外要素綜協(xié)作用的結(jié)果，對(duì)斷口進(jìn)展定性和定量分析，可為斷裂失效方式確實(shí)定提供有力根據(jù)，

4、為斷裂失效緣由的診斷提供線索。 .3 斷口分析技術(shù)內(nèi)容：斷口預(yù)備斷口分析設(shè)備和技術(shù)斷口宏觀診斷技術(shù)和方法斷口微觀診斷技術(shù)和方法.3.1 斷口預(yù)備斷口預(yù)備的目的是為下一步的斷口分析提供適于分析的斷口。要求斷口保管得盡量完好、特征原始；盡量沒有產(chǎn)生二次、甚至三次損傷。對(duì)斷口上附著的腐蝕介質(zhì)、污染物，還需進(jìn)展適當(dāng)清理。當(dāng)失效件體積太大時(shí)，還需分解、切割?？傊?，在斷口預(yù)備過程中，要盡量保證斷口特別是關(guān)鍵斷口、起始區(qū)斷口的原始特征不被破壞、污染。 .3.1 斷口預(yù)備對(duì)斷口的清理應(yīng)遵照以下根本原那么：先判別后清理，先外表后內(nèi)層，盡量采用物理方法清理而少用化學(xué)方法。常用的清洗方法有機(jī)械剝離法、化學(xué)腐蝕法、陰

5、極電解法、真空蒸發(fā)法等，可根據(jù)斷口資料特性、附著物的種類等選定。對(duì)斷口常用的維護(hù)方法有涂維護(hù)性涂料、密封于內(nèi)置枯燥劑的塑料袋或枯燥皿中和浸泡在無水酒精溶液中等。 .3.1 斷口預(yù)備切割大塊失效殘骸件時(shí)，應(yīng)先對(duì)斷口進(jìn)展宏觀分析，確定首斷件；然后進(jìn)一步確定斷裂的起始部位。切割前，先將需求分析的部位維護(hù)起來；切割時(shí)，盡量運(yùn)用鋸、切等不會(huì)產(chǎn)生高溫的機(jī)械方法。需求運(yùn)用火焰切割、砂輪切割等會(huì)產(chǎn)生高溫的切割方法時(shí)，切口位置應(yīng)分開需分析部位一定的間隔，同時(shí)對(duì)切割區(qū)域進(jìn)展冷卻，以確保需重點(diǎn)分析部位不會(huì)因高溫而產(chǎn)生二次損傷。.3.2 斷口分析設(shè)備和技術(shù)3.2.1 斷口宏觀分析設(shè)備和技術(shù) 宏觀分析是指在小于40倍的

6、條件下對(duì)斷口進(jìn)展察看判別的技術(shù)方法。主要手段是人的肉眼、普通放大鏡和體式顯微鏡。 形貌、源、擴(kuò)展方向、性質(zhì)。.3.2.2 斷口微觀診斷儀器設(shè)備和技術(shù)斷口的微觀分析設(shè)備主要有金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和X射線能譜儀、波譜儀等。其中三種顯微鏡主要用來進(jìn)展形貌察看，兩種譜儀主要用來進(jìn)展微區(qū)成分分析。掃描電子顯微鏡由于其具有制樣簡(jiǎn)單，運(yùn)用方便，并具有景深大，分辨率較高，放大倍數(shù)范圍寬，可延續(xù)調(diào)理，可進(jìn)展化學(xué)成分、晶體取向測(cè)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，在失效分析中得到了廣泛的運(yùn)用。 顯微形貌、機(jī)理、斷裂方式。.3.2 斷口分析設(shè)備和技術(shù)首先對(duì)斷口做低倍察看，以全面了解和掌握斷口的整體形貌和特征，并確

7、定重點(diǎn)察看部位。在整體察看的根底上，找出斷裂起始區(qū)，并對(duì)斷裂源區(qū)進(jìn)展重點(diǎn)分析，包括源區(qū)的位置、形貌、特征、微區(qū)成分、材質(zhì)冶金缺陷、源區(qū)附近的加工刀痕及外物損傷痕跡等。對(duì)斷裂過程不同階段的形貌特征要逐一加以察看，找出各區(qū)斷裂形貌的共性與個(gè)性。 .3.2 斷口分析設(shè)備和技術(shù)斷裂特征的識(shí)別。在斷口察看過程中，發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和表征斷裂形貌特征是斷口分析的關(guān)鍵。在察看未知斷口時(shí)，往往是和知的斷裂形貌加以比較來進(jìn)展識(shí)別。各種資料在不同外界條件下的斷裂機(jī)制不同，留在斷口上的形貌特征也不同。掃描電鏡斷口照片的獲得。普通一個(gè)斷口的察看結(jié)果要用如下幾部分的照片來表述：斷口的全貌照片、斷裂源區(qū)照片和擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)的照片

8、。利用背散射電子像察看，可察看到第二相、夾雜物等對(duì)裂紋萌生與擴(kuò)展的影響。 .3.2 斷口分析設(shè)備和技術(shù)X射線能譜儀的最大優(yōu)點(diǎn)是不損傷被測(cè)件外表，可同時(shí)適用于光滑外表和粗糙斷口外表的元素分析，可以分析某一區(qū)域的元素平均成分和樣品外表某一區(qū)域某一元素的分布情況面分布，也可對(duì)某幾種元素進(jìn)展沿指定線路的線分布分析。是目前失效分析中運(yùn)用最廣泛的微區(qū)成分分析儀器。 .3.2 斷口分析設(shè)備和技術(shù)在進(jìn)展微區(qū)成分分析時(shí)應(yīng)留意：微區(qū)成分分析的結(jié)果只能代表分析部位的部分成分，而不能代表樣品宏觀總體的成分；X射線微區(qū)成分定量分析的準(zhǔn)確性和樣品的制備有關(guān)。由于微區(qū)成分分析的靈敏度和準(zhǔn)確度的限制，其分析結(jié)果不能替代其它分

9、析方法所做的結(jié)果。 .3.3 斷口宏觀診斷技術(shù)和方法斷口宏觀分析的義務(wù)和內(nèi)容斷裂位置、構(gòu)造特征、任務(wù)環(huán)境；斷裂位置及附近的變形程度；斷裂區(qū)域痕跡特征；源區(qū)位置、特征及裂紋走向；宏觀形貌特征；斷口顏色及附著物等。.3.3 斷口宏觀診斷技術(shù)和方法 判別斷口的根本特征、變形情況和裂紋的宏觀走向；確定斷裂的類型和方式，為斷裂失效方式診斷提供根據(jù)；尋覓斷裂來源區(qū)和斷裂擴(kuò)展方向；估算斷裂失效應(yīng)力集中的程度和名義應(yīng)力的高低疲勞斷口；察看斷裂源區(qū)有無宏觀缺陷等。 斷口宏觀分析需求處理如下主要問題：斷口的平直情況和斷口的主要特征形貌；斷口的顏色氧化色、腐蝕產(chǎn)物顏色、夾雜物顏色、光亮情況等；斷口與主正應(yīng)力或主切應(yīng)

10、力方向的關(guān)系；斷口與成形方向軋制方向、流線方向的關(guān)系。.3.3 斷口宏觀分析技術(shù)和方法對(duì)斷口進(jìn)展宏觀察看時(shí)，應(yīng)留意察看的角度和照明的角度，自然光是最好的照明源，察看時(shí)應(yīng)從不同的角度進(jìn)展察看。宏觀斷口分析的第一步是用肉眼察看斷口形貌特征及失效件的全貌，包括斷口的顏色、變形程度，斷口之外的損傷痕跡等，然后對(duì)主要特征區(qū)用放大鏡、體式顯微鏡等進(jìn)展進(jìn)一步的察看，確定重點(diǎn)分析的部位。 .分析中特別留意以下幾個(gè)特征 斷口上能否存在放射花樣及人字紋花樣。這種特征表征裂紋擴(kuò)展是不穩(wěn)定的、快速的；沿著放射方向的逆向或人字紋尖頂可找到裂紋源。 斷口上能否存在弧形跡線。這種特征是裂紋在擴(kuò)展過程中，因應(yīng)力形狀變化、斷裂

11、方向變化、環(huán)境介質(zhì)影響、及裂紋擴(kuò)展速率明顯變化等在斷口上留下的痕跡。.分析中特別留意以下幾個(gè)特征斷口的粗糙度。普通說來，斷口越粗糙，即表征斷口特征的花樣越粗大，那么剪切斷裂所占比例越大；假設(shè)斷口細(xì)平，多光澤，或者花樣越細(xì)，那么晶延續(xù)裂、解理斷裂所起的作用越大。 斷面的光澤與顏色。如準(zhǔn)解理、解理斷裂的金屬斷口在陽光下轉(zhuǎn)動(dòng)斷面進(jìn)展察看時(shí)常可看到閃閃發(fā)光的小刻面。.分析中特別留意以下幾個(gè)特征斷面與最大正應(yīng)力的交角傾斜角。不同的應(yīng)力形狀、不同的資料及外界環(huán)境，斷口與最大正應(yīng)力的夾角不同。 斷定特征區(qū)的劃分、分布、面積大小等。資料缺陷在斷口上所呈現(xiàn)的特征。假設(shè)資料內(nèi)部存在缺陷，那么缺陷附近存在應(yīng)力集中，

12、因此在斷口上留下缺陷的痕跡。 .斷裂來源的位置 纖微區(qū)的中心； 放射花樣的收斂處； 人字紋的最尖頂處； 斷口的平坦區(qū)內(nèi)； 無明顯塑性變形區(qū)，或無剪切唇形貌特征區(qū)； 疲勞弧形的最小半徑處； 腐蝕氧化最嚴(yán)重的部位； 臺(tái)階高差最大處。 .普通裂紋的宏觀擴(kuò)展方向 裂紋源區(qū)指向最后斷裂區(qū)的方向； 放射線發(fā)散的方向； 纖維區(qū)指向剪切唇區(qū)的方向； 與疲勞弧線相垂直的放射狀條紋分散方向； 人字紋的人字張開的方向； 斷口的平坦區(qū)指向斜斷口的方向；.普通裂紋的宏觀擴(kuò)展方向 無塑性變形或塑性變形小的區(qū)域指向變形大的區(qū)域的方向； 臺(tái)階高差減小的方向； 氧化、腐蝕減輕的方向。.應(yīng)力、環(huán)境、資料綜協(xié)作用韌性金屬資料一次過

13、載呵斥的延性斷裂.斷口三要素纖維區(qū)：斷口中央呈粗糙纖維狀。正斷、斷面與拉應(yīng)力垂直，放射條紋收斂處為斷裂位置，平面應(yīng)變形狀。放射區(qū)：裂紋由緩慢擴(kuò)展向快速不穩(wěn)定擴(kuò)展轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。特征是放射線花樣，發(fā)散方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。裂紋擴(kuò)展方向是由纖維區(qū)指向剪切唇區(qū)。剪切唇區(qū)：最后階段，外表光滑與拉應(yīng)力成45，切斷型，平面應(yīng)力形狀。.過載斷口三要素：零件外形對(duì)斷口三要素有很大影響。.沖擊斷口.斷口分類按宏觀塑性變形分為：延性斷裂和脆性斷裂斷口。斷口附近有無明顯塑性變形。按斷裂方式分為： 正斷斷口：斷面與最大正應(yīng)力垂直； 切斷斷口：斷面與最大正應(yīng)力成45形貌特征分類很多，普通主要分為延性斷裂斷口，脆性斷裂斷口，疲

14、勞斷裂斷口脆性斷口。.延性斷口正斷型：灰色，粗糙鋸齒狀，與主應(yīng)力成約90，無放射線，無弧線。.延性斷口 切斷型：弱金屬光澤，較光滑，與主應(yīng)力成約45，普通無放射線(高強(qiáng)鋼有),無弧線。.脆性斷口缺口脆性：白亮色、近金屬光澤，極粗糙，與主應(yīng)力成約90，放射線明顯，無弧線。.脆性斷口低溫脆性：結(jié)晶狀，金屬光澤、粗糙，與主應(yīng)力成約90，放射線不太明顯，無弧線。.疲勞斷口 低周疲勞：白亮色、較光滑，放射線不太明顯，板材似人字紋，普通可見疲勞弧線，但恒載時(shí)無。與主應(yīng)力交角當(dāng)擴(kuò)展速率小時(shí)近90，大時(shí)近45。.疲勞斷口 高周疲勞：灰黑色，光滑，放射線明顯且細(xì)膩，普通可見疲勞弧線，應(yīng)力幅變化越大越明顯，與主應(yīng)

15、力成約90。.雙向彎曲疲勞 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞.改動(dòng)疲勞.3.4 斷口微觀分析技術(shù)和方法斷口微觀分析的義務(wù)和內(nèi)容斷口的微觀分析包括微觀形貌分析和微區(qū)成分、構(gòu)造分析。詳細(xì)內(nèi)容有：斷口周圍的塑性變形大小、或有無；斷口的邊緣銳利情況；斷口與零件外形或應(yīng)力集中的情況；斷口各特征形貌面積的比例；.斷口微觀分析的義務(wù)和內(nèi)容斷口與晶面、晶向之間的關(guān)系；斷口與晶界的關(guān)系；斷口與顯微組織的關(guān)系；斷裂源區(qū)的情況；斷口的化學(xué)成分、或雜質(zhì)環(huán)境元素的分布情況；斷口上二次裂紋的有無或多少、分布情況。.斷口的微觀形貌特征斷口上常見的微觀特征有韌窩、滑移特征、解理特征、準(zhǔn)解理特征、沿晶斷裂特征、疲勞斷裂特征等斷裂特征花樣。 .韌窩

16、特征 金屬延性斷裂的主要微觀特征，是資料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微孔洞經(jīng)形核、長(zhǎng)大、聚集，最后相互銜接而導(dǎo)致斷裂后在斷口外表上所留下的痕跡。 構(gòu)成機(jī)制：微區(qū)孔洞形核長(zhǎng)大聚集銜接斷裂 。.韌窩特征正拉應(yīng)力等軸韌窩；切應(yīng)力剪切韌窩和撕裂韌窩，呈拋物線形，其開口方向指向切應(yīng)力作用的方向。 剪切應(yīng)力：匹配斷口韌窩方向相反； 撕裂應(yīng)力：匹配斷口韌窩方向一樣。同資料、不同形狀、一樣條件下韌窩尺寸越大，那么資料塑性越好。.滑移特征 金屬延性斷裂的一種微觀特征，在切應(yīng)力作用下，金屬沿滑移面分別，宏觀上，斷面傾斜，呈45角，斷口附近有明顯的宏觀塑性變形。 包括滑移線、滑移帶、蛇形花樣和漣波花樣，是在正應(yīng)力作

17、用下，金屬沿滑移面滑移分別的主要微觀特征。.滑移特征 滑移線帶：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到外表時(shí)，構(gòu)成臺(tái)階或滑移線。大量的線、臺(tái)階稱滑移帶。 蛇形花樣：多晶體塑性變形較大時(shí)，產(chǎn)生交滑移，分別面上可察看到起伏彎區(qū)條紋，類似蛇形的滑移花樣。 漣波花樣：變形程度進(jìn)一步加大，蛇形花樣因變形而平滑化，構(gòu)成漣波。 由于資料總有、裂紋、孔洞等缺陷，發(fā)生純剪切，在韌窩側(cè)外表上出現(xiàn)蛇形、漣波花樣。.交滑移特征.解理特征 金屬在正應(yīng)力作用下，由于原子結(jié)合鍵破壞而呵斥的沿一定晶體學(xué)平面解理面快速分開的過程稱為解理斷裂。解理斷裂屬于脆性斷裂的一種，解理面通常是外表能量最小的晶面，不同的晶體構(gòu)造具有不同的解理面；多發(fā)生于體心立方和密排

18、六方晶體，面心立方晶系的金屬普通不發(fā)生解理斷裂。.解理特征構(gòu)成機(jī)制：在晶界、亞晶界、孿晶界、第二相界面等部位由于位錯(cuò)塞積，而應(yīng)力得不到松弛，萌生裂紋，進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。形貌特征：宏觀有小刻面，無塑性變形；微觀有解理臺(tái)階、河流花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣、扇形花樣及瓦納線等，瓦納線在極脆資料中可見。.解理特征解理臺(tái)階： 解理裂紋與螺位錯(cuò)交截或次生解理撕裂構(gòu)成。河流花樣：解理裂紋擴(kuò)展中，臺(tái)階不斷集合構(gòu)成大臺(tái)階，穿過改動(dòng)晶界時(shí)，河流激增。舌狀花樣：解理裂紋沿變形孿晶與基體界面擴(kuò)展時(shí)，在裂紋前端構(gòu)成。.解理特征 解理 類解理.解理特征舌狀花樣 輪胎花樣.準(zhǔn)解理斷裂特征介于解理與延性斷裂之間的過渡方式。

19、構(gòu)成機(jī)制：在不同部位同時(shí)產(chǎn)生許多解理裂紋核，再按解理方式擴(kuò)展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，與相鄰解理刻面相連，構(gòu)成撕裂棱。形貌：宏觀根本上無塑性變形或較??；微觀有河流花樣、舌狀花樣、韌窩及撕裂棱。.準(zhǔn)解理斷裂特征準(zhǔn)解理與解理斷裂主要區(qū)別： 準(zhǔn)解理來源于晶粒內(nèi)部空洞、夾雜、第二相粒子，向周圍擴(kuò)展，不延續(xù)； 解理那么是由晶界或相界向內(nèi)擴(kuò)展。.準(zhǔn)解理斷裂特征.沿晶斷裂特征 屬于脆性斷裂的一種，又稱為晶延續(xù)裂，是多晶資料沿晶界面發(fā)生斷裂的景象?？煞譃檠鼐ыg窩斷裂和沿晶脆性光面斷裂。 氫脆：沿晶面上具有雞爪痕特征； 應(yīng)力腐蝕：沿晶面上具有核桃紋特征； 液體金屬致脆：沿晶面上普通可看到致脆的金屬殘留痕

20、跡； 蠕變斷裂，過熱斷裂：沿晶韌窩； 回火脆：沿晶光面斷裂。.沿晶光面斷裂.沿晶韌窩斷裂.疲勞斷裂特征疲勞斷裂三個(gè)階段：裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展；對(duì)應(yīng)為源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。形貌： 宏觀：疲勞弧線，無塑性變形，低應(yīng)力高周疲勞普通能看到典型的疲勞弧線，而大應(yīng)力低周疲勞普通沒有典型的疲勞弧線。.疲勞斷裂特征 顯微形貌：疲勞條帶是疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段的最重要的顯微特征，也是疲勞斷裂斷口的根本形貌特征；它是判別斷口為疲勞斷裂的充分判據(jù)，但不是必要判據(jù)。普通韌性資料容易構(gòu)成疲勞條帶，而脆性資料那么比較困難。輪胎花樣、陳列規(guī)那么的平行韌窩帶、平行的多條二次裂紋帶等也是疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段常見的微觀形貌特征。 .疲勞條帶疲勞條帶是一系列根本相互平行的、略帶彎曲的波浪形條紋，并與裂紋部分?jǐn)U展方向垂直；離源區(qū)越遠(yuǎn)，條帶間距越大；普通源區(qū)