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)生很大的應力集中，使金屬在低應力作用下發(fā)生破壞。

斷口：零件斷裂處的自然表面，即裂紋掃過的面積（裂紋的兩個相對面）。重要性：斷口上的形貌特征是裂紋擴展留下的痕跡，因此斷口的結構和外形直接記錄了斷裂起因、過程和與斷裂過程有關的各種信息，所以斷口是斷裂全過程的最好的忠實記錄者和見證者。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期分為：工藝裂紋、使用裂紋工藝裂紋：零件在各種加工過程中產(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：零件使用過程中產(chǎn)生并擴展的裂紋稱為使用裂紋。如：應力腐蝕裂紋(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、應力腐蝕裂紋等?；拘蚊蔡卣鳎毫鸭y兩側凹凸不平，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。（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、圓角和臺階等處。（2）起源于材料的折疊、拉痕、偏析等缺陷處。實際零件上的裂紋常常有幾條，并且在擴展時會出現(xiàn)分枝(即二次裂紋)，通常主裂紋較二次裂紋寬而長，裂紋源區(qū)一定在主裂紋上，且通常在二次裂紋擴展的反方向上。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，因為在同一零件上，后來產(chǎn)生的裂紋不可能穿越原有裂紋而擴展，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、較深的特點及其他有關信息來判斷源區(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力垂直(即所謂的裂紋走向的應力原則)；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)處擴展(即所謂裂紋走向的強度原則)；而實際裂紋走向就是這兩個因素綜合作用的結果。

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)歷熱加工后會留有熱加工痕跡。包括：熱處理時可能沿裂紋末端擴展，也可能沿裂紋兩側擴展(裂紋加寬或產(chǎn)生新裂紋)，如熱處理時零件在空氣中加熱，則原有的鍛造裂紋兩側一般均有氧化、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設計和加工不當生成的裂紋②因材料缺陷所生成的裂紋③因熱處理工藝或操作不當生成的裂紋特征：新生成的裂紋兩側邊的形狀是拼合的，而原有裂痕經(jīng)過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，具有龜裂的外形，裂紋沿原始晶界延伸，內(nèi)側一般有氧化脫碳，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，有時分叉成“Y”型，形狀不規(guī)則，長度不大，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：焊接缺陷和焊接應力共同作用的結果，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。機械冷應力裂紋是在冷鍛、沖壓、冷拔、裝配、擴孔、攻絲、冷剪等工序中形成的裂紋，沒有高溫特性，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，有時是穿晶與沿晶混合形式。二、裂紋的鑒別斷口分析：對故障金屬構件斷裂面進行檢查并分析其斷裂原因的技術，現(xiàn)已成為對金屬構件進行失效分析的重要手段（宏觀斷口分析、微觀斷口分析）。

解決基本問題：斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過程的應力狀態(tài)以及裂紋擴展速率等。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力垂直，宏觀上斷口由具有光澤的結晶亮面組成。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力垂直或傾斜，分別稱為正斷口和斜斷口，從宏觀來看，斷口上有細小凹凸，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斷口進行觀察、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)、起始位置和裂紋擴展路徑。但如果要對斷裂起點附近進行細致研究，分析斷裂原因和斷裂機制，還必須進行微觀觀察。（舉典型斷口說明）6.3斷口分析一、靜拉伸斷口塑性金屬靜載拉伸試驗，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，在最大切應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驗條件，如試驗溫度，試樣形狀和加載條件等。如：隨著試驗溫度降低，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區(qū)域中，纖維區(qū)裂紋形成最早，擴展緩慢，待其長大成為宏觀裂紋，且剩余的有效截面積不足以承受當時的載荷時，即裂紋達到臨界尺寸，便進入快速擴展階段。放射花樣就是裂紋快速擴展留下的痕跡，放射源發(fā)散的方向與裂紋擴展方向平行，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程有三個階段，其斷口也可觀察到三個區(qū)域：疲勞裂紋起源區(qū)、擴展區(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，位于構件表面應力集中處或不同類型的缺陷部位（可能有多個）。二、疲勞斷口裂紋擴展區(qū)：沙灘樣或貝殼狀條紋（疲勞弧帶）由于交變應力下，裂紋擴展時受到障礙，時而擴展，時而停止而產(chǎn)生的，宏觀上呈現(xiàn)明亮的磨光區(qū)。臺階越多，表明其應力或應力集中越大（疲勞斷口的判斷依據(jù)）。最終斷裂區(qū)：裂紋擴展到臨界尺寸，承載截面強度不足，引起瞬間斷裂。脆性斷裂，程粗糙的”晶?！盃罱Y構。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，其中主裂紋擴展較快。應力腐蝕斷口，從宏觀上看一般有三個區(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、應力腐蝕斷口

②裂紋擴展區(qū)反映應力腐蝕裂紋緩慢擴展的過程，這個過程的特征是呈脆性的，裂紋擴展可以是穿晶的，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。有電化學反應的產(chǎn)物存在，在應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、應力腐蝕斷口

三、應力腐蝕斷口

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程、斷裂機制，分析導致失效的各種因素。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（正應力）剪切韌窩（切應力）撕裂韌窩（撕裂應力）一、韌性斷口微觀形貌一、韌性斷口微觀