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1、金属材料失效分析河海大学力学与材料学院硕士课程第2讲裂纹与断口分析（Failureanalysisofmetallicmaterials）编讲：江静华2第2讲裂纹与断口分析第一节裂纹与断口第二节裂纹分析第三节断口分析3第一节裂纹与断口完整金属在应力作用下,某些薄弱部位发生局部破裂而形成的一种不稳定缺陷。直接破坏材料的连续性应力集中(多数裂纹尾端较尖锐)→金属发生低应力下破坏裂纹(裂缝)实际金属零件中不可避免存在各种微裂纹。可能产生于工艺或使用过程中,在特定载荷或环境条件下逐渐产生并逐渐长大,一旦扩展到临界尺寸,零件即发生完全破坏—断裂!通过无
2、损检测,内部有超过按断裂力学计算的临界尺寸的裂纹或缺陷的零件,应报废!1.1裂纹与断口的本质4金属构件在应力作用下分离为互不相连的两个或两个以上部分,断裂处暴露出的自然表面(即裂纹扫过的面积)称为断口。形貌特征→裂纹扩展留下的痕迹。断口与断裂过程有关信息的直接记录(忠实记录者和见证者)判别失效原因的有利证据(根据断口主裂纹判别裂纹源)5金属材料的断裂过程三个阶段：---裂纹萌生；---裂纹亚稳扩展及失稳扩展；---断裂。低速稳态扩展:﹤5m/s非稳态快速扩展:＞1Km/s声速：空气(25℃)346m/s金属构件可能在制造、成形或使用阶段的启裂
3、、萌生裂纹,受不同的环境因素及承载状态的影响而使裂纹扩展直至断裂。不同特征的各种类型断裂!a.按断裂前变形程度分类完全脆性断裂和完全韧性断裂是较少见的，通常是出现脆性和韧性的混合型断裂。撕裂韧窝与剪切韧窝混合型1.2断裂失效形式?7①韧性断裂与断口特征（屈服强度）机理8(微观）(宏观）9②脆性断裂与断口特征Q：何种晶体结构材料易出现脆性断裂？(宏观）10薄板表面薄板侧面-断口11b.按裂纹扩展路径分类沿晶穿晶混晶12c.按裂纹机制分类13纯剪切微孔聚集型断裂韧窝14d.按受力状态不同分类e.按环境介质不同分类15f.按服役条件分类161.3裂
4、纹与断口 的分析手段宏观观察(肉眼,放大镜)显微分析(OMSEMTEM)显微裂纹←磁力探伤、荧光探伤、超声波探伤X光探伤和低倍侵蚀等产物分析（EDXXRDXPS等）基本原则→用尽可能简单的仪器得到满意的结果!万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌（无损检测）17断口形貌观察工具的特性比较18第二节裂纹分析金属零件在各种加工过程中产生的裂纹(如:铸造裂纹、焊接裂纹、白点、热处理裂纹等),往往是零件的断裂源。工艺裂纹金属零件在使用过程中产生的裂纹,如:应力腐蚀裂纹(包括氢脆裂纹)、疲劳裂纹和蠕变裂纹。使用裂纹拉伸扭转192.1裂纹分析思路与内容残骸拼
5、合、复原肇事件判断主裂纹判断裂纹源位置裂纹源特征裂纹萌生位置裂纹源附近状况202.2主裂纹与裂纹源位置的确定裂纹源通常起源于零件的应力集中处,或材料缺陷(裂纹处)。通常主裂纹较二次裂纹宽而长,裂纹源区一定在主裂纹上,且在二次裂纹扩展的反方向上(如图)----多枝型法。后生的裂纹是不可能穿越原有的裂纹的,由此可判定相遇裂纹中哪一条为主裂纹--T型法则。多枝型法示意图T型法示意图21第三节断口分析断口分析思路与步骤1.断口样品的制备与保存2.断口的宏观观察(判定裂纹源)3.断口的显微观察4.断口截面分析(确定断裂路径与组织关系)5.失效类型确定和
6、失效原因判断223.1断口样品的制备与保存a.断口样品的选取b.断口样品的切割23判定主裂纹的方法检验断口，氧化最严重区为最先断裂区（主裂纹形成）将散落断口拼合，测量其几何形状变化，变形量最大的为主裂纹。2425判定裂纹源的方法碎块拼凑法最小应变法人字形法放射标记法剪切唇法贝纹花样法构件形成裂纹并逐渐裂开后，有效截面越来越小，宏观变形逐渐增大,通常源区是几乎不变的。26碎块拼凑法从碎块拼形的大小或密合程度可判别那个是先断开的。(A裂纹密合程度差，是先断开的)。当表面无应力集中,裂纹源区在两组“人”字形的汇合处，即“人”字上部指向裂源。若表面有
7、应力集中（存在缺口），“人”字下部指向裂源。人字形法27美国顺纳德球形储氢压力容器碎片拼合后的一个视图据断口人字条纹矢形方向汇集到清扫孔A、B、C处，从而断定裂纹源于清扫孔处。28放射标记法剪切唇法非完全脆性的断裂就有剪切唇。断口上只有纤维区和剪切唇时，裂纹是从试样中心的纤维区内外扩展的，该情况的材料塑性较好。断口同时有纤维区、放射区和剪切唇，则塑性变形限制于裂纹前端区域内。在断口上若有疲劳的贝纹线，则根据疲劳条纹的弧线确定疲劳源。贝纹花样法疲劳断口的贝纹线，从裂纹源呈放射状源区29c.断口样品的清洗和保存带灰尘或其他附着物的断口30清洁断口
8、带油污的断口31锈蚀较严重的断口32在腐蚀环境下断裂的断口333.2宏观断口分析断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。通过宏观分析，可直接确定断裂的宏观表现及其性质，
