斷口分析儀內(nèi)容

零件斷裂后的自然表面稱(chēng)為斷口，斷口一般是材料中性能最弱或應(yīng)力最大的部位,

斷口分析是通過(guò)宏、微觀分析手段，對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀測(cè)分析，了解斷裂模式及特征，分析斷裂機(jī)理及與材料性能的關(guān)系

斷口根據(jù)分析手段不同分為宏觀斷口與微觀斷口。前者反映斷口全貌，后者揭示斷口本質(zhì)，各有特點(diǎn)，互為配合

 

斷口顏色

依斷口有無(wú)氧化色彩判斷機(jī)件服役溫度高低;有無(wú)腐蝕產(chǎn)物特殊色彩判斷腐蝕類(lèi)型和程度;有無(wú)冶金夾雜物的特殊色彩判斷冶金因素的作用:疲勞斷口各區(qū)光亮程度，判斷疲勞源位置

斷口粗糙度

依斷口粗糙度判斷機(jī)件的受力大小、定性評(píng)定材料的晶粒大小及裂紋擴(kuò)展速率;斷口上的反光小刻面及數(shù)量，可判斷材料冶金質(zhì)量、雜質(zhì)相的多少

斷口花紋

依斷口上的疲勞弧線，判斷其為疲勞斷口;疲勞斷口有無(wú)臺(tái)階可判斷交變應(yīng)力大小;放射狀的撕裂棱或人字紋花樣，判斷脆性材料或高速加載;纖維狀或長(zhǎng)毛絨狀花樣，判斷延性斷裂

 

 

斷口邊緣特征

從斷口邊緣特征可判斷疲勞源位置;從斷口唇邊情況，可判斷機(jī)件應(yīng)力狀態(tài);從唇邊大小，可判斷材料塑性變形程度

斷口的位置

依斷口在構(gòu)件中的斷裂位置，結(jié)合受力形式、應(yīng)力集中程度及環(huán)境特征等，可分析斷裂的性質(zhì)和原因

微觀斷裂形貌與特征

主要微觀形貌包括:韌窩形狀和大小、解理臺(tái)階、河流花樣、滑移帶疲勞條帶數(shù)量和寬度、氧化物性質(zhì)及厚度、夾雜物形狀和尺寸、晶粒尺寸等

 

斷口分析的基本方法：

宏觀斷口分析方法

用肉眼、放大鏡、低倍顯微專(zhuān)用斷口分析設(shè)備，通過(guò)觀察斷口表面的顏色、粗糙度、宏觀形貌和宏觀變形痕跡等，來(lái)確定斷裂性質(zhì)、斷裂源位置、裂紋擴(kuò)展過(guò)程和方向、受力狀態(tài)和環(huán)境介質(zhì)作用等情況，從而初步分析斷裂的性質(zhì)及原因

使用低倍顯微鏡 (1~100X) 等低倍設(shè)備，觀察整個(gè)斷口的宏觀形貌特征，為放大觀察和深入分析提供線索

宏觀斷口分析時(shí)，為獲得良好效果，拍照時(shí)多采用單光源斜照明，傾斜角約為30~45度。為防止斷口凸凹懸殊處明暗反差太大產(chǎn)生失真，可增加亮度較低的附助光源

 

微觀斷口分析方法

光學(xué)顯微鏡主要用于觀察斷口的形貌特征、局部的微觀形貌斷口剖面特征等。由于其放大倍數(shù)和景深有限，且斷口本身又極為不平整，有時(shí)難以獲得良好觀測(cè)效果

掃描電子顯微鏡(SEM有以下優(yōu)點(diǎn): (1) 聚焦景深大，對(duì)粗糙樣品依然可獲清晰圖像;(2) 放大倍數(shù)可在幾倍到十萬(wàn)倍間連續(xù)觀察;(3) 可觀察三維特征，圖象清晰、立體感強(qiáng);(4) 樣品制備簡(jiǎn)單，直接觀察，不需制作復(fù)型;(5) 與能譜儀配合可定量探測(cè)樣品表面微區(qū)元素種類(lèi)和含量; (6) 分辨率高

透射電子顯微鏡(TEMD的優(yōu)點(diǎn):分辨率比SEM高，配有X射線能譜的TEM不僅能觀察斷口形貌細(xì)節(jié)，且可確定斷口上第二相質(zhì)點(diǎn)的成分和結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是不能直接觀察斷口，需制取復(fù)型:不能到連續(xù)圖象，不易定位微觀形貌在斷口中的位置

 

斷口的保護(hù)

斷口保護(hù)是斷口分析的重要環(huán)節(jié)。如果斷口表面受到破壞或掩蓋了斷口的原始表面形貌，將直接影響斷口分析的質(zhì)量和準(zhǔn)確性甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室里存放斷口時(shí)將斷口儲(chǔ)存在干燥器中或放在含有干燥劑的塑料容器內(nèi)。對(duì)于需長(zhǎng)期保存的斷口，除與硅膠同裝入塑料袋封存外，還常用表面涂層進(jìn)行保護(hù)。表面涂層應(yīng)既能防腐又易于清洗，常用的有防銹油或丙烯清漆2

常用醋酸纖維素紙(簡(jiǎn)稱(chēng)塑料紙或AC紙)來(lái)保護(hù)斷口。先用丙酮軟化其，然后將軟化的一面壓附于斷口表面。去除時(shí)需將樣品放入丙酮中浸泡，然后用毛刷清除，或用超聲波清洗

 

 

斷口的宏觀形貌特征

靜載荷下斷口的宏觀形貌——光滑圓柱試樣拉伸斷口

光滑圓柱拉伸試樣韌性斷口，一般纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個(gè)區(qū)域組成

裂紋起源于纖維區(qū)，并在此區(qū)緩慢擴(kuò)展，達(dá)到一定尺寸后，裂紋開(kāi)始快速擴(kuò)展(或稱(chēng)失穩(wěn)擴(kuò)展)形成放射區(qū)，擴(kuò)展至試樣表面附近時(shí)，裂尖應(yīng)力狀態(tài)由三向應(yīng)力變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，在表面處形成剪切唇，整個(gè)斷口呈杯錐狀

 

對(duì)光滑圓柱試樣斷口，纖維區(qū)往往位于斷口中央，呈粗糙纖維狀圓環(huán)形花樣，所在平面垂直于拉應(yīng)力。細(xì)觀呈顯微空洞和鋸齒狀形貌，其底部晶粒被拉長(zhǎng)如同纖維

纖維區(qū)是在切應(yīng)力作用下，在塑性變形過(guò)程中微裂紋不斷擴(kuò)展并連接而形成。纖維區(qū)塑性變形較大，斷面粗糙不平，對(duì)光線的散射能力很強(qiáng)，所以總呈暗灰色

放射區(qū)緊接纖維區(qū)，有放射花樣特征，此時(shí)裂紋由緩慢擴(kuò)展轉(zhuǎn)向快速擴(kuò)展。放射線平行裂紋擴(kuò)展方向，并逆指向裂紋源

放射花樣是裂紋達(dá)臨界值后快速低能量撕裂的表現(xiàn)，此時(shí)材料宏觀塑性變形小，表現(xiàn)為脆性斷裂，但在微觀局部，仍有較大塑性變形

材料越脆，放射線越細(xì)。若材料處于沿晶斷裂或解理斷裂狀態(tài)(極脆狀態(tài))，則放射線消失

 

剪切唇在斷裂最后階段形成，表面平滑，與拉應(yīng)力呈45度角在此區(qū)域裂紋作快速不穩(wěn)定擴(kuò)展，但裂尖呈平面應(yīng)力狀態(tài)，材料塑性變形量大，屬于韌性斷裂區(qū)

光滑圓柱試樣拉伸斷口有代表性。但當(dāng)試樣形狀、尺寸、材料試驗(yàn)溫度、加載速度和受力狀態(tài)不同時(shí)，斷口此三區(qū)域的形態(tài)

大小和相對(duì)位置都會(huì)發(fā)生變化

一般來(lái)說(shuō)，材料強(qiáng)度增加、塑性降低，則放射區(qū)比例增大;試樣尺寸加大，放射區(qū)明顯增大，而纖維區(qū)變化不大

 

靜載荷下斷口的宏觀形貌——缺口圓柱試樣的拉伸斷口

缺口不但改變斷口各區(qū)所占比例，且使裂紋成核位置也發(fā)生改變。缺口圓柱試樣通常從缺口處成核，最后斷裂在心部，且心部斷裂區(qū)較為粗糙a

由于缺口處應(yīng)力集中，裂紋在缺口或缺口根部萌生。其纖維區(qū)沿圓周分布。裂紋由該處向試樣內(nèi)部擴(kuò)展。缺口較鈍時(shí)，裂紋亦可在試樣中心萌生

由于缺口處有較大應(yīng)力集中，剪切唇較難形成，同時(shí)裂尖受強(qiáng)烈三向應(yīng)力約束，常呈脆性斷裂

 

靜載荷下斷口的宏觀形貌一形無(wú)缺口試樣的拉伸斷口

由于試樣幾何形狀不同，

其斷口有其特征。裂紋源處于試樣心部纖維區(qū)呈圓形或橢圓形;放射區(qū)有“人字形"花樣，且其頂端指向裂紋源;裂紋沿寬度方向擴(kuò)展;破壞區(qū)為剪切唇

試樣厚度對(duì)斷口形貌有顯著影響。厚度減少時(shí)，剪切唇所占面積增大，放射區(qū)縮小，有時(shí)甚至全為剪切唇，此為平面應(yīng)力所致的切斷型斷口

人字紋花樣是脆性斷裂的最主要宏觀特征。找出人字紋，即可沿人字紋方向?qū)ふ伊鸭y源。實(shí)際機(jī)件斷口的人字紋并不全是直線狀，常是彎曲的

 

 

沖擊斷口的宏觀形貌

般情況下亦有上述三區(qū)。缺口處形成裂紋源，然后是纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇，剪切唇沿?zé)o切口邊的其他三側(cè)邊分布。纖維區(qū)與放射區(qū)或剪切唇連接處呈弧形

沖擊斷口特征:無(wú)缺口一側(cè)受壓，當(dāng)受拉應(yīng)力的放射區(qū)進(jìn)入受壓區(qū)時(shí)其可能消失(壓應(yīng)力阻滯裂紋擴(kuò)展)，而呈現(xiàn)纖維區(qū)。若材料塑性好，則放射區(qū)消失，斷口上只有纖維區(qū)和剪切唇

溫度顯著影響沖擊斷口形貌。溫度越低，纖維區(qū)越小，放射區(qū)越大，材料由延性轉(zhuǎn)為脆性。此臨界溫度稱(chēng)為脆性轉(zhuǎn)變溫度

 

 

疲勞斷口的宏觀形貌

典型疲勞斷口有三個(gè)區(qū):疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)疲勞源是疲勞破壞的起點(diǎn)，一般產(chǎn)生在表面，但如果構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷，如脆性?shī)A雜物、空洞等，也可在次表面或內(nèi)部產(chǎn)生該區(qū)受反復(fù)擠壓摩擦，因此光滑細(xì)膩

疲勞源數(shù)目可為一個(gè)，也可為多個(gè)，與機(jī)件受力模式和應(yīng)力大小有關(guān)。單向彎曲時(shí)疲勞源只有一個(gè)，雙向反復(fù)彎曲時(shí)則有兩個(gè)。應(yīng)力越大，則疲勞源數(shù)目越多

 

典型疲勞斷口有三個(gè)區(qū): 疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)疲勞源是疲勞破壞的起點(diǎn)，一般產(chǎn)生在表面，但如果構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷，如脆性?shī)A雜物、空洞等，也可在次表面或內(nèi)部產(chǎn)生

該區(qū)受反復(fù)擠壓摩擦，因此光滑細(xì)膩

疲勞源數(shù)目可為一個(gè)，也可為多個(gè)，與機(jī)件受力模式和應(yīng)力大小有關(guān)。單向彎曲時(shí)疲勞源只有一個(gè)，雙向反復(fù)彎曲時(shí)則有兩個(gè)。應(yīng)力越大，則疲勞源數(shù)目越多

 

瞬斷區(qū)是疲勞裂紋快速擴(kuò)展至斷裂的區(qū)域。裂紋擴(kuò)至臨界值時(shí)

將失穩(wěn)快速擴(kuò)展，形成瞬斷區(qū)

瞬斷區(qū)形貌與拉伸韌性斷口相似，中心處為平面應(yīng)變狀態(tài)平斷口，與擴(kuò)展區(qū)在同一個(gè)平面;邊緣處為平面應(yīng)力狀態(tài)剪切唇

韌性材料的瞬斷區(qū)為纖維狀、暗灰色;脆性材料則為結(jié)晶狀

三區(qū)共存是高周疲勞宏觀斷口的典型情況。但有時(shí)由于加載條件、材料性能等原因，疲勞斷口上的某些區(qū)域可能很小，甚至消失，因此需仔細(xì)判斷分析，不可絕對(duì)化

 

沿晶斷裂的宏觀特征

晶界使材料強(qiáng)化，但在某些情況下，晶界被弱化，裂紋沿晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致沿晶斷裂。屬于脆性斷裂，斷口常呈 “冰糖狀"

沿晶斷裂總是與材料的某些性能明顯降低(如、等)相關(guān)聯(lián)

沿晶斷裂一般與熱處理、外界環(huán)境及應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。熱處理引起過(guò)熱脆斷和回火脆斷;腐蝕環(huán)境引起應(yīng)力腐蝕與氫脆;高溫及應(yīng)力共同作用引起蠕變脆斷

 

實(shí)際構(gòu)件斷口的宏觀分析

實(shí)際機(jī)件受力復(fù)雜，斷裂很多，因此宏觀斷口形貌也較復(fù)雜，需多角度觀察斷口特征形貌，并綜合分析

譬如，在交變應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂，宏觀斷口上常圍繞疲勞源區(qū)形成一些同心圓，稱(chēng)為“ 貝紋線"主要宏觀特征。又如，由于氫分子聚合而造成的氫脆，在宏觀，它是疲勞斷口的斷口上出現(xiàn)雪片狀的“白點(diǎn)35

在觀察宏觀斷口時(shí)，應(yīng)首先尋找這些特征，以確定斷裂性質(zhì)

 

實(shí)際構(gòu)件斷口的宏觀分析——斷口特征判據(jù)

斷口是否存在放射花樣或人字紋斷口是否存在弧形跡線

斷口粗糙程度

斷口的光澤與顏色

斷口與最大正應(yīng)力的交角

實(shí)際構(gòu)件斷口的宏觀分析-裂紋源的確定

圓形截面斷口，其纖維區(qū)常是裂紋源位置;放射花樣逆指向裂紋源，其裂紋源總在最內(nèi)層的中心區(qū)

矩形或板狀斷口，順著人字紋頂尖方向或放射花樣逆向追溯到裂紋源

缺口試樣斷口，裂紋源產(chǎn)生于缺口根部，而且呈現(xiàn)多源

疲勞斷口裂紋源起始于缺口、溝槽、孔角、夾雜、空洞等應(yīng)力集中處。經(jīng)表面強(qiáng)化或其他鍍層處理，裂紋源會(huì)出現(xiàn)在材料次表面上。沿貝紋線和放射花樣逆向可找到疲勞源

 

 

疲勞斷裂的微觀形貌特征

疲勞裂紋擴(kuò)展斷口的微觀形貌特征

疲勞裂紋擴(kuò)展分二個(gè)階段。第 I 階段:疲勞裂紋在試樣表面的

滑移帶或缺陷處形核，沿主滑移面 (最大切應(yīng)力方向) 向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與正應(yīng)力呈45度

第I階段:裂紋在第 I階段擴(kuò)展一定距離后(約10-1毫米級(jí))，將沿與正應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，此時(shí)正應(yīng)力影響裂紋的擴(kuò)展

第 I 階段的微觀形貌與特征 : 類(lèi)似于解理斷裂的河流、臺(tái)階舌狀等花樣 ;滑移線是第 I 階段斷口的重要特征

第II階段斷口微觀特征是疲勞條帶，需在高倍顯微鏡下觀察

若發(fā)現(xiàn)疲勞條帶，可判斷為疲勞斷裂;但若未發(fā)現(xiàn)疲勞條帶則不能斷定不是疲勞斷口。材料等因素影響其形態(tài)。鋁合金碳鋼的疲勞條帶較明顯，超高強(qiáng)度鋼則不明顯

每一疲勞條帶代表一次載荷循環(huán)，表示載荷循環(huán)下的裂尖位置在數(shù)量上與循環(huán)次數(shù)相等。疲勞條帶間距是應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的函數(shù)，隨的增加而增加

疲勞條帶形成的必要條件是疲勞裂紋頂端必須處于張開(kāi)型的平面應(yīng)變狀態(tài)，所以只有當(dāng)疲勞斷口與應(yīng)力垂直時(shí)才能觀察到

 

 

近門(mén)檻值擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌

近門(mén)檻值擴(kuò)展區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率為10-7mm/周，其行為對(duì)力學(xué)材料和環(huán)境等因素很敏感

近門(mén)檻區(qū)存在明顯磨蝕氧化沉積物，且隨應(yīng)力比增加，氧化膜厚度減小。近門(mén)檻區(qū)斷口表面光滑細(xì)膩，并顯示磨蝕和氧化物的痕跡

近門(mén)檻區(qū)斷口的微觀形貌特征是存在一定數(shù)量的解理小刻面穿晶和沿晶小刻面均可出現(xiàn)

低周疲勞的斷口形貌

低周疲勞斷口為多疲勞源，且源區(qū)放射狀棱線多;斷口粗糙臺(tái)階高度差大;疲勞條帶間距大;瞬斷區(qū)面積大

低周疲勞微觀形貌，隨應(yīng)力幅不同而不同。若應(yīng)力幅高，則易出現(xiàn)靜載斷裂機(jī)制，有韌窩產(chǎn)生;若應(yīng)力幅不高，有疲勞條帶

試驗(yàn)溫度較高且應(yīng)力幅較大時(shí)出現(xiàn)沿晶斷，斷口呈疲勞條紋條帶與沿晶斷口共存特征

 

 

腐蝕疲勞的斷口形貌特征

腐蝕疲勞是交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果。斷口宏觀形貌:顏色灰暗，無(wú)金屬光澤;嚴(yán)重時(shí)有腐蝕坑或氧化沉積物裂紋源位于腐蝕損傷處，如腐蝕坑、腐蝕斑

微觀形貌是沿晶斷裂特征。裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯腐蝕特征，如腐蝕坑、干涸狀花樣等