金属材料断口分析的有关问题
金属材料断口分析的步骤与方法
金属材料断口分析的步骤与方法金属材料断口分析是一项综合性很强的技术分析工作，通常需要采用多种仪器联合测试检验的结果，从宏观到微观，从定性到定量进行研究分析。
因此，需要严格的科学态度和有步骤的操作。
断口分析的步骤包括：选择、鉴定、保存和清洗试样；宏观检验和分析断裂表面、二次裂纹以及其他表面现象；微观检验和分析；金相剖面的检验和分析以及化学分析；断口定量分析，如断裂力学方法；模拟试验等。
在进行断裂构件的处理和断口的保存时，需要采取措施把断口保存好并尽快制定分析计划。
对于不同情况下的断口，应采用不同的方法进行处理。
例如，对于大气中的新鲜断口，应立即放入干燥器内或真空干燥器内而不必清洗；对于带有油污的断口，应先用有机溶剂溶去油污，最后用无水乙醇清洗吹干；在腐蚀环境下发生断裂的断口，则需要进行产物分析。
通常可以采用X射线、电子探针、电子扫描显微镜或俄歇能谱仪进行产物分析，得出结论后再去掉产物观察断口形貌。
总之，断口分析是一项重要的金属材料分析技术，需要严格的科学态度和有步骤的操作。
去除腐蚀产物的方法之一是干剥法。
使用醋酸纤维纸（AC纸）进行清理是最有效的方法之一，特别是在断口表面已经受到腐蚀的情况下。
将一条厚度约为1mm的AC纸放入丙酮中泡软，然后放在断口表面上。
在第一张条带的背后衬上一块未软化的AC纸，然后用夹子将复型牢牢地压在断口表面上。
干燥后，使用小镊子将干复型从断口上揭下来。
如果断口非常污染，可以重复操作，直到获得一个洁净无污染的复型为止。
这种方法的一个优点是，它可以将从断口上除去的碎屑保存下来，以供以后鉴定使用。
此外，还可以使用复型法来长期保存断口。
断口表面不能使用酸溶液清洗，因为这会影响断口分析的准确性。
对于在潮湿空气中暴露时间比较长、锈蚀比较严重的断口，以及高温下使用的有高温氧化的断口，一定要去除氧化膜后才能观察，以避免假象。
如果一般有机溶液、超声波洗涤和复型都不能洁净断口表面，可以采用化学清洗。
材料的力学性能 断裂与断口分析
材料的力学性能－断裂与断口分析材料的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。
工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。
如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。
任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。
对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的断裂控制。
✓材料在塑性变形过程中，会产生微孔损伤。
✓产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不断丧失。
✓损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。
按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂分为韧性断裂和脆性断裂两大类。
断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。
断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及时发现，一般不会造成严重的后果。
脆性断裂断裂前，没有宏观塑性变形的断裂方式。
脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成严重后果。
脆性断裂断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，意味着断裂应力低于材料屈服强度。
对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、环境脆断和疲劳断裂等。
脆性断裂一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断。
主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载脆性等。
材料的断裂比较合理的分类方法是按照断裂机理对断裂进行分类。
微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。
有助于→揭示断裂过程的本质→理解断裂过程的影响因素→寻找提高断裂抗力的方法。
材料的断裂将环境介质作用下的断裂和循环载荷作用下的疲劳断裂按其断裂过程特点单独讨论。
金属材料的断裂－静拉伸断口材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况：(a)(b)：平断口；(c)(d)：杯锥状断口；(e)尖刃断口平断口：材料塑性很低、或者只有少量的均匀变形，断口齐平，垂直于最大拉应力方向。
金属材料失效分析1-断裂
一、理论断裂强度σm
1、定义：如果一个完整的晶体，在拉应力作用下， 使材料沿某原子面发生分离，这时的σf就是理论断 裂强度。
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2、断裂强度计算
假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化，
周期为λ， 则:
a0
m
sin
2 x
其中: σm理论断裂强度
试 样形 状
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四、断口三要素的应用
根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向 裂纹源的确定： ①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维
区的位置就找到了裂源的位置； ②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置； ③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，
而裂源在材料表面上萌生。
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裂纹扩展方向的确定： ①纤维区指向剪切唇 ②放射条纹的发散方向 ③板状样呈现人字纹（chevron pattern）
其反方向为 源扩展方向
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§3、断裂过程
裂纹形成 裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）
失稳扩展
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裂纹形成的位错理论 （裂纹形成模型或机制） 1、位错塞积理论—stroh理论 2、位错反应理论—cottrel理论 3、位错墙侧移理论 4、位错交滑移成核理论 5、同号刃位错聚集成核理论
亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程 特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展
裂纹总是沿需要需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同 失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂 特点：速度快，最大可达声速； 扩展功小，消耗的能量小； 危害性大，总是脆断
金属断裂断口分析
4
沿晶断裂
沿晶断裂的裂纹沿晶界扩 展，大多数是脆性断裂， 由晶界上的一薄层连续或 不连续脆性第二相、杂质 物，破坏了晶界的连续性 所造成，也可能时杂质元 素向晶界偏聚引起的。 应力腐蚀、氢脆、回火脆 性、淬火脆性、磨削裂纹 等大都是沿晶断裂。
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解理断裂
金属材料在一定的条件下 （如低温） ，当外加正应力 达到一定数值后，以极快 速率沿一定晶体学平面产 生的穿晶断裂，因与大理 石断裂类似，古城此种晶 体学平面为解理面。家里 面一般是低指数晶面或表 面能最低的晶面。 例如： 晶体结构为 bcc： Fe、 解理面为｛001｝hcp 的主 要解理面为｛0001｝ 金属材料在切应力作用下 沿滑移面分离断裂，其中 又分滑断（纯剪切断裂） 和微孔聚集性断裂。纯金 属尤其是单晶体金属常产 生纯剪切断裂，其断口呈 锋利的楔形（单晶体金属） 或刀尖形（多晶体金属的 完全韧性断裂） 。这是纯粹 由滑移流变所造成的断 裂。微孔聚集性断裂是通 过微孔形核、长大聚合而 导致材料分离的。由于实 际材料中常同时形成微 孔，通过微孔长大互相连 接而最终导致断裂。
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剪切断裂
断口形貌
1
韧性断裂
2
脆性断裂
脆性断裂是突然发生的断 裂，断裂前基本上不发生 塑性变形，没有任何征兆， 因而危险性很大。脆性断 裂的断裂面一般与正应力 垂直，断口平齐而光亮， 常呈放射状或结晶状。
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穿晶断裂
多晶体金属断裂时，裂纹 扩展的路径可能是不同 的。穿晶断裂的裂纹穿过 晶内。穿晶断裂可以是韧 性断裂（如韧脆转变温度 以上的穿晶断裂） ，也可以 是脆性断裂（低温下的穿 晶解理断裂）
穿晶断裂可以是韧性断裂如韧脆转变温度以上的穿晶断裂也可以是脆性断裂低温下的穿晶解理断裂4沿晶断裂沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展大多数是脆性断裂由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相杂质物破坏了晶界的连续性所造成也可能时杂质元素向晶界偏聚引起的
金属材料断口机理及分析
精心整理名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。
蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。
准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。
解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。
应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹纹。
正断韧性： 河流花样 氢脆：卵形韧窝等轴韧窝1.2.34裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型） 裂纹尺寸与断裂强度的关系Kic ：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K 准则相似） ：断裂应力（剩余强度）a ：裂纹深度（长度）Y ：形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关） 脆性材料K 准则：KI 是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量； KIC 是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法：T型法（脆断判别主裂纹），分差法（脆断判别主裂纹），变形法（韧断判别主裂纹），氧化法（环境断裂判别主裂纹），贝纹线法（适用于疲劳断裂判别主裂纹）。
断口的试样制备：截取，清洗，保存。
断口分析技术设备：1.宏观断口分析技术（用肉眼，放大镜，低倍率光学显微镜观察分析）2.光学显微断口分析（扫描电子显微镜光学显微镜，透射电子显微镜），3.电镜断口分析。
第三章延性断裂：12.3．1（1约成45（2（321.2.（1）内颈缩扩展：质点大小、分布均匀，韧窝在多处形核（裂纹萌生），随变形增加，微孔壁变薄，以撕裂方式连接（2）剪切扩展：材料中具有较多夹杂物，同时具有细小析出相时，微孔之间可能以剪切方式相连接。
注意：内颈缩扩展与剪切扩展在同一韧窝断口上可能同时发生。
影响韧窝的形貌因素：夹杂物或第二相粒子，基体材料的韧性，试验温度，应力状态。
断口分析
断口分析1.弹性不匹配的裂纹形核：晶粒间由于取向，化学成分不同，弹性模量是不一样的，外部施加的应力或内部产生的应力在两个经理内产生不同的弹性应变，从而可能导致局部的高应力，并通过形成裂纹加以释放。
2.结晶固体中的塑性形变引起的裂纹形核：低温下的结晶材料，如金属和陶瓷，会发生剪切形变。
从微观结构的层次来看，这是由单个位错的滑动(滑移)或大批的位错协调移动(局部形变孪生)引起的晶体内或晶粒内的剪切形变。
由此产生的剪切应力可能局限在一个窄带内。
当剪切带遇到障碍，例如晶界或者第二相粒子，在剪切带尖上会产生很大的局部应力，这就引起了裂纹形核。
材料的晶体结构及外加应力的方向决定了滑移面或孪生面的方向以及剪切发生的方向。
裂纹形核的平面与材料的晶体结构和“障碍”界面的强度密切相关。
由于结晶解理，裂纹产生在同一晶粒的剪切带中。
当然裂纹也可能会产生在“障碍”处，或者在材料中弱界面处，沿界面形成。
高应力集中也可能会通过普通的塑性形变而不是裂纹形核释放出来。
裂纹是否产生取决于多个不同变量，包括剪切应力大小、障碍的强度、形变动力学以及滑移系的几何性质等。
有些材料比较易碎，容易产生裂纹，是因为无法释放由于塑性形变所产生的高的应力集中。
3.塑性孔洞聚合引起的裂纹形核：这种机制多发生于很多含有刚性颗粒的延性固体中，具体细节取决于固体的微观结构。
当受力变形时，延性基体通过两种方式产生形变:晶体材料的滑移，或者在非晶和半结晶体材料中更为普遍的剪切过程，但其中的坚硬颗粒不会发生形变。
因此，随着颗粒周围产生的许多塑性孔洞，颗粒和基体开始分离。
而一旦形核，由于基体的进一步剪切或高温下的扩散过程，塑性孔洞会不断扩大。
最终，不断变大的塑性孔洞的应力场会彼此交互作用，基体剪切应力逐渐集中到颗粒之间的区域，导致其与基体的分离而形成裂纹。
裂纹是由不规则排列的多个聚集的塑性孔洞构成的。
这说明，裂纹可能是由许多较小的裂纹形成的，在本例中指的就是刚性颗粒与基体界面间的小裂纹。
金属失效断口分析
（1）断裂源区和零件几何结构间的关系 断裂源区可能发生在零件的表面、次表面或内部。 对于塑性材料的光滑试件（零件），在单向拉伸
状态下，断裂源在截面的中心部位属于正常情况。为 防止零件出现此种断裂，应提高材料的强度水平或加 大零件的几何尺寸。
表面硬化件发生断裂时，断裂源可能发生在次表 层，为防止此类零件的断裂，应加大硬化层的深度或 提高零件的心部硬度。
（c）断口表面与轴线的夹角远小于45 ，即断口表面既不和最大正应力所在平面相 对应也不和最大切应力所在平面相对应。换句话说，该断裂面是在较小的应力条件下 形成的。由此可以推知，材料的各向异性现象比较严重，横向性能比较差。通常是由 材料中的塑性夹杂物比较多及锻造流线沿轴向分布显著等因素引起的。
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（6）断口上的冶金缺陷 注意观察断口上有无夹杂、分层、粗大晶粒、疏松、 缩孔等缺陷。有时依此可以直接确定断裂原因。
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3.2.4 断口的微观分析
断裂件的断口经宏观分析之后，对断裂的性质、 类型及致断原因等问题已有所了解。但对于许多断裂 问题，特别是在特殊环境条件下发生的断裂，仅限于 宏观分析还是不够的。其原因是，一方面是由于断口 的某些产物需要搞清楚才能确定断裂原因，另一方面 宏观断口形貌尚不能完全揭示出断裂的微观机制及其 它细节。因此，为了进一步搞清楚这些问题、尚需对 断口作微观分析。其内容主要包括断口的产物分析及 形貌分析两个方面。
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（3）按照裂纹的河流花样确定主裂纹
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3. 断裂（裂纹）源区的宏观判断 主断面（主裂纹）确定后，断裂分析的进一步工
作是寻找裂纹源区。裂纹源区是断裂破坏的宏观开 始部位。寻找裂纹源区不仅是断裂宏观分析中最核 心的任务，而且是光学显微分析和电子显微分析的 基础。
《金属断口分析》课件
应变率对金属断应变率对塑性断裂性能的影响
脆性断裂的应变率效应
研究应变率对脆性断裂特性的影响
断口分析技术
金属材料断口制备
详细介绍金属材料断口制备的方法和步骤
断口分析设备
介绍断口分析的常用设备和工具
断口观察方式
列举不同的断口观察方式和技术
总结与展望
金属断口分析的应用前景
《金属断口分析》PPT课 件
本课件将深入介绍金属断口分析的相关知识，通过详细讲解金属断裂分类以 及断口分析技术，帮助您更好地理解金属材料的断裂机理和应用前景。
金属断裂分类
脆性断裂
晶粒断裂、孪晶断裂、空洞聚合引起断裂、硬夹杂物载荷集中引起断裂
塑性断裂
颈缩断裂、细粒断裂、断微观结构分析
疲劳断裂
疲劳断裂的特点、疲劳断裂的分类、疲劳断口类型分析
探讨金属断口分析在工业领域的应用前景
金属断口分析的发展趋势
展望金属断口分析技术的未来发展方向