金属材料的裂纹与断口分析
说明铸铁和低碳钢断口的特点
说明铸铁和低碳钢断口的特点铸铁和低碳钢是常见的金属材料，在工业生产和日常生活中都有广泛应用。
在使用这些材料时，经常需要对它们的断口进行分析，以了解其特点和性能。
本文将从断口的形态、颜色、纹理等方面详细说明铸铁和低碳钢断口的特点。
一、铸铁断口特点1. 断口形态铸铁的断口形态通常呈灰白色或深灰色，呈片状或贝壳状。
这是因为铸造过程中，铸件内部存在气孔、夹杂物等缺陷，导致其强度较低。
当受到拉伸力时，这些缺陷会在断裂面上形成明显的裂纹，最终导致片状或贝壳状的断口。
2. 断口颜色铸铁的断口颜色通常为灰白色或深灰色。
其中灰白色断口是由于表面氧化而形成的；深灰色则是由于碳化物晶体在断裂面上反射光线而形成的。
3. 断口纹理铸铁的断口纹理通常呈现出明显的晶粒状结构。
这是由于铸造过程中，液态金属在冷却过程中形成了不同大小的晶粒，断裂时这些晶粒会在断口上形成明显的纹理。
二、低碳钢断口特点1. 断口形态低碳钢的断口形态通常呈现出光滑平整的贝壳状或韧窝状。
这是因为低碳钢具有较高的韧性和塑性，在受到拉伸力时，其分子间结合力会先逐渐减弱，而不是突然断裂，最终导致贝壳状或韧窝状的断口。
2. 断口颜色低碳钢的断口颜色通常为银白色或灰白色。
其中银白色是由于表面氧化而形成的；灰白色则是由于金属内部晶粒在断裂面上反射光线而形成的。
3. 断口纹理低碳钢的断口纹理通常呈现出细密均匀的晶粒结构。
这是由于低碳钢具有较高的纯度和均匀性，在冷却过程中形成了细密均匀的晶粒，断裂时这些晶粒会在断口上形成均匀的纹理。
三、铸铁和低碳钢断口特点对比1. 形态对比铸铁的断口形态通常呈片状或贝壳状，而低碳钢的断口形态通常呈贝壳状或韧窝状。
这是由于两者材料性质不同，在受到拉伸力时产生了不同的变化。
2. 颜色对比铸铁和低碳钢的断口颜色都为灰白色或深灰色，但是在具体颜色上还是存在差异。
其中铸铁的灰白色更加明显，而低碳钢则更加接近银白色。
3. 纹理对比铸铁和低碳钢的断口纹理也存在差异。
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。
金属材料的裂纹与断口分析
断裂源区的位置、数量及精裂品课纹件 扩展方向等。
33
金属断口宏观分析的依据主要有：断口的颜 色、花纹、粗糙程度、边缘情况、位置等。
静载拉伸断口
out
精品课件
34
纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽
韧性断裂
out
脆性断裂
精品课件
拉伸试 样的断 口比较
(确定断裂路径与组织关系) 5. 失效类型确定和失效原因判断
out
精品课件
21
3.1 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
out
精品课件
22
判定主裂纹的方法
将散落断口拼合， 检验断口，氧
测量其几何形状变 化最严重区为
化，变形量最大的 最先断裂区
为主裂纹。
（主裂纹形成）
out
河海大学力学与材料学院硕士课程
金属材料失效分析
（Failure analysis of metallic materials）
第2讲 裂纹与断口分析
out
精品课件
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
out
精品课件
2
第一节 裂纹与断口
1.1 裂纹与断口的本质
裂纹(裂缝)
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
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
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。
31
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
21
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。
22
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
23
§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
24
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
序
号
断裂类型断裂特征及断口特征断口形貌
1 韧性断裂金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，是一种缓慢撕裂的过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力呈45度角。
用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则使纤维断口表面对光反射能力
很柔弱致。
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。
3 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）
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。
金属材料断口分析-精彩部分
有关断口分析的基本概念介绍---10;
冲击断口的宏观形貌及示意图
V缺口试样断口
示意图
有关断口分析的基本概念介绍---11;
带有中央切口板试样的反复交变拉伸的疲劳断口
有关断口分析的基本概念介绍---12;
弯曲与旋转弯曲疲劳断口
断口分析总结
断口微观分析系统介绍：
1,解理与准解理; 2,剪切断裂; 3,疲劳断裂; 4,晶间断裂等
各种材料的解理面和滑移面
有关断口分析的基本概念介绍---4;
a,平面应 变时的 断口,正 断型;
b,平面应 力时的 断口,切 断型;
屈服区大小沿板厚方向改变的情况（穿透裂纹“哑 铃状”）
有关断口分析的基本概念介绍---4;
有关断口分析的基本概念介绍---5;
静载荷下光滑圆试样的拉伸断口宏观形貌示意图
有关断口分析的基本概念介绍---6;
断口的一般特征
解理与准解理断裂的断口具有以下之一的重要特征---解理部分：
解理与准解理断裂的断口具有以下之一的重要特征---准解理部分：
剪切断裂断口的一般特征
下面介绍：
1,疲劳断裂断口的一般时征：
1-1断口宏观上分成三个区;
1-2裂纹扩展又分两个阶段;
2疲劳纹形成机制试探讨
1-1断口宏观上分成三个区; 疲劳核心区; 疲劳裂纹扩展区; 瞬时破断区。
疲劳裂纹形成
1-2裂纹扩展又分两个阶段,---第一阶段疲劳裂纹形核;
1-2裂纹扩展又分两个阶段,---第二阶段疲劳裂纹扩展
2 疲劳纹形成机制试探讨
4,晶间断裂的断口特征
实际工程的断口是混合型断口
混合型断口判断经验之：1 ,2
混合型断口判断经验之：3,4,
金属断口机理及分析
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：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。
正断：断面取向与最大正应力相垂直〔解理断裂、平面应变条件下的断裂〕韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。
冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。
位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。
河流把戏：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。
其形状类似地图上的河流。
断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体构造。
氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。
卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。
等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。
均匀分布于断口外表，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。
第一章断裂的分类及特点1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。
脆性断裂裂纹源：材料外表、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。
延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45º .2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。
应力腐蚀断口，氢脆断口。
3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理〔及准解理〕、沿晶和疲劳断裂4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直〔解理断裂、平面应变条件下的断裂〕切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45º交角〔平面应力条件下的撕裂〕根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：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〕。
解理裂理断口的异同
解理裂理断口的异同提要：本文将介绍材料科学领域中常用的解理裂纹断口观察方法，并对不同类型的断口进行对比和分析，以便更好地了解材料的性能和特性。
引言：解理裂纹断口观察是材料科学中常用的分析方法，通过观察和比较不同材料的断口形貌，可以了解材料的结晶性质、应力状态、破坏方式等重要信息。
本文将对金属材料和非金属材料的断口进行对比和分析，探讨它们的异同点。
一、金属材料的断口分析金属材料的解理裂纹断口通常呈现出以下特点：1.平整面：金属材料的解理裂纹断口多呈现出平整的特点。
这是因为金属具有均匀的晶格结构，断裂时发生在晶界处或晶粒内的断口层上，形成平整的断裂面。
2.特征条纹：在金属的断口上，常常可以观察到明显的特征条纹。
这些条纹是由金属内部的晶粒边界和分布不均匀的夹杂物所形成的。
通过这些特征条纹的分析，可以推测出金属的晶粒生长和凝固过程。
3.断口韧突：金属的断口通常会形成一些韧突状的特征，这是由金属在受力过程中形成的。
韧突的形状和大小可以反映金属的塑性变形能力，对材料的韧性和延展性性能有重要的指示作用。
二、非金属材料的断口分析非金属材料的断口与金属材料有一些明显的不同之处：1.不规则断裂面：与金属材料不同，非金属材料通常呈现出不规则的断裂面。
这是因为非金属材料的晶体结构不均匀，断裂面上会形成不同深浅和方向不同的缺陷和裂纹。
2.显著的分层：非金属材料的断裂面常常呈现出分层的特点。
这是由于非金属材料的层状结构或纤维状结构，在断裂时易于沿着层状结构或纤维的方向发生断裂，形成分层的断口。
3.静电击穿：一些非金属材料，在断裂时会发生静电击穿的现象。
这是由于非金属材料本身具有较高的电阻性能，在断裂时会积累电荷，形成静电击穿的现象。
三、解理裂纹断口的应用解理裂纹断口的观察和分析在材料科学中有广泛的应用：1.材料评价：通过观察不同材料的断口特征，可以评价材料的韧性、脆性、疲劳性等机械性能。
这对材料的选择和设计具有重要意义。
2.破坏分析：解理裂纹断口的观察可以帮助研究人员分析材料的破坏机理和原因。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
26
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
27
断定裂纹源于清扫孔处。
放射标记 法
剪切唇法
展的反方向上(如图) ----多枝型法。
多枝型法示意图
T型法示意图 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。
20
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
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。
贝纹花样 法
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。
源区
疲劳断口的贝纹线，从裂纹源呈放射状 28
33
金属断口宏观分析的依据主要有：断口的 颜色、花纹、粗糙程度、边缘情况、位置等。
静载拉伸断口
34
纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽
韧性断 裂
脆性断 裂
拉伸试
样的断 口比较
点 状 破 裂
韧
性
好
35
根据断口表面粗糙度及反光情况可以大致
断
判断断裂的性质。
口
三
1.2 断裂失效形式 ?
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。
混合型
撕裂韧窝与剪切韧 窝
① 韧性断裂与断口特征
机 理
（屈服强 度）
7
(微观）
(宏观）
8
② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
Q：何种晶体结构材料易出现脆性断裂？
由断裂前塑性变形量大小及断口形貌特征，
要
可大体判断断裂的类型是韧性的、脆性的还
素
是疲劳断裂。
判定裂纹源的方法
最小应变法
碎块拼凑法 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。
25
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) 。
人字形法
探伤
X光探伤和低倍侵蚀 等 产物分析（EDX\XRD\XPS等）
基本原则→用尽可能简单的仪器
得到满意的结果!
16
断口形貌观察工具纹
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。
使用裂纹
3
断 口 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。 •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)
4
金属材料的断裂过程
9
薄板表面 薄板侧面-断口
10
b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混 晶
穿
晶
11
c. 按裂纹机制分类
12
13
d.按受力状态不同分类
e. 按环境介质不同分类
14
f. 按服役条件分类
15
1.3 裂纹与断口 的分析手段
万能轧机双排人字齿轮轴劈
宏观观察 ( 肉眼, 放大镜) 显微分析 ( OM SEM TEM) 显微裂纹←磁力探伤、荧光探伤、超声波
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
5
金属构件可能在制造、成形或使用阶段 的启裂、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!
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。
拉伸
18
扭转
2.1 裂纹分析思路与内容
残骸拼合、复原
肇事件判断
主裂纹判断 裂纹源位置
裂纹萌生位置 裂纹源特征
裂纹源附近状况
19
2.2 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
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
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!
(确定断裂路径与组织关系) 5. 失效类型确定和失效原因判断
21
3.1 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
22
判定主裂纹的方法
将散落断口 检验断口， 拼合，测量其 氧化最严重 几何形状变化，区为最先断 变形量最大的 裂区（主裂 为主裂纹。 纹形成）
23
24
河海大学力学与材料学院硕士课程
金属材料失效分析
（Failure analysis of metallic materials）
第2讲 裂纹与断口分析
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
2
第一节 裂纹与断口
1.1 裂纹与断口的本质
裂纹(裂缝)
完整金属在应力作用下, 某些薄弱部位发生局部破裂而
c. 断口样品的清洗和保存
带灰尘或其他附着物的断 口
29
清洁断口
带油污的断 口
30
锈蚀较严重的断口
31
在腐蚀环境下断裂的断 口
32
3.2 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，以及断裂 源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。