断口形貌分析
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理
断口的宏不雅形貌、微不雅形态及断裂机理之五兆芳芳创作按断裂的途径，断口可分为穿晶断裂和沿晶断裂两大类.穿晶断裂又分为穿晶韧性断裂和穿晶解理断裂（其中包含准解理断裂）.沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂.下面辨别加以讨论.（1）穿晶韧窝型断口断裂穿过晶粒内部，由大量韧窝的成核、扩展、连接而形成的一种断口.宏不雅形貌：在拉伸试验情况下，总是先塑性变形，引起缩颈，然后在缩颈部位裂纹沿与外力垂直的标的目的扩展，到一定程度后失稳，沿与外力成45°标的目的快速成长至断裂.众所周知，这种断口称为杯锥状断口.断口概略粗糙不服，无金属光泽，故又称为纤维状断口.微不雅形态：在电子显微镜和扫描电镜下不雅察，断口通常是由大量韧窝连接而成的.每个韧窝的底部往往存在着第二相（包含非金属搀杂）质点.第二相质点的尺寸远小于韧窝的尺寸.韧窝形成的原因一般有两种形成情况：1）韧窝底部有第二相质点的情况.由于第二相质点与基体的力学性能不合（另外，还有第二相质点与基体的结合能力、热膨胀系数、第二相质点自己的大小、形状等的影响），所以在塑性变形进程中沿第二相质点鸿沟（或穿过第二相质点）易形成微孔裂纹的焦点.在应力作用下，这些微孔裂纹的焦点逐渐长大，并随着塑性变形的增加，显微孔坑之间的连接部分逐突变薄，直至最后断裂.图3-41是微孔穿过第二相质点的示意图.若微孔沿第二相点鸿沟成核、扩展形成韧窝型裂纹后，则第二相质点留在韧窝的某一侧. 2）在韧窝的底部没有第二相质点存在的情况.韧窝的形成是由于资料中原来有显微孔穴或是由于塑性变形而形成的显微孔穴，这些显微孔穴随塑性变形的增大而不竭扩展和相互连接，直至断裂.这种韧窝的形成往往需要进行很大的塑性变形后才干够实现.因此，在这类断口上往往只有少量的韧窝或少量变形状韧窝，有的甚至经很大的塑性变形后仍见不到韧窝.当变形不大时，断口呈波纹状或蛇形把戏，而当变形很大时，则为无特征的平面.韧窝的形状与应力状态有较大关系.由于试样的受力情况可能是垂直应力、切应力或由弯矩引起的应力，这三种情况下韧窝的形状是不一样的.（2）解理与准解理断口1）解理断口.断裂是穿过晶粒、沿一定的结晶学平面（即解理面）的别离，特别是在低温或快速加载条件下.解理断裂一般是沿体心立方晶格的｛100｝面，六方晶格的｛0001｝面产生的.宏不雅形貌：解理断裂的宏不雅断口叫法良多，例如称为“山脊状断口”、“结晶状断口”、以及“萘状断口”等（见图片3-53）.山脊状断口的山脊指向断裂源，可按照山脊状正交曲线群判定断裂起点和断裂标的目的.萘状断口上有许多取向不合、比较滑腻的小平面，它们象条晶体一样闪闪发光.这些取向不合的小平面与晶粒的尺寸相对应，反应了金属晶粒的大小.微不雅形态：在电子显微镜下不雅察时，解理断口呈“河道把戏”和“舌状把戏”.2）准解理断口.这种断口在低碳钢中最罕有.前述的结晶状断口就是准解理断口，它在宏不雅上类似解理断口.准解理断口的微不雅形态主要是由许多准解理小平面、“河道把戏”、“舌状把戏”及“撕裂岭”组成.沿晶断口是沿不合取向的晶粒鸿沟产生断裂.其产生的主要原因是由于晶界弱化，使晶界强度明显低于晶内强度而引起的.造成晶界弱化的原因良多，例如，锻造进程中加热和塑性变形工艺不当引起的严重粗晶；低温加热时气氛中的C、H等元素浓度太高以及炉中残存有铜，渗人晶界；过烧时的晶界熔化或氧化；加热及冷却不当造成沿晶界析出第二相质点或脆性薄膜；合金元素和搀杂偏析造成沿晶界的富集；另外沿晶界的化学腐化和应力腐化等等，都可以造成晶界弱化，产生沿晶断口.（1）沿晶韧窝型断口若第二相质点沿晶界析出的密度很高，或因有一定密度的第二相质点再加上晶粒粗大，都会产生沿晶韧窝型断裂.沿晶韧窝形成的原因与穿晶韧窝相同.这种断裂的显微裂纹是沿着或穿过第二相质点成核的.显微裂纹的扩展和连接，陪伴随一定量的微不雅塑性变形.在断口概略可看到许多位向不合、无金属光泽的“小棱面”或“小平面”.这些“小棱面”或“小平面”的尺寸与晶粒尺寸相对应（如果晶粒细小，则断口概略上的“小棱面”或“小平面”用肉眼就不克不及看到或不明显）.在电子显微镜下不雅察“小校面”或“小平面”，它是由大量韧窝组成的，韧窝底部往往存在有第二相质点（或薄膜）.石状断口和棱面断口都是沿晶韧窝型断口.另外，偏析线也是一种沿晶韧窝型断口.（2）沿晶脆性断口在沿晶脆性断口上，几近没有塑性变形的陈迹或仅看到少少的韧窝.例如，过烧后的断口，就是沿晶界氧化物薄膜产生的一种沿晶脆性断裂.另外，18-8奥氏体不锈钢沿晶界大量析出碳化物后，也易产生沿晶脆断；沿晶界化学腐化和应力腐化（包含氢脆）后产生的断口，也都是沿晶脆性断口.属于这类断口的还有层状断口和撕痕状断口等.上面介绍的断口微不雅形态，是依照断裂的途径来分类的.而实际生产中见到的断口有时往往是由几种类型并存的混杂断口.例如，石状断口中，如果“小棱面”或“小平面”不是贯串整个断面，断口经常是沿晶和穿晶混杂断口.在实际生产中按照缺陷断口的宏不雅形貌和微不雅形态就可以判断出缺陷的类型、缺陷产生的原因和应采纳的对策.例如某厂生产的迫击炮炮尾，在试炮时经常产生折断的情况，经断口试验发明是石状断口，经选区电子衍射阐发确认韧窝底部的析出相颗粒是MnS再结合现场调查认为该缺陷产生的原因是终锻前的加热温度太高，终锻时的变形程度太小造成的.由于加热温度高，使奥氏体晶粒粗大，并使MnS大量溶入基体，锻后冷却时，MhS沿粗大的奥氏体晶界析出，造成晶界严重弱化所致，后来改动预制坯的尺寸以增大终锻的变形量，并下降终锻前的加热温度，问题就圆满地解决了.又例如某厂生产的Cr—Ni—Mo—V钢某种大型轴类锻件，在运行中产生的脆性断裂，经断口查验发明：此类锻件存在有棱面断口.该锻件用的钢是在5t碱性电弧炉中用氧化法冶炼的，锭重2.2t，锻造加热温度为1180～1200℃，保温3h以上，锻后立即送热处理炉进行退火、扩氢处理，然落后行粗加工和调质处理.调质后在两端切取试片，作纵向断口查验，发明有棱面断口，棱面断口大多出现在大型锻件的心部，而锻件边部仍为正常的纤维状断口，金相组织中有沿原粗大奥氏体晶界的析出相的链状网络.棱面断口的微不雅形态，韧窝内的析出相为不法则的四边形，呈薄片状，经选区电子衍射确定为AlN.由AlN的等温析出曲线可见，在约900℃迟缓冷却时，将有大量的AlN析出.按照上述查验结果阐发认为：1）该Cr—Ni—Mo—V钢大型轴类锻件，其棱面断口主要是在锻造加热时温度较高，保温时间太长，在锻后缓冷进程中，固溶入基体的大量AlN呈薄片状沿粗大的奥氏体晶界呈链状网络析出，造成微孔聚合型沿晶断裂而形成的.奥氏体晶粒越粗大，析出相密度愈高，晶界弱化愈严重.2）锻造低温加热的时间越长，固溶人基体的AlN越多，随后缓冷进程中形成校面断口的倾向越大，因此适当控制锻造加热标准是很重要的.3）由于AlN在奥氏体区析出峰值的温度约为900℃，其析出相随保温时间的延长而增加.因此，采纳下降待料温度，增加一次过冷工艺，则能放慢锻后冷却速度，削减锻件在奥氏体区AlN析出峰值温度的停留时间，因而就能抑制AlN沿粗大奥氏体晶界的析出.生产实践证明，这是避免Cr—Ni—Mo—V钢锻件产生棱面断口的有效措施.。
断口形貌特征
二）宏观断口特征
1）断口三要素 纤维状区、放射状区、剪切唇。
三要素的大小分布和材质、形状、温度及受力状态有关。有时并不同时出现。
根据的分布类型、面积大小及形状等可以推测应力大小、应力状态、温度、材质 情况；可判断裂源和扩展方向。
2）不同断裂机制断口的宏观特征 1.韧窝断裂 材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。 韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
主要光学仪器为金相显微镜和立体显微镜。
2）电子显微镜断口分析技术
1.透射电镜技术
通常断口凹凸不平，通过复型，利用电子束从样品中透射的电子成象，透射电 镜可以得到高分辨率的电子图象，研究断口的形貌特征。常用倍率为×2000-×30000 ）。 2.扫描电镜技术 扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断 口称解理断口。
解理断裂断口的突出宏观特征是具有小刻面和放射状条纹。
解理断口的结晶面呈无规则取向，有闪闪发光特征。称发光的小平面为小刻面。 解理断口的另一特征是具有人字状条纹或放射状条纹。容易判断裂源和扩展方向。
3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈 角。
（二）断口形貌特征
（二）断裂机制和断口形貌特征 一）断裂分类
1）按断裂性质分类
塑性断裂
纤维状断口 （与正应力方向垂直） 剪切断口 （ 45 、剪切唇）
金属断口常见的四种形貌
金属断口常见的四种形貌
金属在断裂过程中会产生不同的形貌，常见的四种形貌如下：
1. 韧窝：韧窝是由于金属在断裂前发生塑性变形而形成的一种微小凹陷，形状多呈半圆形或椭圆形。
2. 断口沿晶腐蚀：断口沿晶腐蚀是金属在受到应力作用下，沿晶组织发生腐蚀而形成的不规则形貌，表面常呈黑褐色。
3. 断口沿晶裂纹：断口沿晶裂纹是由于金属在受到应力作用下，沿晶组织发生裂纹而形成的一种不规则形貌，表面常呈条纹状。
4. 断口呈韧窝状同时伴有沿晶腐蚀或沿晶裂纹：这种形貌是前面三种形貌的结合体，即在金属断裂时，既发生了韧窝，又伴随着沿晶腐蚀或沿晶裂纹。
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断口形貌的分类及微观特征
断口形貌的分类及微观特征
断口形貌可以根据其外观分为以下几类：
1. 河流断口：呈现出弯曲的流水形状和河道峡谷的特征，通常见于金属的高强度拉伸和冲击断口。
2. 绒毛断口：这种断口看起来像一块绒毛，主要是由于断面存在许多小孔和纤维状物质形成的，常见于吸水性材料，如木材和纸张。
3. 贝壳断口：这种断口形状有如贝壳的形态，外形平滑而有规律，常见于金属和玻璃等坚硬材料。
4. 支沟型断口：这种断口从宏观上看像一条支沟，常见于部分塑料材料和玻璃等材料。
5. 脆性断口：这种断口通常在低温下出现，表现为突然断开，并且断口表现出平整的层状或亚晶粒骨架。
微观特征方面，不同材料的断口形貌会呈现出不同的微观特征。
例如，海绵状金属断口会展现出大量的细小孔洞分布在其断面中。
而在钢铁等材料的断口中，会看到沿晶裂纹或交互合并的岛状晶界。
此外，断口中晶粒的尺寸和取向也会对其
宏观形态产生影响。
岩石镜面破裂 毛糙破裂及断口形貌分析
岩石镜面破裂毛糙破裂及断口形貌分析岩石是地壳中最常见的岩性，它的稳定性和强度往往决定着地质工程的安全性。
而岩石的破裂行为对于岩体的工程性质和力学特性有着重要的影响。
本文将就岩石的镜面破裂、毛糙破裂以及断口形貌三个方面进行探讨和分析。
1. 岩石的镜面破裂岩石的镜面破裂是指当外部施加的应力超过岩石的强度极限时，岩石会发生断裂现象，其中的破裂面呈现出相对平滑的特点。
这类断裂常见于坚硬岩石，如花岗岩、玄武岩等。
在镜面破裂的过程中，所受到的应力主要集中在破裂面上，使得破裂面发生沿着岩层或者构造面的切割，形成平滑的裂纹面。
2. 岩石的毛糙破裂与镜面破裂相反，岩石的毛糙破裂是指岩石在外部应力作用下，断裂面呈现出非平滑的粗糙特征。
这种断裂形态常见于脆性岩石，如页岩、石灰岩等。
毛糙破裂的特点是断面有大量的断纹，呈现出毛糙不平的表面，这是由于岩石内部存在着多个裂纹，破裂时这些裂纹受到应力的作用而扩展。
3. 岩石的断口形貌分析通过观察岩石的断口形貌，可以了解岩石的破裂机理以及岩体的力学性质。
通常情况下，断口形貌可以分为剪切断口和剥离断口两种类型。
剪切断口是指岩石在外部应力作用下，沿着一定的剪切面发生破裂。
剪切断口的特点是断面呈现出切割状，常见于具有节理和构造面的岩石，如片岩和石英岩。
这种断口形貌表明在岩石断裂的过程中，剪切作用起着主导作用。
剥离断口是指岩石在外部应力作用下，发生裂开并沿着岩石的层状结构或者界面破裂。
这种断口形貌呈现出似乎岩石被剥离开的特点，常见于层理状的岩石，如页岩和煤岩。
剥离断口的形成表明在岩石的破裂过程中，受到的撕拉作用较为显著。
综上所述，岩石的破裂行为对于岩体的工程性质和力学特性具有重要影响。
岩石的镜面破裂和毛糙破裂是两种不同的断裂形态，各自表现出不同的特征。
而通过观察岩石的断口形貌，可以揭示出岩石破裂的机理和力学行为。
因此，对岩石的破裂行为进行准确分析和理解，对于地质工程的设计和施工具有重要的参考价值。
45号钢拉伸断口形貌分析
45号钢拉伸断口形貌分析
钢的拉伸断口形貌分析可以提供关于钢材的力学性能、疲劳性能和断裂机制的重要信息。
一般来说，钢的拉伸断口形貌可以分为几种类型：
1. 齿状断口：断口表面呈现出一系列凹凸不平的齿状结构，这种形貌表明钢材在断裂时存在着较大的应力集中和应力集中的突变。
这种形貌常见于具有较高硬度和较低韧性的钢材。
2. 铁球状断口：断口表面呈现出类似铁球的球形结构，这种形貌表明钢材在断裂时存在着相对较低的应力集中和应力集中的平滑过渡。
这种形貌常见于具有较高韧性的钢材。
3. 断裂韧窝：断裂韧窝是在钢材断裂过程中形成的一种类似蜂窝状的结构，它表示钢材在拉伸断裂过程中的能量吸收能力。
断裂韧窝的深度和面积可以提供关于钢材的韧性和能量吸收能力的重要信息。
通过对钢材的拉伸断口形貌进行详细的分析和观察，可以进一步了解钢材的断裂机制、韧性、疲劳性能和力学性能。
这些信息对于钢材的设计、选择和应用都具有重要的指导作用。
球铁断口分析
球铁试棒断口分析问题提出：球铁试棒铸件成分基本相同，但两者的抗拉强度、延伸率相差很大，断口有两个不同断面形貌。
（1）断口明显有两个区域：白的具有金属光泽，黑的好像石墨的颜色。
断口比较平齐，约2／3部分呈亮色结晶状组织，1／3部分呈灰色纤维状组织。
（2）断口断裂面全部为灰黑色。
猜想：铸件成分基本相同，显微组织也基本相同，怀疑与成分无关，是力学上引起的上述现象。
1.正常断口当试样的珠光体量在20～30% 时，其断口宏观表现为暗灰色，断面上分布着亮点，其分布特征是：从裂纹起源区到快速扩展方向，亮点依次增多。
它对应的力学性能表现为：抗拉强度= 500MPa左右，延伸率在l5～I 8% 之间。
所检测试样的力学性能为Rm=520MPa，A=15.4% 。
电镜观察结果：呈暗灰色，裂纹起源区为韧窝，断口中部区为韧窝+ 解理，而裂纹快速扩展区，也即亮点区，为解理断口。
光镜观察结果，暗灰区与亮点区基体组织分布一样。
当珠光体含量≥40％时，断口基本上呈银亮色。
此时试样的强度高，伸长率较低。
所考察断口对应的力学性能为Rm=570MP A=10.4％，从断口检测结果可见银亮色断口在宏观上呈解理形貌。
从上述试验结果可知，在正常球化级别的条件下，随着珠光体含量的增加。
拉伸试样断口宏观上由暗灰色向银亮色发展，微观由韧窝为主的断裂机制向以解理为主的断裂机制发展。
2.异常断口若基体中存在少量的缩松或拉伸夹具偏倾等情况，在拉应力处也会产生灰斑。
含有较多磷共晶和缩松的黑斑断口。
这类断口的宏观特征为：黑斑区内呈现放射状块状物，对该区域作大面积能谱分析-磷含量高达1.41%。
缩松一般伴随着磷共晶产生。
厚壁球铁断口与基体组织及力学性能存在对应关系，随着组织中珠光体量的增加，断口上由暗灰色向银亮色发展，微观上则由韧窝断裂向解理断裂发展，当然，力学性能方面是伸长率下降，强度增加。
灰斑是由于非包含物和缺口效应引起的应力集中所致，灰斑区微观形貌为韧窝，它对力学性能影响不大。
聚合物 断口形貌
聚合物断口形貌聚合物是一种分子量大、由长链分子组成的高分子化合物。
聚合物材料常见于塑料、橡胶等制品，无论是日常用品还是工业材料，聚合物材料都有着广泛的应用。
聚合物材料在应用过程中，断口形貌是一个重要的参数，可以反映材料的性能、结构以及制备工艺等特征。
下面我们来详细了解一下聚合物的断口形貌。
1.聚合物断裂形貌基础知识在材料的破坏过程中，很多时候断口形貌都是对材料性能的良好描述。
我们可以通过断裂面的形貌来判断材料的强度、韧性、刚度、脆性等性能。
聚合物的断裂行为可以用线性弹性断裂、韧性断裂和脆性断裂来描述。
其中线性弹性断裂是指在低应变条件下，聚合物断口的形状呈现为一个直线，并且在拉伸测试过程中呈现出线性弹性形变。
韧性断裂是指在材料拉伸过程中，聚合物出现多个断裂面，材料断口的形貌成为一些弯曲或者曲折的形式。
脆性断裂则是指材料在拉伸或者撕裂过程中，出现速度极快的瞬间断裂，断口处的形貌呈现出一些尖锐的面。
2.聚合物断裂过程聚合物的断裂过程可以分成两个阶段，第一阶段是材料受到外部载荷作用所引起的裂解，第二阶段则是裂解过程中，已裂纹边界的持续扩展，最终导致了材料的断裂。
可以通过扫描电镜（SEM）来观察聚合物断面断口形貌，SEM能够以高清晰度的方式观察到断面的细节，并且可以在断口表面进行元素化学分析，对断口形貌进行进一步的解释。
3.不同聚合物的断口形貌不同聚合物的断口形貌差异较大，一些聚合物的断口呈现出较为光滑整洁的外观，而另一些聚合物的断口则呈现出凌乱、增大的形状。
聚合物的分子结构以及加工工艺的差异会对聚合物的断口外观造成影响。
3.1聚乙烯（PE）的断口形貌聚乙烯（PE）是一种高分子量、无味无色、透明的聚合物材料。
其在拉伸之后的断口面上呈现出较为光滑的锥形、V形或菜刀形不规则的形状，并且有明显的增大现象。
其断口表面光滑、细腻，断口呈现出珠串状断裂线，这是由于聚乙烯具有较高的晶体度，断口往往发生在晶体区域内。
此外，聚乙烯的断口通常出现在聚合物的支链、溶剂切断或者疲劳性断裂导致的损伤而引起增大现象。
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（a）陶瓷烧结体的表面图像（b）多孔硅的剖面图
5.2 二次电子像
二次电子产额δ与二次电子束与试样表面法向夹角有关，δ∝1/cosθ。 因为随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大 量自由电子离开表层的机会增多；其次随θ角的增加，总轨迹增长，引起价电 子电离的机会增多。
5.3 背散射电子像
两种图像的对比
锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像
5.3 x射线元素分布图
6. 样品制备
扫描电镜的最大优点是样品制备方法简单，对金属 和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的 尺寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直 接进行观察。
对于非导电样品如塑料、矿物等，在电子束作用下 会产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的 二次电子运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试 样在观察前要喷镀导电层进行处理。
背散射电子既可以用来显示形貌衬度，也可以用来显示成分衬度。 1. 形貌衬度 用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率元比二次电子低。 因为背反射电子是来自一个较大的作用体积。此外，背反射电子能
量较高，它们以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表 面，因检测器无法收集到背反射电子，而掩盖了许多有用的细节。 2. 成分衬度 样品中重元素区域在图像上是亮区，而轻元素在图像上是暗区。利 用原子序数造成的衬度变化可以对各种合金进行定性分析。 背反射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序 数衬度往往被形貌衬度所掩盖。
电子光学系统
由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。 其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强
度和图像分辨率，Βιβλιοθήκη 描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径
信号收集及显示系统
5. 扫描电镜衬度像
二次电子像 背散射电子像 x射线元素分布图。
5.1 二次电子像
2.2材料形貌分析 多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（b）高倍像
2.3 生物样品的应用
（a）蚂蚁头部
（b）头发
3. 扫描电镜的工作原理
扫描电镜的工作原理 可以简单地归纳为 “光栅扫描，逐点成 像”。
4、SEM中的三种主要信号
各种信号的深度
4. 扫描电子显微镜的构造
电子光学系统 信号收集及显示系统 真空系统和电源系统
环境扫描电子显微镜
1. 环境扫描电镜的优点
高分辨率，高倍数，大景深。 没有高真空的限制。 微区成分分析。 试样制备较简单。
Optical Microscope VS SEM
2. 扫描电镜应用实例
断口形貌分析 纳米材料形貌分析 生物样品的应用
2.1 断口形貌分析 1018号钢在不同温度下的断口形貌