断口金相分析

断口金相分析

一、实验目的

1、掌握断口宏观分析的方法，了解断口宏观分析的意义及典型宏观断口的形貌特征。

2、了解扫描电镜在断口分析中的应用，识别几种常见断口的微观形貌。

二、实验设备及试样

1、实验设备：低倍体式显微镜、扫描电子显微镜。

2、试样：铸铁及低碳钢拉伸断口、氢脆断口、疲劳断口、系列冲击断口，过热过烧断口等等。

四、实验内容

钢材或金属构件断裂后，破坏部分的外观形貌通称断口。断裂是金属材料在不同情况下当局部破断发展到临界裂纹尺寸，剩余截面不能承受外界载荷时发生的完全破断现象。由于金属材料中的裂纹扩展方向总是遵循最小阻力路线，因此断口一般也是材料中性能最弱或零件中应力最大的部位。断口型貌十分真实地记录了裂纹的起因、扩展和断裂的过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基础，同时也是分析断裂原因的可靠依据。断口分析中分宏观断口分析与微观断口分析两类，它们各有特点，相互补充，是整个断口分析中互相关联的两个阶段。（一）宏观断口分观

宏观断口分析：用肉眼、放大镜、低倍实体显微镜来观察断口形貌特征，断裂源的位置、裂纹扩展方向以及各种因素对断口形貌特征的影响称断口宏观分析。从断裂机理可知，任何断裂过程总是包括裂纹形成，缓慢扩展、快速扩展至瞬时断裂几个阶段。通过宏观断口分析人们可以看到，由于材质不同，受载情况不同，上述各断裂阶段在断口上留下的痕迹也不相同，因此我们掌握了常见宏观录了裂纹的起因、扩展和断裂的过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基断口特征以后，就可在事故分析中根据宏观断口特征来推测断裂过程和断裂原

因，本实验主要观察下列几种断口：

a）拉伸试样断口：材料为：低碳钢、铸铁。

断口特征：低碳钢拉伸断口外形呈杯锥状，整个断口可分三个区，中心部位为灰色纤维区，纤维区四周为辐射状裂纹扩展区，边缘是剪切唇区，剪切唇与拉伸应力轴交角为 45°。铸铁拉伸试样断口为结晶状断口，呈光亮的金属光泽，断口平齐。

b）疲劳断口

断口特征：轴类零件多在交变应力下工作，发生疲劳断裂后宏观断口上常可看到光滑区和粗糙区两部分，前者为疲劳裂纹形成和扩展区，有时可见贝纹线，蛤壳状或海滩波纹状花样，这种特征迹线是机器开动和停止时，或应力幅发生突变时疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹，是疲劳宏观断口的重要特征。断口中粗糙区为疲劳裂纹达到临界尺寸后的失稳破断区，它的特征与静载拉伸断口中的放射区及剪切唇相同，对于脆性材料此区为结晶状的脆性断口。

c）氢脆断口

试样：含镍、铬等元素的铸钢断口

断口特征：由于材料中含有过量的氢，沿某些薄弱部位聚集，造成很大压应力从而形成裂纹，断口往往是灰白色基体上显现出白色的亮区，或者呈现以材料内部缺陷为核心的银白色斑点，称为鱼眼型白点。

d）冲击断口

试样：作系列冲击试验后的断口（注意保存于干燥器中）

断口特征：冲击断口上一般也可以观察到三个区，缺口附近为裂纹源，然后是纤维区、放射区、二次纤维区及剪切唇，剪切唇沿缺口的其它三侧分布。温度降低时冲击试样断口上各区的比例

发生变化，纤维区减少，放射区增加。

e）瓷状断口

试样：淬火或淬火后经低温回火的共析，过共析成分的合金工具钢、轴承钢。

断口特征：出现细而有绸缎光泽，呈亮灰色，类似瓷器破碎后的断口。瓷状断口对于淬火后低温回火的钢来说属于正常断口。

（二）微观断口分析

在断口宏观分析的基础上，必要时可选好重点区域做断口的微观分析。微观断口分析系指用透射电镜、扫描电镜来观察断口形貌。透射电镜研究断口通常采用二次复型的方法，它能清楚地观察断口细节，而又不破坏断口；扫描电镜是一种较新的电子光学仪器，成象立体感强，放大倍数变化范围广，能从低倍到高倍连续观察，便于分析，而且可直接观察断口。它是断口微观分析的主要工具。本实验采用SSX-550扫描电镜观察几种典型断品的微观形貌。

a）韧窝断口：

从 20 号钢拉伸断口上截取 6-8 毫米高的一段试样，在扫描电镜下观察可见大量微坑（韧窝），它是由于材料承载超过бb后，由于局部高应变区位错在夹杂物前塞积而导致微裂纹的形成、长大、最后微孔聚合连结而断裂。微孔内可见第二相夹杂物。由于材料塑性不同，第二相粒子形状和尺寸不同，微抗的大小，深浅和形状均不相同。

b）解理断口

从低温冷脆试样上截取一段断口，在扫描电镜下观察可观察到解理断口的特征形貌。解理断裂是在正应力作用下裂纹沿低指数面快速扩展的低能量脆性断裂。解理断口上可观察到河流花样它是裂纹沿许多平行的解理面扩展所形成的解理台阶汇合的结果，河流的流向是裂纹扩展的方向，河流上游则是裂纹起源处。河流不穿过大角度晶界。对于铁素体组织的钢材，其低温冲击的脆性断口是沿｛100｝面的解理断口，

除可见上述河流花样外，有时还可见到解理断口的另一特征——解理舌。

c）疲劳断口

从铝合金疲劳断口上的裂纹源附近切取试样在扫描电镜下可观察到疲劳裂纹扩展区上存在有疲劳辉纹，它是一些彼此平行，间距相等而略呈弯曲的条纹，且总是与主裂纹扩展方向相垂直，每一条纹代表一次载荷循环，每条辉纹表示该应力循环时裂纹前沿的位置。

d）沿晶断口：

从过热冲击试样断口上切取试样，或从应力腐蚀及氢脆断口上切取试样，在扫描电镜下观察可见沿晶断口，它是由于晶界弱化而使裂纹沿晶界扩展所致，具体形貌与晶粒形状及沿晶有无析出有关，当材料是等轴晶粒构成时，沿晶断裂形态清晰可见。

五、实验报告

1．明确实验目的，实验设备，试样的材料及热处理状态。

2．简述宏观与微观断口分析的方法与意义。

3．分析几种典型断口特征，从断口上判断是韧性断裂还是脆性断裂。