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。
金属材料失效分析案例PPT
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案例四：金属材料脆性断裂 失效
失效现象描述
金属材料在无明显塑性变形的情况下 突然断裂，断口平齐，呈脆性断裂特 征。
断裂发生时，材料内部存在大量微裂 纹和空洞。
断裂前材料未出现明显的塑性变形， 无明显屈服现象。
失效原因分析
材料内部存在缺陷，如微裂纹、夹杂物等，降低 了材料的韧性。
金属材料在加工过程中受到较大的应力集中，如 切割、打孔等操作，导致材料内部产生微裂纹。
失效机理探讨
电化学腐蚀
金属材料与腐蚀介质发生 电化学反应，导致表面氧 化或溶解。
应力腐蚀
金属材料在应力和腐蚀介 质的共同作用下发生脆性 断裂。
疲劳腐蚀
金属材料在交变应力和腐 蚀介质的共同作用下发生 疲劳断裂。
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案例三：金属材料热疲劳失 效
失效现象描述
金属材料表面出现裂 纹
疲劳断裂，即在交变 应力的作用下发生的 断裂
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疲劳断裂通常发生在应力集中的 部位，如缺口、裂纹或表面损伤 处。
失效原因分析
金属材料在循环应力作用下，微观结 构中产生微裂纹并逐渐扩展，最终导 致断裂。
应力集中、材料内部缺陷或表面损伤 等因素可加速疲劳裂纹的萌生和扩展 。
失效机理探讨
金属疲劳断裂是一个复杂的过程，涉及微观结构、应力分布、材料缺陷等多个因素。
应力腐蚀开裂
在腐蚀介质和应力的共同作用下，焊接接头 处发生应力腐蚀开裂，裂纹扩展导致断裂。
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金属材料在低温环境下工作，材料的韧性下降， 容易发生脆性断裂。
失效机理探讨
金属材料的脆性断裂通常是由 于材料内部存在缺陷或应力集 中导致的微裂纹扩展。
在低温环境下，金属材料的韧 性下降，容易发生脆性断裂。
断口分析
故障件的断口分析在形形色色的故障分析过程中,人们常会瞧到一些损坏零件的断口,但就是人们缺乏“读懂”它的经验,不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。
这里结合整改过程中的一些实例作些介绍,希望能对您有所帮助！对于汽车常用碳素钢与合金钢而言,其常见断口有:1.韧性(塑性)断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂。
断口形貌为韧性(塑性)断口,断口呈暗灰色没有金属光泽瞧不到颗粒状形貌,断口上有相当大的延伸边缘。
2.疲劳弯曲断口:2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口:出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区特征(下面将详述)。
2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口:不具有典型的疲劳断口特征,属于不正常的弯曲断裂。
其断口特征:沿弯曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层;而内层呈银灰色白亮条状新断口(见图1)。
图13.典型的金属疲劳断口典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区三个特征。
断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。
3-1 疲劳裂纹源区:就是疲劳裂纹萌生的策源地,它处于机件的表面,形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆形,这就是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢,裂纹经反复挤压摩擦而形成的。
它所占有的面积较其她两个区要小很多。
疲劳裂纹大多就是因受交变载荷的机件表面有缺陷;譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点等缺陷形成应力集中而引起的。
疲劳裂纹点在同一个机件上可能有多处,换句话说可能有多处疲劳裂纹源区,这需要我们去仔细解读疲劳断口。
3-2 疲劳裂纹扩展区:就是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。
它就是判断疲劳断裂的最重要的特征区。
它以疲劳源区为中心,与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇形的弧线,也称疲劳弧线呈“贝纹状”。
疲劳弧线就是因机器运转时的负载变化、反复启动与停止而留下的塑性变形痕迹线。
金属材料的塑性好、工作温度高及有腐蚀介质存在时则弧线清晰。
3-3 瞬时断裂区:由于疲劳裂纹不断扩展使机件的有效断面减小,因此应力不断增加直至截面应力达到材料许用应力时,瞬时断裂便发生了。
材料断口分析(第7-8章)
对断口形貌有一全面了解，用于分析断裂原因， 但不能判明断口的精细结构 可确定裂纹起点及扩展途径，为微观分析确定最 重要途径 除上述功能外，利用其焦深浅和易调动焦距可测 定凹凸高度差，疲劳条纹间距，裂纹形态，但对 断口形貌难作详细观察。分辨率＞0.2μ
透射电子显微镜
1千-几十万 焦深大，能观察其一次复型或二次复型凹凸不平 的表面，分辨率高，成象质量好，不必破坏断口。 但不能在低倍下作扫描观察 5-20万 可直接扫描断口，也可以用复型法观察，放大倍 数可在一定范围内连续变化，高低倍比较具有方 便、直接快速的优点。但分辨率不如TEM，样 品尺寸受限制，有时要破坏
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一、轧制时的断裂
板材端部呈圆形 轧件通过辊缝时，沿宽向各点均有横向流动的趋势， 由于受到摩擦阻力的影响，中心部分宽展远小于边 部，此时中心部分厚度的减少将转化为长度的增加 而边部厚度的减少则有部分转化为宽展，所以板材 端部呈圆形。
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边裂：
◆ 由于轧件为一整体，边部受附加拉应力作用，产生边部周期性裂纹 ◆轧辊控制不当（凸辊型） ◆坯料形状不良（凸形横截面） 劈裂：板材两侧强烈的附加拉应力所引起 防止措施：◆适宜的良好辊型和坯料尺寸形状 ◆合理的轧制工艺规程（控制压下量、润滑、调整张力） ◆包覆侧边
预防措施：
增加L/h值，即道次压下量。随L/h增加，变形逐渐向内部深入，当达到 一定值后，轧件中间部位便由原来的纵向拉应力变为压应力
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二、挤压（拉拔）时的断裂 挤压表面裂纹
由于挤压筒和模壁摩擦力的阻碍作用，使边部金属流动滞后中心部金 属，造成了边部受拉，中心受压的附加应力分布。摩擦阻力越大，此 种现象就越严重，当摩擦力很大时，就会造成金属挤压制品的表面裂 纹，严重时会出现竹节状或棘棒状。 拉拔与挤压类似，但基本应力为拉应力，这就加剧了边部裂纹。
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。
焊接裂纹地分析报告与处理
焊接裂纹的分析与处理我们在厂修车体、车架、转向架构架时经常会遇到焊缝或母材的裂纹。
我们已经讲过裂纹的判断，判断出裂纹以后就需要对裂纹进展处理。
如果我们在处理之前对裂纹没有一个准确的分析，就不可能制定出最优的处理方案。
因此必须要对裂纹进展认真的分折。
根据焊接生产中采用的钢材和结构类型不同，可能遇到各种裂纹，裂纹多产生在焊缝上，如焊缝上的纵向裂，焊缝上的横向裂。
也可以产生在焊缝两侧的热影响区，焊缝热影响区的纵向裂，焊接影响的横向裂纹，焊接热影响区的焊缝贯穿裂纹，有时产生在金属外表，有时产生在金属内部，如焊缝根部裂、焊趾裂，有的裂纹用肉眼可以看到，有的如此必须借助显微镜才能发现，有的裂纹焊后立即出现，有的如此是放置或运行一段时间之后才出现。
根据裂纹的本质和特征，可分为五种类型：即热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂与应力腐蚀裂纹。
热裂纹是在高温情况下产生的，而且是沿奥氏体晶界开裂，就目前的理解，把裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹三类。
〔1〕结晶裂纹—结晶裂纹的形成期，是在焊缝结晶过程中且温度处在固相线附近的高温阶段，即处于焊缝金属的凝固末期固液共存阶段，由于凝固金属收缩时残存液相不足，致使沿晶开裂，故称结晶裂纹，由于这种裂纹是在焊缝金属凝固过程中产生的，所以也称为凝固裂纹。
结晶裂纹的特征：存在的部位主要在焊缝上，也有少量的在热影响区，最常见的是沿焊缝中心长度方向上开裂，即纵向裂，断口有较明显的氧化色，外表无光泽，也是结晶裂纹在高温下形成的一个特征。
〔2〕液化裂纹—焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，在多层焊缝的层间金属以与母材近缝区金属中，由于晶间层金属被重新熔化，在一定的收缩应力的作用下，沿奥氏体晶界产生的开裂，称为“液化裂纹〞也称“热撕裂〞。
液化裂的特征：①易产生在母材近缝区中紧靠熔合线的地方〔局部溶化区〕，或多层焊缝的层间金属中。
②裂纹的走向，在母材近缝区中，裂纹沿过热奥氏体晶间开展；在多层焊缝金属中，裂纹沿原始柱状晶界开展，裂纹的扩展方向，视应力的最大方向而定，可以是横向或纵向；并在多层焊焊缝金属中，液化裂纹可以贯穿层间；在近缝区中的液化裂纹可以穿越熔合线进入焊缝金属中。
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。
材料裂纹的产生及扩展的原因分析
材料疲劳裂纹的产生及影响裂纹扩展的因素摘要：文中通过对疲劳裂纹的研究，全面分析了疲劳裂纹的产生，交变应力，表面状态，载荷形式，化学成分，夹杂物等对疲劳产生的影响；分析了影响疲劳裂纹扩展的因素，载荷，腐蚀环境，热疲劳，温度对疲劳裂纹扩展的影响机理，论述了其影响效果，对进一步研究分析裂纹的产生，防止裂纹进一步扩展，提高材料的寿命有一定的帮助。
关键词：疲劳裂纹 ; 疲劳裂纹扩展Abstract: In this paper, through the study of fatigue crack, and making a comprehensive analysis of the fatigue crack produces, alternating stress, the surface, and the load form, chemical composition, inclusion has effect on the fatigue; Analyzing the effect of fatigue crack growth’s factors. and the load, corrosive environment, thermal fatigue, temperature have influence on the fatigue crack propagation, It is a great help to study further the fatigue, prevent crack further expanding, and improve the life of the materials .Keyword：fatigue crack ; fatigue crack growth1 引言机械零件在交变压力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。
第5章材料的断裂ppt课件
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
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（二）穿晶断裂与沿晶断裂： 穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可韧性断裂、也可脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多为脆断，断口呈冰糖状。 如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、有些淬火裂纹、磨削裂纹等。
3）解理断裂
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2）解理断裂：
向拉应 力状态）下，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（解理面）产生的穿晶断裂。
解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。
解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。
晶体结构 bcc（体心立方）
一、断裂的类型
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一、断裂的类型： 断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种： 1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。
2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。
3）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。
4）按断裂面取向分类：正断；切断。
3）撕裂韧窝： 在拉、弯应力联合作用下，微
孔在拉长、长大时同时被弯曲， 形成两匹配断口上方向相反的 撕裂韧窝。 （三点弯曲、冲击韧断试样）
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韧窝的大小(直径和深度)决定于： 1）第二相质点的大小和密度。
第二相密度增大或其间距减小，则韧窝尺寸减小。 2）基体材料塑变能力和应变硬化指数。
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（2）微孔成核的位错模型： a）位错运动遇到第二相时，将绕过并在其周围形成位错环。 b）位错环在外加应力作用下，于第二相质点处堆积。 c）位错环移向质点与基体界面，即沿滑移面分离而成微孔。
断口分析
故障件的断口分析在形形色色的故障分析过程中，人们常会看到一些损坏零件的断口，但是人们缺乏“读懂”它的经验，不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。
这里结合整改过程中的一些实例作些介绍，希望能对您有所帮助！对于汽车常用碳素钢和合金钢而言，其常见断口有：1. 韧性（塑性）断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂。
断口形貌为韧性（塑性）断口，断口呈暗灰色没有金属光泽看不到颗粒状形貌，断口上有相当大的延伸边缘。
2. 疲劳弯曲断口：2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口：出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区特征（下面将详述）。
2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口：不具有典型的疲劳断口特征，属于不正常的弯曲断裂。
其断口特征：沿弯曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层; 而内层呈银灰色白亮条状新断口（见图1）图13. 典型的金属疲劳断口典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个特征。
断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。
疲劳断口示意图疲丐源疲劳区（贝纹区）3-1 疲劳裂纹源区：是疲劳裂纹萌生的策源地，它处于机件的表面，形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆 形，这是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢，裂纹 经反复挤压摩擦而形成的。
它所占有的面积较其他 两个区要小很多。
疲劳裂纹大多是因受交变载荷的 机件表面有缺陷；譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点 等缺陷形成应力集中而引起的。
疲劳裂纹点在同一 个机件上可能有多处，换句话说可能有多处疲劳裂 纹源区，这需要我们去仔细解读疲劳断口。
3-2 疲劳裂纹扩展区：是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。
它是判断疲劳断裂的最重要的特征区。
它以疲 劳源区为中心，与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇 形的弧线，也称疲劳弧线呈“贝纹状”。
疲劳弧 线是因机器运转时的负载变化、反复启动和停止而 留下的塑性变形痕迹线。
金属材料的塑性好、工作 温度高及有腐蚀介质切和aj JJDOO-DB 口-D e sciljKD 450DGQ 0D 45QCJI ?^*■?住沓40"-&|>住©*4& QGIO4OO&Q o a&IJ 00'g "6 令 0 b K 0吕占0 0菖®1&QQ0『00flD劈曰-D0B *■?* I'.n-IQIDlwJldjg^Jooo&pcaDaOQd *Lg 日da00!口巳u M £ -I &D H &&&口負 L-CO O QO 口 QID C^--dcoo存在时则弧线清晰。