断口分析.doc

1、断口分析科技名词定义中文名称：断口分析 英文名称：fractography 定义：对故障金属构件断裂面进行检查并分析其断裂原因的技术。 应用学科：电力（一级学科）；热工自动化、电厂化学与金属（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片断口分析是研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。目录简介 断口的宏观和微观观察 脆性断口和延性断口 金属断裂的微观机制 微观断裂机制的实际应用 参考书目简介 断口的宏观和微观观察 脆性断口和延性断口 金属断裂的微观机制 微观断裂机制的实际应用 参考书目展开编 辑 本 段 简 介

2、断 口 总 是 发 生 在 金 属 组 织 中 最 薄 弱 的 地 方 ， 记 录 着 有 关 断 裂 全 过 程 断 口 分 析 (一 )的 许 多 珍 贵 资 料 ， 所 以 在 研 究 断 裂 时 ， 对 断 口 的 观 察 和 研 究 一 直 受 到 重 视 。通 过 断 口 的 形 态 分 析 去 研 究 一 些 断 裂 的 基 本 问 题 ： 如 断 裂 起 因 、 断 裂 性 质 、断 裂 方 式 、 断 裂 机 制 、 断 裂 韧 性 、 断 裂 过 程 的 应 力 状 态 以 及 裂 纹 扩 展 速 率 等 。如 果 要 求 深 入 地 研 究 材 料 的 冶 金 因 素 和

3、 环 境 因 素 对 断 裂 过 程 的 影 响 ， 通 常 还要 进 行 断 口 表 面 的 微 区 成 分 分 析 、 主 体 分 析 、 结 晶 学 分 析 和 断 口 的 应 力 与 应变 分 析 等 。 随 着 断 裂 学 科 的 发 展 ， 断 口 分 析 同 断 裂 力 学 等 所 研 究 的 问 题 更 加密 切 相 关 ， 互 相 渗 透 ， 互 相 配 合 ； 断 口 分 析 的 实 验 技 术 和 分 析 问 题 的 深 度 将会 取 得 新 的 发 展 。 断 口 分 析 现 已 成 为 对 金 属 构 件 进 行 失 效 分 析 的 重 要 手 段 。 编 辑 本 段

4、 断 口 的 宏 观 和 微 观 观 察断 口 分 析 的 实 验 基 础 是 对 断 口 表 面 的 宏 观 形 貌 和 微 观 结 构 特 征 进 行 直 接观 察 和 分 析 。 通 常 把 低 于 40 倍 的 观 察 称 为 宏 观 观 察 ， 高 于 40 倍 的 观 察 称为 微 观 观 察 。 断 口 分 析 (二 )对 断 口 进 行 宏 观 观 察 的 仪 器 主 要 是 放 大 镜 (约 10 倍 )和 体 视 显 微 镜 （ 从5 50 倍 ） 等 。 在 很 多 情 况 下 ,利 用 宏 观 观 察 就 可 以 判 定 断 裂 的 性 质 、 起 始位 置 和 裂 纹

5、 扩 展 路 径 。 但 如 果 要 对 断 裂 起 点 附 近 进 行 细 致 研 究 ， 分 析 断 裂 原因 和 断 裂 机 制 ， 还 必 须 进 行 微 观 观 察 。 断 口 的 微 观 观 察 经 历 了 光 学 显 微 镜 （ 观 察 断 口 的 实 用 倍 数 是 在 50 500 倍 间 ） 、 透 射 电 子 显 微 镜 （ 观 察 断 口 的 实 用 倍 数 是 在 1000 40000 倍 间 ） 和 扫 描 电 子 显 微 镜 （ 观 察 断 口 的 实 用 倍 数 是 在 20 10000 倍 间 ） 三 个 阶 段 。 因 为 断 口 是 一 个 凹 凸 不 平

6、 的 粗 糙 表 面 ， 观 察 断口 所 用 的 显 微 镜 要 具 有 最 大 限 度 的 焦 深 ， 尽 可 能 宽 的 放 大 倍 数 范 围 和 高 的 分辨 率 。 扫 描 电 子 显 微 镜 最 能 满 足 上 述 的 综 合 要 求 ， 故 近 年 来 对 断 口 观 察 大 多用 扫 描 电 子 显 微 镜 进 行 。 断 裂 微 观 机 制 的 分 析 ， 有 可 能 把 断 口 的 形 貌 分 析 同 断 裂 力 学 指 标 联 系 起来 ， 其 中 最 重 要 的 成 果 之 一 是 系 统 地 建 立 了 断 裂 机 制 图 ， 这 对 解 决 一 些 工 程断 裂

7、问 题 十 分 有 用 。 所 谓 断 裂 机 制 图 ， 是 指 选 择 适 当 的 断 裂 参 数 、 力 学 参 数或 物 理 参 数 作 为 坐 标 系 ， 用 它 来 确 立 各 种 可 能 出 现 的 微 观 断 裂 机 制 的 区 域 ，以 便 发 现 各 类 金 属 断 裂 的 普 遍 规 律 。 在 工 程 应 用 上 ， 断 裂 机 制 图 对 工 程 设 计 ，材 料 的 选 择 ， 使 用 条 件 的 限 制 ， 以 及 失 效 分 析 等 都 能 提 供 十 分 重 要 的 指 导 性意 见 和 数 据 资 料 ， 目 前 正 大 力 开 展 这 方 面 的 工 作

8、。 编 辑 本 段 脆 性 断 口 和 延 性 断 口根 据 断 裂 的 性 质 ， 断 口 大 致 可 以 分 为 几 乎 不 伴 随 塑 性 变 形 而 断 裂 的 脆 性断 口 断 口 分 析 (三 )， 和 伴 随 着 明 显 塑 性 变 形 的 延 性 断 口 。 脆 性 断 口 的 断 裂 面 通 常 与 拉 伸 应 力 垂直 ， 宏 观 上 断 口 由 具 有 光 泽 的 结 晶 亮 面 组 成 ;延 性 断 口 的 断 裂 面 可 能 同 拉 伸应 力 垂 直 或 倾 斜 ,分 别 称 为 正 断 口 和 斜 断 口 ； 从 宏 观 来 看 ， 断 口 上 有 细 小 凹凸 ，

9、 呈 纤 维 状 。 对 于 单 轴 拉 伸 断 口 和 冲 击 断 口 ， 在 理 想 情 况 下 ， 其 断 裂 面 是由 三 个 明 显 不 同 的 区 域 （ 即 纤 维 区 、 放 射 区 和 剪 切 唇 区 ） 所 构 成 （ 图 1） 。这 三 个 区 域 实 际 上 是 裂 纹 形 成 区 、 裂 纹 扩 展 区 和 剪 切 断 裂 区 （ 对 冲 击 拉 伸 则有 终 了 断 裂 区 ） ， 通 常 称 它 们 为 断 口 三 要 素 。 对 于 同 一 种 材 料 ， 三 个 区 域 的面 积 及 其 所 占 整 个 断 口 的 比 例 随 外 界 条 件 的 改 变 而

10、变 化 。 例 如 ： 加 载 速 率 愈大 ， 温 度 愈 低 ， 则 裂 纹 扩 展 区 （ 即 放 射 区 ） 所 占 的 比 例 也 愈 大 。 如 果 定 义 裂纹 扩 展 区 对 另 外 两 个 区 面 积 的 比 值 为 R,则 通 常 把 R=1 时 的 断 裂 温 度 称 为 材料 的 韧 性 脆 性 转 变 温 度 （ 或 延 性 -脆 性 转 变 温 度 、 塑 性 -脆 性 转 变 温 度 ） 。如 果 在 同 一 温 度 和 加 载 速 率 下 比 较 两 种 材 料 的 断 裂 性 质 ， 则 R 值 愈 小 的 材料 ， 其 延 性 （ 塑 性 ） 愈 好 。 断

11、 口 分 析 编 辑 本 段 金 属 断 裂 的 微 观 机 制为 了 阐 明 断 裂 的 全 过 程 （ 包 括 裂 纹 的 生 核 和 扩 展 ， 以 及 环 境 因 素 对 断 裂过 程 的 影 响 等 ） ， 提 出 种 种 微 观 断 裂 模 型 ,以 探 讨 其 物 理 实 质 ,称 为 断 裂 机制 。 在 断 口 的 分 析 中 ， 各 种 断 裂 机 制 的 断 口 分 析 (四 )提 出 主 要 是 以 断 口 的 微 观 形 态 为 基 础 ， 并 根 据 断 裂 性 质 、 断 裂 方 式 以 及 同 环境 和 时 间 因 素 的 密 切 相 关 性 而 加 以 分 类

12、 。 根 据 大 量 的 研 究 成 果 ， 目 前 已 知 主要 的 金 属 断 裂 微 观 机 制 可 以 归 纳 在 表 1 中 。 属 于 不 同 断 裂 机 制 的 断 裂 ， 其 断 口 微 观 结 构 各 具 有 独 特 的 形 貌 特 征 。 图2 所 示 是 属 于 不 同 基 本 断 裂 机 制 的 断 口 所 观 察 到 的 典 型 微 观 形 貌 ， 其 物 理 本质 和 断 口 特 征 为 ： 沿 晶 脆 性 断 裂沿 晶 脆 性 断 裂 是 指 断 裂 路 径 沿 着 不 同 位 向 的 晶 界 (晶 粒 间 界 )所 发 生 的一 种 属 于 低 能 吸 收 过

13、程 的 断 裂 。 根 据 断 裂 能 量 消 耗 最 小 原 理 ， 裂 纹 的 扩 展 路径 总 是 沿 着 原 子 键 合 力 最 薄 弱 的 表 面 进 行 。 晶 界 强 度 不 一 定 最 低 ， 但 如 果 金属 存 在 着 某 些 冶 金 因 素 使 晶 界 弱 化 （ 例 如 杂 质 原 子 P、 S、 Si、 Sn 等 在 晶 界上 偏 聚 或 脱 溶 ， 或 脆 性 相 在 晶 界 析 出 等 等 ） ， 则 金 属 将 会 发 生 沿 晶 脆 性 断 裂 。沿 晶 脆 性 断 裂 的 断 口 特 征 是 :在 宏 观 断 口 表 面 上 有 许 多 亮 面 ,每 个 亮

14、 面 都 是一 个 晶 粒 的 界 面 。 如 果 进 行 高 倍 观 察 ， 就 会 清 晰 地 看 到 每 个 晶 粒 的 多 面 体 形貌 （ 图 2a） ， 类 似 于 冰 糖 块 的 堆 集 ， 故 有 冰 糖 状 断 口 之 称 ； 又 由 于 多 面 体 感特 别 强 ， 故 在 三 个 晶 界 面 相 遇 之 处 能 清 楚 地 见 到 三 重 结 点 。 沿 晶 脆 性 断 裂的 发 生 在 很 大 程 度 上 取 决 于 晶 界 面 的 状 态 和 性 质 。 实 践 表 明 ， 提 纯 金 属 ,净 化 晶 界 ,防 止 杂 质 原 子 在 晶 界 上 偏 聚 或 脱 溶

15、 ， 以 及 避 免 脆 性 第 二 相 在 晶 界析 出 等 ， 均 可 以 减 少 金 属 发 生 沿 晶 脆 性 断 裂 的 倾 向 。 因 此 ,应 用 X 射 线 能 谱分 析 法 和 俄 歇 电 子 能 谱 分 析 法 确 定 沿 晶 断 裂 面 的 化 学 成 分 ， 对 从 冶 金 因 素 来认 识 材 料 的 致 脆 原 因 ， 提 出 改 进 工 艺 措 施 有 指 导 意 义 。 解 理 断 裂属 于 一 种 穿 晶 脆 性 断 裂 ， 根 据 金 属 原 子 键 合 力 的 强 度 分 析 ， 对 于 一 定 晶系 的 金 属 ， 均 有 一 组 原 子 键 合 力 最

16、 弱 的 、 在 正 应 力 下 容 易 开 裂 的 晶 面 ， 这 种晶 面 通 常 称 为 解 理 面 。 例 如 ： 属 于 立 方 晶 系 的 体 心 立 方 金 属 ,其 解 理 面 为100晶 面 ； 六 方 晶 系 为 0001； 三 角 晶 系 为 111。 一 个 晶 体 如 果 是 沿 着解 理 面 发 生 开 裂 ,则 称 为 解 理 断 裂 。 面 心 立 方 金 属 通 常 不 发 生 解 理 断 裂 （ 见晶 体 结 构 ） 。 解 理 断 裂 的 特 点 是 :断 裂 具 有 明 显 的 结 晶 学 性 质 ,即 它 的 断 裂 面 是 结 晶学 的 解 理 面

17、h k l,裂 纹 扩 展 方 向 是 沿 着 一 定 的 结 晶 方 向 u v w 。 为了 表 示 这 种 结 晶 学 性 质 ,通 常 用 解 理 系 统 断 口 分 析 (五 )h k l u v w 来 描 述 。 对 于 体 心 立 方 金 属 ， 已 观 察 到 的 解 理 系 统 有 100 ， 100 011 等 。 解 理 断 口 的 特 征 是 宏 观 断 口 十 分 平 坦 ， 而微 观 形 貌 则 是 由 一 系 列 小 裂 面 (每 个 晶 粒 的 解 理 面 )所 构 成 。 在 每 个 解 理 面上 可 以 看 到 一 些 十 分 接 近 于 裂 纹 扩 展

18、方 向 的 阶 梯 ， 通 常 称 为 解 理 阶 （ 图2b） 。 解 理 阶 的 形 态 是 多 种 多 样 的 ， 同 金 属 的 组 织 状 态 和 应 力 状 态 的 变 化 有关 。 其 中 所 谓 “河 流 花 样 ”是 解 理 断 口 的 最 基 本 的 微 观 特 征 。 河 流 花 样 解 理阶 的 特 点 是 ： 支 流 解 理 阶 的 汇 合 方 向 代 表 断 裂 的 扩 展 方 向 ； 汇 合 角 的 大 小 同材 料 的 塑 性 有 关 ， 而 解 理 阶 的 分 布 面 积 和 解 理 阶 的 高 度 同 材 料 中 位 错 密 度 和位 错 组 态 有 关 。

19、 因 此 ， 通 过 对 河 流 花 样 解 理 阶 进 行 分 析 ， 就 可 以 帮 助 我 们 寻找 主 断 裂 源 的 位 置 ， 判 断 金 属 的 脆 性 程 度 ， 和 确 定 晶 体 中 位 错 密 度 和 位 错 容量 。 断 口 分 析 准 解 理 断 裂也 是 一 种 穿 晶 断 裂 。 根 据 蚀 坑 技 术 分 析 表 明 ， 多 晶 体 金 属 的 准 解 理 断 裂也 是 沿 着 原 子 键 合 力 最 薄 弱 的 晶 面 （ 即 解 理 面 ） 进 行 。 例 如 ： 对 于 体 心 立 方金 属 （ 如 钢 等 ） ， 准 解 理 断 裂 也 基 本 上 是

20、100晶 面 ,但 由 于 断 裂 面 上 存 在较 大 程 度 的 塑 性 变 形 （ 见 范 性 形 变 ） ， 故 断 裂 面 不 是 一 个 严 格 准 确 的 解 理 面 。准 解 理 断 裂 首 先 在 回 火 马 氏 体 等 复 杂 组 织 的 钢 中 发 现 。 对 于 大 多 数 合 金钢 （ 如 Ni-Cr 钢 和 Ni-Cr-Mo 钢 等 ） ， 如 果 发 生 断 裂 的 温 度 刚 好 在 延 性 脆性 转 变 温 度 的 范 围 内 ， 也 常 出 现 准 解 理 断 裂 。 从 断 口 的 微 观 形 貌 特 征 来 看(图 2c),在 准 解 理 断 裂 中 每

21、 个 小 断 裂 面 的 微 观 形 态 颇 类 似 于 晶 体 的 解 理 断 裂 ，也 存 在 一 些 类 似 的 河 流 花 样 ， 但 在 各 小 断 裂 面 间 的 连 结 方 式 上 又 具 有 某 些 不同 于 解 理 断 裂 的 特 征 ， 如 存 在 一 些 所 谓 撕 裂 岭 等 。 撕 裂 岭 是 准 解 理 断 裂 的 一种 最 基 本 的 断 口 形 貌 特 征 。 准 解 理 断 裂 的 微 观 形 貌 的 特 征 ， 在 某 种 程 度 上 反映 了 解 理 裂 纹 与 已 发 生 塑 性 变 形 的 晶 粒 间 相 互 作 用 的 关 系 。 因 此 ， 对 准

22、 解 理断 裂 面 上 的 塑 性 应 变 进 行 定 量 测 量 ， 有 可 能 把 它 同 断 裂 有 关 的 一 些 力 学 参 数如 ： 屈 服 应 力 、 解 理 应 力 和 应 变 硬 化 参 数 等 联 系 起 来 。 韧 窝 断 裂金 属 多 晶 材 料 的 断 裂 ， 通 过 空 洞 核 的 形 成 、 长 大 和 相 互 连 接 的 过 程 进 行 ,这种 断 裂 称 为 韧 窝 断 裂 (dimple fracture)。 韧 窝 断 裂 是 属 于 一 种 高 能 吸 收 过程 的 延 性 断 裂 。 其 断 口 特 征 为 ： 宏 断 口 分 析 (六 )观 形 貌

23、呈 纤 维 状 ， 微 观 形 态 呈 蜂 窝 状 （ 图 2d） ,断 裂 面 是 由 一 些 细 小 的 窝 坑构 成 ,窝 坑 实 际 上 是 长 大 了 的 空 洞 核 ， 通 常 称 为 韧 窝 ， 它 是 韧 窝 断 裂 的 最 基本 形 貌 特 征 和 识 别 韧 窝 断 裂 机 制 的 最 基 本 依 据 。 系 统 的 观 察 表 明 ， 韧 窝 的 尺寸 和 深 度 同 材 料 的 延 性 有 关 ， 而 韧 窝 的 形 状 则 同 破 坏 时 的 应 力 状 态 有 关 。 由于 应 力 状 态 不 同 ， 相 应 地 在 相 互 匹 配 的 断 口 偶 合 面 上 ，

24、其 韧 窝 形 状 和 相 互 匹配 关 系 是 不 同 的 。 如 图 3 所 示 :a 为 等 轴 型 韧 窝 ， 韧 窝 形 成 的 应 力 状 态 为 均匀 应 变 型 ； b 为 同 向 伸 长 韧 窝 ， 伸 长 方 向 平 行 于 断 裂 方 向 ,其 应 力 状 态 为 拉伸 撕 裂 型 ； c 为 异 向 伸 长 型 韧 窝 ， 伸 长 方 向 平 行 于 断 裂 方 向 ， 其 应 力 状 态 为刃 滑 动 型 ； d 为 同 向 伸 长 韧 窝 ,但 伸 长 方 向 垂 直 于 断 裂 方 向 ， 其 应 力 状 态 为螺 滑 动 型 。 除 了 上 述 四 种 基 本

25、的 韧 窝 形 状 外 ,还 存 在 混 合 应 力 状 态 下 所 形 成的 韧 窝 ,理 论 分 析 表 明 ， 最 低 限 度 有 14 种 ,其 中 8 种 已 从 实 验 观 察 到 。 断口 分 析 由 于 韧 窝 的 形 状 与 应 力 状 态 密 切 相 关 ， 故 对 断 口 耦 合 面 上 相 啮 合 部 位 的韧 窝 形 状 、 尺 寸 和 深 度 进 行 分 析 ， 就 可 以 确 定 断 裂 时 所 在 部 位 的 应 力 状 态 和裂 纹 扩 展 的 方 向 ， 并 对 材 料 的 延 性 进 行 评 价 。 还 有 其 他 断 裂 的 机 制 如 ： 疲 劳 、蠕

26、 变 和 应 力 腐 蚀 断 裂 等 。 编 辑 本 段 微 观 断 裂 机 制 的 实 际 应 用作 为 材 料 断 裂 韧 性 指 标 之 一 的 裂 纹 扩 展 阻 力 Gc， 它 不 但 是 一 个 材 料 常数 ， 断 口 分 析 (七 )而 且 也 同 断 裂 的 微 观 机 制 有 关 。 例 如 ： 当 断 裂 机 制 是 沿 晶 脆 性 断 裂 或 解 理 断裂 时 ， Gc 值 较 小 ； 反 之 ， 当 断 裂 机 制 是 韧 窝 断 裂 时 ， 则 Gc 值 较 大 ,如 表 2所 示 。 断 口 分 析 断 裂 微 观 机 制 的 分 析 ， 有 可 能 把 断 口

27、的 形 貌 分 析 同 断 裂 力 学 指 标 联 系 起来 ， 其 中 最 重 要 的 成 果 之 一 是 系 统 地 建 立 了 断 裂 机 制 图 ， 这 对 解 决 一 些 工 程断 裂 问 题 十 分 有 用 。 所 谓 断 裂 机 制 图 ， 是 指 选 择 适 当 的 断 裂 参 数 、 力 学 参 数或 物 理 参 数 作 为 坐 标 系 ， 用 它 来 确 立 各 种 可 能 出 现 的 微 观 断 裂 机 制 的 区 域 ，以 便 发 现 各 类 金 属 断 裂 的 普 遍 规 律 。 在 工 程 应 用 上 ， 断 裂 机 制 图 对 工 程 设 计 ，材 料 的 选 择

28、 ， 使 用 条 件 的 限 制 ， 以 及 失 效 分 析 等 都 能 提 供 十 分 重 要 的 指 导 性意 见 和 数 据 资 料 ， 目 前 正 大 力 开 展 这 方 面 的 工 作 。 编 辑 本 段 参 考 书 目C.L.Briant & S.K.Banerji, International Metals Review,23(1978),No.4,164. C.D.Beachem,Met.Trans.6 (1975),No.2,377. M.F.Ashby,C.Gandhi & D.M.R.Taplin,Acta.Met.,27 (1979),No.5,699； No.10,1565.