负荷类型、应力集中程度和负荷大小 对疲劳断口形态的影响示意图
断裂区
扩展区
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几种重要断裂方式的断口特征
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冲击断口 断口三要素分布示意图
• 一般情况下，缺口附近先 形成纤维区，然后是放射区 及剪切唇，剪切唇沿无切口 的其它三侧边分布。
• 摆锤冲击下，缺口一侧受 拉应力，另一侧受压应力。 整个断面上受力方向不同， 所以当受拉应力的放射区进 入受压区时可能会消失而重 新出现纤维区(如图所示)。 out
out
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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
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判定主裂纹的方法
将散落断口拼合， 测量其几何形状变 化，变形量最大的 为主裂纹。
检验断口，氧 化最严重区为 最先断裂区 （主裂纹形成）
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out
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判定裂纹源的方法
最小应变法
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。
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 out 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! 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。
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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!
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。
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混合型
撕裂韧窝与剪切韧窝
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沿晶断裂和解理断裂一般都是脆性断裂，所以 断口上常能观察到放射状特征，对于纯沿晶或纯解 理断口，将不存在纤维区及剪切唇区。 沿晶断口 在一些具有极粗大晶粒 的材料中，其沿晶断裂的宏观断口 呈现“冰糖状”特征。若晶粒很细， 须在电子显微镜下才能辨认。 解理断口 宏观形态除能观察到放 射状条纹外，还具有结晶状形态， 有许多强烈反光的小平面(或称刻 面)。在有些纯解理断口上只有结 晶状而看不到放射花样。
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美国顺纳德球形储氢压力容器 碎片拼合后的一个视图
out
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
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。
多枝型法示意图
T型法示意图
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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 20 纹中哪一条为主裂纹 --T型法则 。
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 (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
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疲劳断口的宏现形貌
out
最初疲劳源区
应根据疲劳条纹的密度、 疲劳源区的光亮度和台阶情况 来确定疲劳源的起始次序。 最初疲劳源区经历交变负 荷作用的时间长，疲劳条纹密 度大，同时比较光泽明亮。
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缺口敏感性对疲劳断口形态的影响
若材料对缺口不敏感→疲劳条纹绕着裂纹源或成为向外凸起的同心形状 对缺口敏感→疲劳条纹绕着裂源外开始较为平坦，向前扩展一定 out 距离即以反弧形向前扩展。 41
碎块拼凑法
人字形法
放射标记法
剪切唇法
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贝纹花样法
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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
• 当表面无应力集中, 裂纹源区在两组“人”字形的汇 合处，即“人”字上部指向裂源。 • 若表面有应力集中（存在缺口），“人”字下部指向 裂源。 26

out
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离子探针→断口表面分析

可分析断口表面的元素分布情况
具有探测所有元素的优点， 检测灵敏度很高(可达到100ppm含量) →分析沿晶界元素偏聚 →分析氢脆断口的氢含量
① 韧性断裂与断口特征
（屈服强度）
机 理
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(微观）
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(宏观）
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② 脆性断裂与断口特征
(宏观）
out
Q：何种晶体结构材料易出现脆性断裂？
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薄板表面
薄板侧面-断口
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b. 按裂纹扩展路径分类
沿 晶
混 晶
穿 晶
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c. 按裂纹机制分类
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d.按受力状态不同分类
•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)
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金属材料的断裂过程
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 out
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3.3 微观断口分析
分析内容：产物分析 + 形貌分析
根据断口微观形貌特征可判定断裂的类型， 从裂纹源处查明断裂原因。它还能进行断裂失 效的定量分析，如进行韧性的定量测量，分析 测定裂纹的扩展速率、断裂过程与影响因素之 间的定量关系等。
out
断口微观形貌中，韧窝、解理花样、疲劳辉纹等分别 是判断金属韧性断裂、解理断裂和疲劳断裂的主要依据
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
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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
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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
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合成氨管道腐蚀失效件 断口切片试样 沿晶腐蚀裂纹（×80）
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纯铁低温冲击试验解理破坏截面边缘镀镍金相保护观察
镀镍
镍
镍 片 镀镍
out 低碳钢管件应力腐蚀断口利用边缘镀镍金相保护观察
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TEM分析方法
一次碳复型 通常是在试验室中 的试验断口时使用， 或是为了对断口上 第二相质点或夹杂 作电子衍射分析时 使用。 二次复型 采用AC纸作过渡故 可以不破坏断口而 反复多次作复型， 因而在失效断口分 析中应用更为广泛。
e. 按环境介质不同分类
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f. 按服役条件分类
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1.3 裂纹与断口 的分析手段
万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌

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、超声波探伤 X光探伤和低倍侵蚀 等 产物分析（EDX\XRD\XPS等）
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。
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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 纤维区吸收大量塑性变形功而丧失金属光泽
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拉伸试 样的断 口比较
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基本原则→用尽可能简单的仪器 得到满意的结果!
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断口形貌观察工具的特性比较
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第二节 裂纹分析
工艺裂纹
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
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。
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切片和断口剖面的研究
断口附近切片研究有助于确定断口与破断件 显微组织之间的关系，确定裂纹扩展走向是穿晶还 是沿晶的, 充分显示裂源部位的显微组织和裂纹之 间的关系，更有助于分析零件失效的原因。
观察时，为使断口的棱边保存下来，常采用 镶嵌方法。在切片镶嵌之前，若将试样断口镀上镍， 有利于断口棱边完好地保存下来。
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拉伸
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
裂纹萌生位置 out
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裂纹源位置
裂纹附近状况
裂纹源特征
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 展的反方向上(如图) ----多枝型法。
一次碳复型
AC纸
断口复型示意图
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二次复型
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SEM分析方法

优点: 景深大、可直接观察断口, 不需制备 复型、能从低倍到高倍连续定点观察