【技研】你知道金属断裂失效后，如何进行断口分析从而排查断裂真因吗？

断口上记录着与裂纹有关的各种信息，通过对这些信息的分析，可以找出断裂的原因及影响因素。因此，断口分析在断裂失效分析中占据着特殊重要的地位。可以说断口分析是断裂失效分析的核心，同时又是断裂失效分析的向导，指引失效分析少走弯路。

2.1断口的颜色与光泽：

观察断口表面光泽与颜色时，主要观察有无氧化色的痕迹、有无夹杂物的特殊色彩与其他颜色。是红锈、黄锈或是其他颜色的锈蚀灰色的金属光泽、发蓝颜色(或呈深紫色、紫黑色金属光泽)等，有无腐蚀产物。

例如，高温工作下的断裂构件，从断口的颜色可以判断裂纹形成的过程和发展速度，深黄色是先裂的，蓝色是后裂的；若两种颜色的距离很靠近，可判断裂纹扩展的速度很快

又如，钢件断口若是深灰色的金属光泽，是钢材的原色，是纯机械断口；断口有红锈是富氧条件腐蚀的 ；断口有黑锈是缺氧条件腐蚀的 等。

2.2断口上的花纹：

不同的断裂类型，在断口上留下不同形貌的花纹，这些花纹是丰富多彩的，很多与自然景观相似，并以其命名。

韧性断裂宏观有纤维状断口，微观上则多有韧窝或蛇行花样等。

脆性断裂有解理特征，断口宏观上有闪闪发光的小刻画或人字。山形花纹，而微观上有河流条纹、舌状花样等。

疲劳断裂断口宏观上有时可见沙滩条纹，微观上有疲劳辉纹。

2.3断口上的粗糙度：

断口的表面实际上由许多微小的小断面构成，其大小、高度差决定着断口的粗糙度。不同材料、不同断裂方式，其断口粗糙度也不同。

一般来说，属于剪切型的韧性断裂的剪切唇比较光滑；而正断型的纤维区则较粗糙。属于脆性断裂的解理断裂形成的结晶状断口较粗糙，而准解理断裂形成的瓷状断口则较光滑。疲劳断口的粗糙度与裂纹扩展速度有关(成正比)，扩展速度越快，断口越粗糙。

2.4断口与最大正应力的交角：

不同的应力状态，不同的材料及外界环境，断口与最大正应力的交角是不同的。韧性材料的拉伸断口往往呈杯锥状或呈45°切断的外形，它的塑性变形是以缩颈的方式表现出来。即断口与拉伸轴向最大正应力交角是45°。脆性材料的拉伸断口一般与最大拉伸正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘通常没有剪切“唇口”。断口附近没有缩颈现象。韧性材料的扭转断口呈切断型。断口与扭转正应力交角也是45°。脆性材料的扭转断口呈麻花状，在纯扭矩的作用下 ，沿与最大主应力垂直的方向分离。

2.5断口上的冶金缺陷：这些冶金缺陷常可在失效件断口上经宏观或微观观察而发现：夹杂、分层、晶粒粗大、白点、白斑、氧化膜疏松、气孔、撕裂等。

3.1断口的宏观观察：指用肉眼、放大镜、低倍光学显微镜(体视显微镜) ，这是断口分析的第一步和基础。通过宏观观察收集了断口上的宏观信息，则可初步确定断裂的性质(脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂等)，可以分析裂源的位置和裂纹扩展方向，可以判断冶金质量和热处理质量等。观察时先用肉眼和低倍率放大镜观察断口各区的概貌和相互关系，然后选择细节、加大倍率观察微细结构。宏观观察时，拍照记录。

3.2断口的微观观察：用显微镜对断口进行高放大倍率的观察，用金相显微镜及扫描电镜的为多。断口微观观察包括断口表面的直接观察及断口剖面的观察。通过微观观察进一步核实宏观观察收集的信息，确定断裂的性质、裂源的位置及裂纹走向、扩展速度，找出断裂原因及机理等。观察时要注意防止片面性；识别假象、要有真实性；收集信息的代表性等。

3.3剖面观察：截取剖面要求有一定的方向，通常是用与断口表面垂直的平面来截取(截取时注意保护断口表面不受任何损伤)，垂直于断口表面有两种切法。平行裂纹扩展方向截取，则可研究断裂过程。因为在断口的剖面上，能包含断裂不同的各区域。垂直裂纹扩展方向截取，在一定位置的断口削面上，可研究某一特定位置的区域。 剖面观察可观察二次裂纹尖端塑性区的形态、显微硬度变化、合金元素有无变化情况等。应用剖面技术，可帮助分析研究断裂原因和机理之间的关系。

4.1韧性断裂：又叫延性断裂和塑性断裂,即零件断裂之前,在断裂部位出现较为明显的塑性变形。在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。

在正常情况下,机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下,一般不会出现韧性断裂失效。但是,由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中,存在着众多环节和各种复杂因素,因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。

金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。

4.1.1滑移分离：

韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形,而塑性变形的普遍机理是滑移,即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离,其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。

金属材料滑移的一般规则是:① 滑移方向总是原子的最密排方向;② 滑移通常在最密排的晶面上发生;③ 滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生。

晶体材料产生滑移的形式是多种多样的,主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波状滑移、滑移碎化和滑移扭折等。

滑移分离的基本特征是:断面呈45°角倾斜;断口附近有明显的塑性变形;滑移分离是在平面应力状态下进行的。

滑移分离的主要微观特征有滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样。

                                                                典型的滑移线形貌

蛇形滑移花样

涟波形貌

4.1.2韧窝 ：金属韧性断裂的主要特征，韧窝又称作迭波、孔坑、微孔或微坑等。

韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞,经形核、长大、聚集，最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹。

韧窝是韧性断裂的微观特征，但不能仅仅据此就作出韧性断裂的结论，因为韧性断裂与脆性断裂的主要区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性变形。即使在脆性断裂的断口上 ，个别区域也可能由于微区塑变而形成韧窝。

典型的韧窝形貌

4.1.3韧性断裂失效分析的判据：

(1)断口宏观形貌粗糙，色泽灰暗，呈纤维状，边缘有与零件表面呈45°的剪切唇，断口附近有明显的塑性变形，如残余扭角 、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。

(2)断口上的微观特征主要是韧窝。

4.1.4韧性断裂原因：

(1) 零件所用材料强度不够。

(2) 零件所承受的实际载荷超过原设计要求。

(3) 零件在使用中出现了非正常载荷。

(4) 零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中， 使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效。

(5) 零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。

4.2脆性断裂：

工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光滑拉伸试样的ψ<5%)情况下发生的断裂称作脆性断裂,因其断裂应力低于材料的屈服强度,故又称作低应力断裂。

由于脆性断裂大都没有事先预兆,具有突发性,对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的后果。

4.2.1脆性断裂的宏观特征：金属构件脆性断裂,其宏观特征虽随原因不同会有差异,但基本特征是共同的。

(1) 断裂处很少或没有宏观塑性变形,碎块断口可以拼合复原。

(2) 断口平坦,无剪切唇,断口与应力方向垂直。

(3) 断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。

(4) 断面颜色有的较光亮,有的较灰暗。光亮断口是细瓷状,对着光线转动，可见到闪光的小刻面;灰暗断口有时呈粗糙状，有时呈现出粗大晶粒外形。

(5) 板材构件断口呈人字纹放射线，放射源为裂纹源，其放射方向为裂纹扩展方向。

(6) 脆性断裂的扩展速率极高，断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。

4.2.2脆性断裂微观特征：

（1）解理裂纹的微观形貌特征：

解理断裂是金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面(即解理面)快速分离 。解理面一般是表面能量最小的晶面。常见的解理面见表1。面心立方晶系的金属及合金,在一般情况下,不发生解理断裂。

典型的解理小刻面上有以下微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及瓦纳线等。

典型的解理裂纹微观形态

（2）准解理裂纹的微观形貌特征：许多短而弯曲的撕裂棱线条，由点状裂纹源向四周放射的河流花样，断面上有凹陷和二次裂纹等，如图所示。这种断口首先在马氏体回火钢中发现。

（3）沿晶：又称晶间断裂，它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离，即沿晶界发生断裂在通常情况下，晶界的键合力高于晶内，断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶，如前述的韧窝型断裂和解理断裂等。但如果热加工工艺不当，造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因温度过高(加工温度与使用温度)使晶界弱化、或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时，晶界的键合力被严重削弱,往往在低于正常断裂应力的情况下，被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。沿晶断裂的路线一般沿着与局部拉应力垂直的晶界进行。按断面的微观形貌，通常可将沿晶断裂分为沿晶韧窝断裂和沿晶脆性断裂。

                       沿晶韧性断裂                         沿晶脆性断裂