金属裂纹与断口分析 (金属断口分析方法的案例)

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，称之为断口。

断口形貌会记录着有关断裂全过程的许多有用信息，所以在进行断裂失效分析时，对断口的观察和研究就显得极为重要。

通过对断口垢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、断裂机理、断裂过程中的应力状态以及裂纹扩展速率等。通常还要进行断口表面的微区成分分析、冶金结晶分析以及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。接下来我就对断口分析部分做相应的阐述。

一.断口分析的工具：

显微组织与断口表面结构的特征在失效分析中起着突出的作用。最常用的工具有:光学显微镜(OM) Optical Microscope；透射电子显微镜(TEM)Transmitting Electron Microscope；扫描电子显微镜(SEM)Scanning Electron Microscope。这些仪器用于断口组织实验时，它们是互补的，在特定情况下每种仪器都有自己的专长。

其他工具与技术，X射线荧光化学分析； X射线衍射及电子衍射，用来确定晶体材料的成分及组织；立体显微镜可以使样品的全部视场均能保持对焦,并能在同一时间获得3D效果。

二.断口的维护：

断口表面包含丰富的信息，理解损害的类型很重要。它能掩盖或消除断口特征，并干扰对断口的全面诠释。断口损害分为发生在破断过程中或破断后的化学损害和机械损害两种。

1.破断过程中的化学损害:

如果裂纹前沿的周边环境对基体有腐蚀性，则断口表面将受环境腐蚀。如:应力腐蚀裂纹，液态金属的脆性裂纹，腐蚀疲劳裂纹产生的断口。

2.破断后的化学损害:

破断后的周边环境一般都对基体金属有侵蚀性。如:潮湿空气对绝大多数铁基合金有侵蚀性，会在短时间内在断口表面引起氧化。手指触摸断口表面会沾上油脂、水分、盐分等。

3.破断过程中的机械损害:

破断过程中的机械损害通常由加载条件导致。如:加载条件使匹配的断口表面互相磨擦。疲劳开裂过程中裂纹闭合导致的机械损伤。

4.破断后的机械损害:

破断后的机械损害通常由管理及运输条件导致。 如:打开一次裂纹，截取断口样品等时。把两个断口半边固定到一起，或用尖锐的器具来夹持断口。

三.断口的清理技术：

暴露于环境中的断口表面通常含有碎屑，腐蚀产物，氧化产物及有机污染物等，这些在断口分析前一定要去除。常用的清理技术有:干燥气流或软的有机纤维刷子清理； 复膜法(*酮丙**,醋酸纤维薄膜等)；有机溶剂清理(二甲苯,甲酮,酒精等)；水基洗涤剂清理(Alconox溶液等)；阴极清理(氰化钠,碳酸钠,硫酸等)；化学侵蚀(Al:磷酸,铬酸,Ti:硝酸.)等。

四.韧性与脆性的含义：

韧性与脆性通常用以描述材料断裂后的变形大小，两者之间并无精确的区分点。

加载方式对断口的影响

1.韧性特征:

（1）断裂前有相当大的塑性变形；

（2） 断裂终端区通常有剪切唇；

（3）断口表面通常有纤维状,丝状等结构；

（4）裂纹生长缓慢。

韧性断口形貌

2.脆性特征:

（1）断裂前很少或没有观察到塑性变形；

（2）断口平坦，且垂直于零件表面；

（3）断口表面可能出现晶粒，且反光很好；

（4）裂纹生长迅速，往往伴随较大响声。

脆性断口形貌

五.材料的断裂力学分析：

要想在实践中进行断裂模式分析，要了解以下三个要点：

1.材料的断裂往往源于业已存在的裂纹或内部,外在表面的不连续缺陷所致;

2.材料发生突然脆性断裂的习性并不能从拉伸试验的结果预测到;

3.韧性材料内部裂纹长至一定程度时,容易发生突然的脆性断裂。

断裂三种基本模式

裂纹扩展分为两种基本形态，人字形及辐射状。

人字纹裂纹扩展方式

辐射纹裂纹扩展方式

以上是本人在从事金属材料断裂失效分析的20多年中，对断口分析这部分的实践经验总结。