金属断口分析.ppt

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1、何玉怀北京航空材料研究院2011年6月26日金属断口分析内容提纲1.断口分析的作用及意义2.断口（断裂）分类3.断口（断裂）的基本特征与机理4.断口分析内容5.断口与失效分析6.典型案例断口分析的作用及意义断口是试样或零件在试验或使用过程中发生断裂（或形成裂纹后打断）所形成的断面。记录材料在载荷和环境作用下断裂前的不可逆变形，以及裂纹的萌生和扩展直至断裂的全过程。定性和定量分析识别，并将断口特征与发生损伤乃至最终失效的过程联系起来，可以找出与失效相关的内在或外在原因。断口学作为失效分析学科的一个重要组成部分，在断裂失效分析中发挥了很大的作用。断口分析的作用及意义在机电产品

2、的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。断裂力学方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并考虑材料内部存在缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。断口分析的作用及意义断裂失效分析从裂纹和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因和规律。断裂力学方法和金属物理方法之间架起联系的桥梁。断口（断裂）分类断裂与断口构件或试样在外力作用下导致裂纹形成扩展而分裂为两部分（或

3、几部分）的过程称为断裂。包括裂纹萌生、扩展和最后瞬断三个阶段。各阶段的形成机理及其在整个断裂过程中所占的比例，与构件形状、材料种类、应力大小与方向、环境条件等因素有关。断裂形成的断面称为断口。断口上详细记录了断裂过程中内外因素的变化所留下的痕迹与特征，是分析断裂机理与原因的重要依据。断口（断裂）分类2.断裂分类按断裂性质分类根据零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小可分为：塑性断裂：断裂前发生较明显的塑性变形。延伸率大于5%的材料通常称为塑性材料。脆性断裂：断裂前几乎不产生明显的塑性变形。延伸率小于3%的材料通常称为脆性材料。脆性断裂有穿晶脆断（如解理断裂、疲劳断裂）和沿

4、晶脆断（如回火脆、氢脆）之分。塑性-脆性混合型断裂，又称为准脆性断裂。塑性断裂对装备与环境造成的危害远较脆性断裂小，脆性断裂往往会引起危险的突发事故。断口（断裂）分类按断裂路径分类依断裂路径的走向可以分为穿晶断裂和沿晶断裂两类。穿晶断裂，裂纹穿过晶粒内部。穿晶断裂可以是塑性的，也可以是脆性的。前者端口具有明显的韧窝花样，后者端口的主要特征为解理花样。沿晶断裂，断裂沿着晶粒边界扩展，可分为沿晶脆断和沿晶韧断(在晶界面上有浅而小的韧窝)。无微孔聚集沿晶断裂微孔聚集沿晶断裂断口（断裂）分类按断面相对位移形式分类按两断面在断裂过程中相对运动的方向可以分为：张开型（Ⅰ型）。裂纹表面

5、移动的方向与裂纹表面垂直。这种型式的断裂常见于疲劳及脆性断裂，其断口齐平，是工程上最常见和最危险的断裂类型。前后滑移型（Ⅱ型）。裂纹表面在同一平面内相对移动，裂纹表面移动方向与裂纹尖端的裂纹前沿垂直。剪切型（Ⅲ型）。裂纹表面几乎在同一平面内扩展，裂纹表面移动的方向和裂纹前沿线一致。剪切断口、斜断口和扭转断口是Ⅱ型以及Ⅱ型和Ⅲ型的组合。断口（断裂）分类按断裂方式分类按断面所受到的外力类型的不同分为正断、切断及混合断裂三种。正断断裂，受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应力方向相垂直。断口的宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、解理花样等。切断断口，是在切应力作用下而引起的断裂，

6、断面与最大正应力方向成45°角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为抛物状的韧窝花样。混合断裂，正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥杯状，混合断裂是最常见的断裂类型。断口（断裂）分类按断裂机制分类可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶以及疲劳等。其他分类方法按应力状态分类，可分为静载断裂（拉伸、剪切、扭转）、动载断裂（冲击断裂、疲劳断裂）等。按断裂环境分类，可分为低温断裂、中温断裂、高温断裂、腐蚀断裂、氢脆及液态金属致脆断裂等。按断裂所需能量分类，可分为高能、中能及低能断裂等。按断裂速度分类，可分为快速、慢速以及延迟断裂等。按断裂形成过程分类，可分为工艺性断裂和服役性断

7、裂。如在铸造、锻造、焊接、热处理等过程形成的断裂为工艺性断裂。如拉伸、冲击、爆破等为快速断裂，疲劳、蠕变等为慢速断裂，氢脆、应力腐蚀等为延迟断裂。断口（断裂）的基本特征与机理过载断口宏观特征三要素穿晶韧窝断裂滑移分离解理断裂准解理断裂延晶断裂疲劳断裂提纲断口（断裂）的基本特征与机理纤维区：该区一般位于断口的中央，是材料处于平面应变状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，属于正断型断裂。纤维区的宏观平面与拉伸应力轴相垂直，断裂在该区形核；放射区：该区紧接纤维区，使裂纹由缓慢扩展转化为快速的不稳定扩展的标志，其特征是放射线花样。放射线发