探讨材料中裂纹的分析方法

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1、探讨材料中裂纹的分析方法　　广义的裂纹是指破坏材料连续性的缺陷，这种缺陷具有一定的深度、宽度和长度、成直线或曲线分布于材料内部或表面，严重影响材料的各种性能，如力学性能、导热性和导电性能等。裂纹的尺寸、数量和形貌等特征对材料物理性能和力学行为的影响一直备受关注，人们希望通过研究裂纹的产生原因、扩展方式和扩展速度与材料性能的关系，来预测工件使用寿命。但现有研究中尚缺少系统的裂纹分析方法。本文较系统地介绍了材料中裂纹的分析方法。　　1实验方法　　分别选取带有裂纹的Cr2O3涂层和高温工具钢X38CrMoV5(

2、AISIH11)样品，先肉眼观察裂纹外观特征，再按裂纹走向截取样品，其中横向和纵向分别截取。磨抛后利用金相显微镜和扫描电子显微镜分别观察裂纹的形貌和分布，以及裂纹周围的微观组织结构。再利用图像分析软件ISI8.0分析照片中裂纹的长度、角度、面积、节点数。运用统计学方法分析裂纹特征参数，建立裂纹形态特征与材料性能的关系。　　2实验结果与分析　　2.1裂纹定性分析　　裂纹的定性分析通常包括宏观检查、裂纹源分析、材质检验和裂纹微观分析。宏观检查是裂纹分析的基础，用于判断材料中是否存在裂纹，除通过肉眼直接外观检查

3、和敲击测音外，还可用无损探伤法检测裂纹。当裂纹极为细小时，可借助光学显微镜和电子显微镜来判断微裂纹的存在。裂纹源常分布在由于工件形状或材料缺陷引起的应力集中部位。材质检验包括化学成分、显微组织、力学性能，及其他性能测试。微观分析用于了解裂纹的性质、扩展机制、形成原因和影响因素，主要包括形态特征分析和分布特征分析。裂纹的形态特征包含裂纹形状和张开度。其中张开度指裂纹开口宽度与裂纹深度之比。裂纹的分布特征分为分散分布、方向性分布，放射状分布和X络状分布。微观裂纹分析应该确定裂纹分布是穿晶的，还是沿晶的，主裂纹

4、附近有无微裂纹和分枝，以及晶粒状态、大小等特征;分析裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物，它们的形态，大小、数量及分布情况;裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象;产生裂纹的表面是否存在加工硬化层或回火层;裂纹源及扩展路20μm20μm(a)X络状裂纹(b)相邻原胞图3Cr2O3涂层热处理后表面裂纹形貌Fig.3径周围是否有过烧组织、魏氏组织、带状组织，以及其它形式的组织缺陷。根据裂纹的形态、分布以及裂纹周围组织可以确定裂纹源、扩展路径、开裂方式及影响因素。　　2.2裂纹定量分析　　由于材料结构的复杂

5、性、材质不均匀性、受力不均匀性，以及环境因素的影响都将引起断口裂纹形态错综复杂。故进行定量分析时，需选取具有代表性的裂纹图像，必要时应对视场中出现某种特征次数进行几十个或更多的统计。利用图像分析软件辅助分析裂纹特征，使裂纹的定量分析更方便、易操作。目前，材料中裂纹尚没有统一的定义，为了系统分析裂纹形态，现将裂纹特征参数分别进行定义。描述裂纹严重程度的参数：裂纹长度密度和面积密度分别指单位面积上的裂纹长度和面积。为了研究裂纹的扩展方向，定义裂纹角度为裂纹主方向与所选取的参考方向的夹角。再利用一些拓扑学特征参

6、数描述X络状裂纹的特征。其中，原胞相邻数是指在X络状裂纹中，与某一个原胞第一层相邻的原胞数目。裂纹节点是指两条或两条以上裂纹线的交点，而节点密度是指单位面积中裂纹节点数目。　　裂纹的长度密度最大，但其面积密度却最小。因此，在研究中需要选择合适的参数来评价裂纹对材料性能的影响。分析裂纹角度时，可选定裂纹参考方向与图像纵轴方向平行，利用图像分析软件获得每条裂纹夹角。再以裂纹角度为极角，以该夹角的裂纹数占裂纹总数的百分比为极轴绘制裂纹角度极图，便于观察裂纹角度的分布情况裂纹在各个方向上分布较均匀，裂纹具有明显的

7、方向性分布。　　从裂纹萌生至稳定状态，裂纹的相邻原胞数主要为5、6和7，平均值接近6。除了热疲劳裂纹X络未成熟时之外(如热循环周次较低)，相邻原胞数的出现频率p(n)都服从准正态分。随着热疲劳试验时间延长这些拓扑学特征参数将达到一个稳定值。因此，可根据这些拓扑学特征参数来评估工件在高温环境中的服役时间和剩余寿命。　　总之，对裂纹特征参数进一步统计分析，是建立裂纹形态特征与材料性能关系的有效手段。通过裂纹的定量分析可了解材料的力学性能、导电和导热性能，以及预测工件的使用寿命等。　　3结论　　根据裂纹分析的目

8、的和要求，可以从宏观到微观，从定性到定量选择某几个方面进行分析。裂纹分析方法可用于金属材料、氧化物涂层、溶胶凝胶法制备的薄膜和陶瓷釉中产生的裂纹分析。通过裂纹分析可以获得材料产生裂纹的原因、裂纹的扩展方式和速度，从而建立裂纹与材料性能和寿命的关系。