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如何进行断口分析仪

更新时间:2023-04-24      点击次数:1591

断口分析仪内容

零件断裂后的自然表面称为断口,断口一般是材料中性能最弱或应力最大的部位,

断口分析是通过宏、微观分析手段,对断口形貌进行观测分析,了解断裂模式及特征,分析断裂机理及与材料性能的关系

断口根据分析手段不同分为宏观断口与微观断口。前者反映断口全貌,后者揭示断口本质,各有特点,互为配合

 

断口颜色

依断口有无氧化色彩判断机件服役温度高低;有无腐蚀产物特殊色彩判断腐蚀类型和程度;有无冶金夹杂物的特殊色彩判断冶金因素的作用:疲劳断口各区光亮程度,判断疲劳源位置

断口粗糙度

依断口粗糙度判断机件的受力大小、定性评定材料的晶粒大小及裂纹扩展速率;断口上的反光小刻面及数量,可判断材料冶金质量、杂质相的多少

断口花纹

依断口上的疲劳弧线,判断其为疲劳断口;疲劳断口有无台阶可判断交变应力大小;放射状的撕裂棱或人字纹花样,判断脆性材料或高速加载;纤维状或长毛绒状花样,判断延性断裂

 

 

断口边缘特征

从断口边缘特征可判断疲劳源位置;从断口唇边情况,可判断机件应力状态;从唇边大小,可判断材料塑性变形程度

断口的位置

依断口在构件中的断裂位置,结合受力形式、应力集中程度及环境特征等,可分析断裂的性质和原因

微观断裂形貌与特征

主要微观形貌包括:韧窝形状和大小、解理台阶、河流花样、滑移带疲劳条带数量和宽度、氧化物性质及厚度、夹杂物形状和尺寸、晶粒尺寸等

 

断口分析的基本方法:

宏观断口分析方法

用肉眼、放大镜、低倍显微专用断口分析设备,通过观察断口表面的颜色、粗糙度、宏观形貌和宏观变形痕迹等,来确定断裂性质、断裂源位置、裂纹扩展过程和方向、受力状态和环境介质作用等情况,从而初步分析断裂的性质及原因

使用低倍显微镜 (1~100X) 等低倍设备,观察整个断口的宏观形貌特征,为放大观察和深入分析提供线索

宏观断口分析时,为获得良好效果,拍照时多采用单光源斜照明,倾斜角约为30~45度。为防止断口凸凹悬殊处明暗反差太大产生失真,可增加亮度较低的附助光源

 

微观断口分析方法

光学显微镜主要用于观察断口的形貌特征、局部的微观形貌断口剖面特征等。由于其放大倍数和景深有限,且断口本身又极为不平整,有时难以获得良好观测效果

扫描电子显微镜(SEM有以下优点: (1) 聚焦景深大,对粗糙样品依然可获清晰图像;(2) 放大倍数可在几倍到十万倍间连续观察;(3) 可观察三维特征,图象清晰、立体感强;(4) 样品制备简单,直接观察,不需制作复型;(5) 与能谱仪配合可定量探测样品表面微区元素种类和含量; (6) 分辨率高

透射电子显微镜(TEMD的优点:分辨率比SEM高,配有X射线能谱的TEM不仅能观察断口形貌细节,且可确定断口上第二相质点的成分和结构。缺点是不能直接观察断口,需制取复型:不能到连续图象,不易定位微观形貌在断口中的位置

 

断口的保护

断口保护是断口分析的重要环节。如果断口表面受到破坏或掩盖了断口的原始表面形貌,将直接影响断口分析的质量和准确性甚至会导致错误的结论

在实验室里存放断口时将断口储存在干燥器中或放在含有干燥剂的塑料容器内。对于需长期保存的断口,除与硅胶同装入塑料袋封存外,还常用表面涂层进行保护。表面涂层应既能防腐又易于清洗,常用的有防锈油或丙烯清漆2

常用醋酸纤维素纸(简称塑料纸或AC)来保护断口。先用丙酮软化其,然后将软化的一面压附于断口表面。去除时需将样品放入丙酮中浸泡,然后用毛刷清除,或用超声波清洗

 

 

断口的宏观形貌特征

静载荷下断口的宏观形貌——光滑圆柱试样拉伸断口

光滑圆柱拉伸试样韧性断口,一般纤维区、放射区、剪切唇三个区域组成

裂纹起源于纤维区,并在此区缓慢扩展,达到一定尺寸后,裂纹开始快速扩展(或称失稳扩展)形成放射区,扩展至试样表面附近时,裂尖应力状态由三向应力变为平面应力状态,在表面处形成剪切唇,整个断口呈杯锥状

 

对光滑圆柱试样断口,纤维区往往位于断口中央,呈粗糙纤维状圆环形花样,所在平面垂直于拉应力。细观呈显微空洞和锯齿状形貌,其底部晶粒被拉长如同纤维

纤维区是在切应力作用下,在塑性变形过程中微裂纹不断扩展并连接而形成。纤维区塑性变形较大,断面粗糙不平,对光线的散射能力很强,所以总呈暗灰色

放射区紧接纤维区,有放射花样特征,此时裂纹由缓慢扩展转向快速扩展。放射线平行裂纹扩展方向,并逆指向裂纹源

放射花样是裂纹达临界值后快速低能量撕裂的表现,此时材料宏观塑性变形小,表现为脆性断裂,但在微观局部,仍有较大塑性变形

材料越脆,放射线越细。若材料处于沿晶断裂或解理断裂状态(极脆状态),则放射线消失

 

剪切唇在断裂最后阶段形成,表面平滑,与拉应力呈45度角在此区域裂纹作快速不稳定扩展,但裂尖呈平面应力状态,材料塑性变形量大,属于韧性断裂区

光滑圆柱试样拉伸断口有代表性。但当试样形状、尺寸、材料试验温度、加载速度和受力状态不同时,断口此三区域的形态

大小和相对位置都会发生变化

一般来说,材料强度增加、塑性降低,则放射区比例增大;试样尺寸加大,放射区明显增大,而纤维区变化不大

 

静载荷下断口的宏观形貌——缺口圆柱试样的拉伸断口

缺口不但改变断口各区所占比例,且使裂纹成核位置也发生改变。缺口圆柱试样通常从缺口处成核,最后断裂在心部,且心部断裂区较为粗糙a

由于缺口处应力集中,裂纹在缺口或缺口根部萌生。其纤维区沿圆周分布。裂纹由该处向试样内部扩展。缺口较钝时,裂纹亦可在试样中心萌生

由于缺口处有较大应力集中,剪切唇较难形成,同时裂尖受强烈三向应力约束,常呈脆性断裂

 

静载荷下断口的宏观形貌一形无缺口试样的拉伸断口

由于试样几何形状不同,

其断口有其特征。裂纹源处于试样心部纤维区呈圆形或椭圆形;放射区有人字形"花样,且其顶端指向裂纹源;裂纹沿宽度方向扩展;破坏区为剪切唇

试样厚度对断口形貌有显著影响。厚度减少时,剪切唇所占面积增大,放射区缩小,有时甚至全为剪切唇,此为平面应力所致的切断型断口

人字纹花样是脆性断裂的最主要宏观特征。找出人字纹,即可沿人字纹方向寻找裂纹源。实际机件断口的人字纹并不全是直线状,常是弯曲的

 

 

冲击断口的宏观形貌

般情况下亦有上述三区。缺口处形成裂纹源,然后是纤维区、放射区及剪切唇,剪切唇沿无切口边的其他三侧边分布。纤维区与放射区或剪切唇连接处呈弧形

冲击断口特征:无缺口一侧受压,当受拉应力的放射区进入受压区时其可能消失(压应力阻滞裂纹扩展),而呈现纤维区。若材料塑性好,则放射区消失,断口上只有纤维区和剪切唇

温度显著影响冲击断口形貌。温度越低,纤维区越小,放射区越大,材料由延性转为脆性。此临界温度称为脆性转变温度

 

 

疲劳断口的宏观形貌

典型疲劳断口有三个区:疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区疲劳源是疲劳破坏的起点,一般产生在表面,但如果构件内部存在缺陷,如脆性夹杂物、空洞等,也可在次表面或内部产生该区受反复挤压摩擦,因此光滑细腻

疲劳源数目可为一个,也可为多个,与机件受力模式和应力大小有关。单向弯曲时疲劳源只有一个,双向反复弯曲时则有两个。应力越大,则疲劳源数目越多

 

典型疲劳断口有三个区: 疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区疲劳源是疲劳破坏的起点,一般产生在表面,但如果构件内部存在缺陷,如脆性夹杂物、空洞等,也可在次表面或内部产生

该区受反复挤压摩擦,因此光滑细腻

疲劳源数目可为一个,也可为多个,与机件受力模式和应力大小有关。单向弯曲时疲劳源只有一个,双向反复弯曲时则有两个。应力越大,则疲劳源数目越多

 

瞬断区是疲劳裂纹快速扩展至断裂的区域。裂纹扩至临界值时

将失稳快速扩展,形成瞬断区

瞬断区形貌与拉伸韧性断口相似,中心处为平面应变状态平断口,与扩展区在同一个平面;边缘处为平面应力状态剪切唇

韧性材料的瞬断区为纤维状、暗灰色;脆性材料则为结晶状

三区共存是高周疲劳宏观断口的典型情况。但有时由于加载条件、材料性能等原因,疲劳断口上的某些区域可能很小,甚至消失,因此需仔细判断分析,不可绝对化

 

沿晶断裂的宏观特征

晶界使材料强化,但在某些情况下,晶界被弱化,裂纹沿晶界扩展,导致沿晶断裂。属于脆性断裂,断口常呈冰糖状"

沿晶断裂总是与材料的某些性能明显降低(、等)相关联

沿晶断裂一般与热处理、外界环境及应力状态有关。热处理引起过热脆断和回火脆断;腐蚀环境引起应力腐蚀与氢脆;高温及应力共同作用引起蠕变脆断

 

实际构件断口的宏观分析

实际机件受力复杂,断裂很多,因此宏观断口形貌也较复杂,需多角度观察断口特征形貌,并综合分析

譬如,在交变应力作用下会产生疲劳断裂,宏观断口上常围绕疲劳源区形成一些同心圆,称为“ 贝纹线"主要宏观特征。又如,由于氢分子聚合而造成的氢脆,在宏观,它是疲劳断口的断口上出现雪片状的白点35

在观察宏观断口时,应首先寻找这些特征,以确定断裂性质

 

实际构件断口的宏观分析——断口特征判据

断口是否存在放射花样或人字纹断口是否存在弧形迹线

断口粗糙程度

断口的光泽与颜色

断口与最大正应力的交角

实际构件断口的宏观分析-裂纹源的确定

圆形截面断口,其纤维区常是裂纹源位置;放射花样逆指向裂纹源,其裂纹源总在最内层的中心区

矩形或板状断口,顺着人字纹顶尖方向或放射花样逆向追溯到裂纹源

缺口试样断口,裂纹源产生于缺口根部,而且呈现多源

疲劳断口裂纹源起始于缺口、沟槽、孔角、夹杂、空洞等应力集中处。经表面强化或其他镀层处理,裂纹源会出现在材料次表面上。沿贝纹线和放射花样逆向可找到疲劳源

 

 

疲劳断裂的微观形貌特征

疲劳裂纹扩展断口的微观形貌特征

疲劳裂纹扩展分二个阶段。第 I 阶段:疲劳裂纹在试样表面的

滑移带或缺陷处形核,沿主滑移面 (最大切应力方向) 向金属内部扩展,扩展方向与正应力呈45

I阶段:裂纹在第 I阶段扩展一定距离后(10-1毫米级),将沿与正应力垂直方向扩展,此时正应力影响裂纹的扩展

I 阶段的微观形貌与特征 : 类似于解理断裂的河流、台阶舌状等花样 ;滑移线是第 I 阶段断口的重要特征

II阶段断口微观特征是疲劳条带,需在高倍显微镜下观察

若发现疲劳条带,可判断为疲劳断裂;但若未发现疲劳条带则不能断定不是疲劳断口。材料等因素影响其形态。铝合金碳钢的疲劳条带较明显,超高强度钢则不明显

每一疲劳条带代表一次载荷循环,表示载荷循环下的裂尖位置在数量上与循环次数相等。疲劳条带间距是应力强度因子范围的函数,随的增加而增加

疲劳条带形成的必要条件是疲劳裂纹顶端必须处于张开型的平面应变状态,所以只有当疲劳断口与应力垂直时才能观察到

 

 

近门槛值扩展区的断口形貌

近门槛值扩展区的裂纹扩展速率为10-7mm/周,其行为对力学材料和环境等因素很敏感

近门槛区存在明显磨蚀氧化沉积物,且随应力比增加,氧化膜厚度减小。近门槛区断口表面光滑细腻,并显示磨蚀和氧化物的痕迹

近门槛区断口的微观形貌特征是存在一定数量的解理小刻面穿晶和沿晶小刻面均可出现

低周疲劳的断口形貌

低周疲劳断口为多疲劳源,且源区放射状棱线多;断口粗糙台阶高度差大;疲劳条带间距大;瞬断区面积大

低周疲劳微观形貌,随应力幅不同而不同。若应力幅高,则易出现静载断裂机制,有韧窝产生;若应力幅不高,有疲劳条带

试验温度较高且应力幅较大时出现沿晶断,断口呈疲劳条纹条带与沿晶断口共存特征

 

 

腐蚀疲劳的断口形貌特征

腐蚀疲劳是交变应力与腐蚀介质共同作用的结果。断口宏观形貌:颜色灰暗,无金属光泽;严重时有腐蚀坑或氧化沉积物裂纹源位于腐蚀损伤处,如腐蚀坑、腐蚀斑

微观形貌是沿晶断裂特征。裂纹扩展区有明显腐蚀特征,如腐蚀坑、干涸状花样等


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