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如何進行斷口分析儀

更新時間:2023-04-24      點擊次數:486

斷口分析儀內容

零件斷裂后的自然表面稱為斷口,斷口一般是材料中性能最弱或應力最大的部位,

斷口分析是通過宏、微觀分析手段,對斷口形貌進行觀測分析,了解斷裂模式及特征,分析斷裂機理及與材料性能的關系

斷口根據分析手段不同分為宏觀斷口與微觀斷口。前者反映斷口全貌,后者揭示斷口本質,各有特點,互為配合

 

斷口顏色

依斷口有無氧化色彩判斷機件服役溫度高低;有無腐蝕產物特殊色彩判斷腐蝕類型和程度;有無冶金夾雜物的特殊色彩判斷冶金因素的作用:疲勞斷口各區光亮程度,判斷疲勞源位置

斷口粗糙度

依斷口粗糙度判斷機件的受力大小、定性評定材料的晶粒大小及裂紋擴展速率;斷口上的反光小刻面及數量,可判斷材料冶金質量、雜質相的多少

斷口花紋

依斷口上的疲勞弧線,判斷其為疲勞斷口;疲勞斷口有無臺階可判斷交變應力大小;放射狀的撕裂棱或人字紋花樣,判斷脆性材料或高速加載;纖維狀或長毛絨狀花樣,判斷延性斷裂

 

 

斷口邊緣特征

從斷口邊緣特征可判斷疲勞源位置;從斷口唇邊情況,可判斷機件應力狀態;從唇邊大小,可判斷材料塑性變形程度

斷口的位置

依斷口在構件中的斷裂位置,結合受力形式、應力集中程度及環境特征等,可分析斷裂的性質和原因

微觀斷裂形貌與特征

主要微觀形貌包括:韌窩形狀和大小、解理臺階、河流花樣、滑移帶疲勞條帶數量和寬度、氧化物性質及厚度、夾雜物形狀和尺寸、晶粒尺寸等

 

斷口分析的基本方法:

宏觀斷口分析方法

用肉眼、放大鏡、低倍顯微專用斷口分析設備,通過觀察斷口表面的顏色、粗糙度、宏觀形貌和宏觀變形痕跡等,來確定斷裂性質、斷裂源位置、裂紋擴展過程和方向、受力狀態和環境介質作用等情況,從而初步分析斷裂的性質及原因

使用低倍顯微鏡 (1~100X) 等低倍設備,觀察整個斷口的宏觀形貌特征,為放大觀察和深入分析提供線索

宏觀斷口分析時,為獲得良好效果,拍照時多采用單光源斜照明,傾斜角約為30~45度。為防止斷口凸凹懸殊處明暗反差太大產生失真,可增加亮度較低的附助光源

 

微觀斷口分析方法

光學顯微鏡主要用于觀察斷口的形貌特征、局部的微觀形貌斷口剖面特征等。由于其放大倍數和景深有限,且斷口本身又極為不平整,有時難以獲得良好觀測效果

掃描電子顯微鏡(SEM有以下優點: (1) 聚焦景深大,對粗糙樣品依然可獲清晰圖像;(2) 放大倍數可在幾倍到十萬倍間連續觀察;(3) 可觀察三維特征,圖象清晰、立體感強;(4) 樣品制備簡單,直接觀察,不需制作復型;(5) 與能譜儀配合可定量探測樣品表面微區元素種類和含量; (6) 分辨率高

透射電子顯微鏡(TEMD的優點:分辨率比SEM高,配有X射線能譜的TEM不僅能觀察斷口形貌細節,且可確定斷口上第二相質點的成分和結構。缺點是不能直接觀察斷口,需制取復型:不能到連續圖象,不易定位微觀形貌在斷口中的位置

 

斷口的保護

斷口保護是斷口分析的重要環節。如果斷口表面受到破壞或掩蓋了斷口的原始表面形貌,將直接影響斷口分析的質量和準確性甚至會導致錯誤的結論

在實驗室里存放斷口時將斷口儲存在干燥器中或放在含有干燥劑的塑料容器內。對于需長期保存的斷口,除與硅膠同裝入塑料袋封存外,還常用表面涂層進行保護。表面涂層應既能防腐又易于清洗,常用的有防銹油或丙烯清漆2

常用醋酸纖維素紙(簡稱塑料紙或AC)來保護斷口。先用丙酮軟化其,然后將軟化的一面壓附于斷口表面。去除時需將樣品放入丙酮中浸泡,然后用毛刷清除,或用超聲波清洗

 

 

斷口的宏觀形貌特征

靜載荷下斷口的宏觀形貌——光滑圓柱試樣拉伸斷口

光滑圓柱拉伸試樣韌性斷口,一般纖維區、放射區、剪切唇三個區域組成

裂紋起源于纖維區,并在此區緩慢擴展,達到一定尺寸后,裂紋開始快速擴展(或稱失穩擴展)形成放射區,擴展至試樣表面附近時,裂尖應力狀態由三向應力變為平面應力狀態,在表面處形成剪切唇,整個斷口呈杯錐狀

 

對光滑圓柱試樣斷口,纖維區往往位于斷口中央,呈粗糙纖維狀圓環形花樣,所在平面垂直于拉應力。細觀呈顯微空洞和鋸齒狀形貌,其底部晶粒被拉長如同纖維

纖維區是在切應力作用下,在塑性變形過程中微裂紋不斷擴展并連接而形成。纖維區塑性變形較大,斷面粗糙不平,對光線的散射能力很強,所以總呈暗灰色

放射區緊接纖維區,有放射花樣特征,此時裂紋由緩慢擴展轉向快速擴展。放射線平行裂紋擴展方向,并逆指向裂紋源

放射花樣是裂紋達臨界值后快速低能量撕裂的表現,此時材料宏觀塑性變形小,表現為脆性斷裂,但在微觀局部,仍有較大塑性變形

材料越脆,放射線越細。若材料處于沿晶斷裂或解理斷裂狀態(極脆狀態),則放射線消失

 

剪切唇在斷裂最后階段形成,表面平滑,與拉應力呈45度角在此區域裂紋作快速不穩定擴展,但裂尖呈平面應力狀態,材料塑性變形量大,屬于韌性斷裂區

光滑圓柱試樣拉伸斷口有代表性。但當試樣形狀、尺寸、材料試驗溫度、加載速度和受力狀態不同時,斷口此三區域的形態

大小和相對位置都會發生變化

一般來說,材料強度增加、塑性降低,則放射區比例增大;試樣尺寸加大,放射區明顯增大,而纖維區變化不大

 

靜載荷下斷口的宏觀形貌——缺口圓柱試樣的拉伸斷口

缺口不但改變斷口各區所占比例,且使裂紋成核位置也發生改變。缺口圓柱試樣通常從缺口處成核,最后斷裂在心部,且心部斷裂區較為粗糙a

由于缺口處應力集中,裂紋在缺口或缺口根部萌生。其纖維區沿圓周分布。裂紋由該處向試樣內部擴展。缺口較鈍時,裂紋亦可在試樣中心萌生

由于缺口處有較大應力集中,剪切唇較難形成,同時裂尖受強烈三向應力約束,常呈脆性斷裂

 

靜載荷下斷口的宏觀形貌一形無缺口試樣的拉伸斷口

由于試樣幾何形狀不同,

其斷口有其特征。裂紋源處于試樣心部纖維區呈圓形或橢圓形;放射區有人字形"花樣,且其頂端指向裂紋源;裂紋沿寬度方向擴展;破壞區為剪切唇

試樣厚度對斷口形貌有顯著影響。厚度減少時,剪切唇所占面積增大,放射區縮小,有時甚至全為剪切唇,此為平面應力所致的切斷型斷口

人字紋花樣是脆性斷裂的最主要宏觀特征。找出人字紋,即可沿人字紋方向尋找裂紋源。實際機件斷口的人字紋并不全是直線狀,常是彎曲的

 

 

沖擊斷口的宏觀形貌

般情況下亦有上述三區。缺口處形成裂紋源,然后是纖維區、放射區及剪切唇,剪切唇沿無切口邊的其他三側邊分布。纖維區與放射區或剪切唇連接處呈弧形

沖擊斷口特征:無缺口一側受壓,當受拉應力的放射區進入受壓區時其可能消失(壓應力阻滯裂紋擴展),而呈現纖維區。若材料塑性好,則放射區消失,斷口上只有纖維區和剪切唇

溫度顯著影響沖擊斷口形貌。溫度越低,纖維區越小,放射區越大,材料由延性轉為脆性。此臨界溫度稱為脆性轉變溫度

 

 

疲勞斷口的宏觀形貌

典型疲勞斷口有三個區:疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區疲勞源是疲勞破壞的起點,一般產生在表面,但如果構件內部存在缺陷,如脆性夾雜物、空洞等,也可在次表面或內部產生該區受反復擠壓摩擦,因此光滑細膩

疲勞源數目可為一個,也可為多個,與機件受力模式和應力大小有關。單向彎曲時疲勞源只有一個,雙向反復彎曲時則有兩個。應力越大,則疲勞源數目越多

 

典型疲勞斷口有三個區: 疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區疲勞源是疲勞破壞的起點,一般產生在表面,但如果構件內部存在缺陷,如脆性夾雜物、空洞等,也可在次表面或內部產生

該區受反復擠壓摩擦,因此光滑細膩

疲勞源數目可為一個,也可為多個,與機件受力模式和應力大小有關。單向彎曲時疲勞源只有一個,雙向反復彎曲時則有兩個。應力越大,則疲勞源數目越多

 

瞬斷區是疲勞裂紋快速擴展至斷裂的區域。裂紋擴至臨界值時

將失穩快速擴展,形成瞬斷區

瞬斷區形貌與拉伸韌性斷口相似,中心處為平面應變狀態平斷口,與擴展區在同一個平面;邊緣處為平面應力狀態剪切唇

韌性材料的瞬斷區為纖維狀、暗灰色;脆性材料則為結晶狀

三區共存是高周疲勞宏觀斷口的典型情況。但有時由于加載條件、材料性能等原因,疲勞斷口上的某些區域可能很小,甚至消失,因此需仔細判斷分析,不可絕對化

 

沿晶斷裂的宏觀特征

晶界使材料強化,但在某些情況下,晶界被弱化,裂紋沿晶界擴展,導致沿晶斷裂。屬于脆性斷裂,斷口常呈冰糖狀"

沿晶斷裂總是與材料的某些性能明顯降低(、等)相關聯

沿晶斷裂一般與熱處理、外界環境及應力狀態有關。熱處理引起過熱脆斷和回火脆斷;腐蝕環境引起應力腐蝕與氫脆;高溫及應力共同作用引起蠕變脆斷

 

實際構件斷口的宏觀分析

實際機件受力復雜,斷裂很多,因此宏觀斷口形貌也較復雜,需多角度觀察斷口特征形貌,并綜合分析

譬如,在交變應力作用下會產生疲勞斷裂,宏觀斷口上常圍繞疲勞源區形成一些同心圓,稱為“ 貝紋線"主要宏觀特征。又如,由于氫分子聚合而造成的氫脆,在宏觀,它是疲勞斷口的斷口上出現雪片狀的白點35

在觀察宏觀斷口時,應首先尋找這些特征,以確定斷裂性質

 

實際構件斷口的宏觀分析——斷口特征判據

斷口是否存在放射花樣或人字紋斷口是否存在弧形跡線

斷口粗糙程度

斷口的光澤與顏色

斷口與最大正應力的交角

實際構件斷口的宏觀分析-裂紋源的確定

圓形截面斷口,其纖維區常是裂紋源位置;放射花樣逆指向裂紋源,其裂紋源總在最內層的中心區

矩形或板狀斷口,順著人字紋頂尖方向或放射花樣逆向追溯到裂紋源

缺口試樣斷口,裂紋源產生于缺口根部,而且呈現多源

疲勞斷口裂紋源起始于缺口、溝槽、孔角、夾雜、空洞等應力集中處。經表面強化或其他鍍層處理,裂紋源會出現在材料次表面上。沿貝紋線和放射花樣逆向可找到疲勞源

 

 

疲勞斷裂的微觀形貌特征

疲勞裂紋擴展斷口的微觀形貌特征

疲勞裂紋擴展分二個階段。第 I 階段:疲勞裂紋在試樣表面的

滑移帶或缺陷處形核,沿主滑移面 (最大切應力方向) 向金屬內部擴展,擴展方向與正應力呈45

I階段:裂紋在第 I階段擴展一定距離后(10-1毫米級),將沿與正應力垂直方向擴展,此時正應力影響裂紋的擴展

I 階段的微觀形貌與特征 : 類似于解理斷裂的河流、臺階舌狀等花樣 ;滑移線是第 I 階段斷口的重要特征

II階段斷口微觀特征是疲勞條帶,需在高倍顯微鏡下觀察

若發現疲勞條帶,可判斷為疲勞斷裂;但若未發現疲勞條帶則不能斷定不是疲勞斷口。材料等因素影響其形態。鋁合金碳鋼的疲勞條帶較明顯,超高強度鋼則不明顯

每一疲勞條帶代表一次載荷循環,表示載荷循環下的裂尖位置在數量上與循環次數相等。疲勞條帶間距是應力強度因子范圍的函數,隨的增加而增加

疲勞條帶形成的必要條件是疲勞裂紋頂端必須處于張開型的平面應變狀態,所以只有當疲勞斷口與應力垂直時才能觀察到

 

 

近門檻值擴展區的斷口形貌

近門檻值擴展區的裂紋擴展速率為10-7mm/周,其行為對力學材料和環境等因素很敏感

近門檻區存在明顯磨蝕氧化沉積物,且隨應力比增加,氧化膜厚度減小。近門檻區斷口表面光滑細膩,并顯示磨蝕和氧化物的痕跡

近門檻區斷口的微觀形貌特征是存在一定數量的解理小刻面穿晶和沿晶小刻面均可出現

低周疲勞的斷口形貌

低周疲勞斷口為多疲勞源,且源區放射狀棱線多;斷口粗糙臺階高度差大;疲勞條帶間距大;瞬斷區面積大

低周疲勞微觀形貌,隨應力幅不同而不同。若應力幅高,則易出現靜載斷裂機制,有韌窩產生;若應力幅不高,有疲勞條帶

試驗溫度較高且應力幅較大時出現沿晶斷,斷口呈疲勞條紋條帶與沿晶斷口共存特征

 

 

腐蝕疲勞的斷口形貌特征

腐蝕疲勞是交變應力與腐蝕介質共同作用的結果。斷口宏觀形貌:顏色灰暗,無金屬光澤;嚴重時有腐蝕坑或氧化沉積物裂紋源位于腐蝕損傷處,如腐蝕坑、腐蝕斑

微觀形貌是沿晶斷裂特征。裂紋擴展區有明顯腐蝕特征,如腐蝕坑、干涸狀花樣等


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