基本介紹
金屬材料在應力作用下產生分離，變為兩個或者多個不相連部分，在斷裂處暴露的自然表面成為斷口。金屬斷口分析是研究金屬材料如何發生斷口樣式的損壞的，從材質、制造方法、形狀、使用狀況等各種角度進行考察，推測主因。斷口分析是一門系統工程，在實際工作中，主要考慮材料所處的應力、腐蝕等環境。一般情況下,應遵循實事求是的原則，以客觀性為準則，觀察時，遵循先宏觀后微觀、先低倍后高倍、先全局后局部的原則。
金屬斷裂過程
裂紋萌生-裂紋擴展-斷裂。金屬構件可能在制造、成形或使用階段的啟裂、萌生裂紋，受不同的環境因素及承載狀態的影響而使裂紋擴展直至斷裂。
分析方法
金屬材料斷口分析方法主要有2種：宏觀觀察和圍觀觀察。
1、宏觀觀察
通過肉眼、低倍率放大鏡或立體顯微鏡等進行分析。在發生破損的現場簡單易行的方法，在根據破壞種類和有無貝紋線等來區分大致原因時使用。宏觀觀察是指用肉眼、放大鏡、低倍率的光學顯微鏡來觀察斷口的表面形貌。通過宏觀觀察收集斷口上的宏觀信息，則可初步確定斷裂的性質，可以分析裂源的位置和裂紋擴展方向，依據斷口的宏觀形貌,初步確定失效模式和斷裂起裂點,為深入分析和判明失效原因提供依據。但是，僅通過宏觀觀察無法詳細調查是如何破損的。
2、微觀觀察
（微觀觀察成像）
微觀觀察是使用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）等，通過斷裂面的組織觀察來調查微觀特征。通過捕捉韌窩和條紋圖案等各種各樣的斷裂面特征，可以詳細調查破壞樣式。斷口微觀觀察包括斷口表面的直接觀察及斷口剖面的觀察，微觀觀察是用顯微鏡對斷口進行高放大倍率的觀察，一般采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS),初步觀察斷口的微觀形態、確定材料成分,為后續所需的深度分析比如表面分析指明方向,厘清失效機理,查明失效原因。通過微觀觀察進一步核實宏觀觀察收集的信息，確定斷裂的性質、裂源的位置及裂紋走向、擴展速度，找出斷裂原因及機理等。
（電子顯微鏡/SEM））
分析流程
1、斷口的準備和清理
斷口及其形貌一定保存完整,這對下一步的分析至關重要。一般情況下,利用鋸、切割機等設備對斷口試樣進行取樣。切割時,一定要保證斷口形貌信息未受破壞,尤其是注意切割時產生的高溫影響斷口處的組織和機構,從而影響分析結果。
一般情況下,材料在斷裂失效過程中,斷口不可避免地會受到其他零件的機械損傷、化學損傷和污染。為了能夠更科學地析材料的斷口,需要對斷口進行深入的清理。
2、材料斷口成分分析
斷口處成分分析對斷口分析至關重要,尤其是腐蝕、夾雜、非金屬氧化物等因素造成的斷裂。斷口處成分分析一般是成分定量分析,通常是指斷口表面的平均化學成分、微區成分、元素的面分布及線分布、元素沿深度的變化、夾雜物及其他缺陷的化學元素比等參數進行分析和表征。這方面分析所用的實驗設備較多,例如:離子探針、俄歇電子譜儀、電子探針、ⅹ射線能譜儀、X射線波譜儀等。
3、材料斷口結構分析
斷口表面結構分析主要是斷口所在面的晶面指數、斷口表面微區的結構和殘余應力,這方面分析所用的實驗設備主要有X射線衍射儀。分析的主要內容是點陣常數的測定、物相分析以及應力測定。
金屬斷裂面破壞樣式
破壞樣式（破壞形態）分為“延性（塑性）破壞”、“脆性破壞”、“疲勞破壞”和“環境破壞”。通過分別進行宏觀觀察和微觀觀察，可以觀察斷裂面的特征，調查破損原因。下面對各種破壞樣式的概要和斷裂面的要點進行說明。金屬斷裂面破壞樣式一般分為4種：延性破壞（塑性破壞）、脆性破壞、疲勞破壞、環境破壞。
（1）延性破壞（塑性破壞）
延性（塑性）破壞是在許多金屬材料中都能看到的破壞樣式，在破壞之前，能看到伸長和頸縮等大的變形。在組織觀察中，可以看到以下特征和詳細的破壞樣式。
斷裂面的特征
·宏觀觀察：
剪切唇（剪切破壞、最終斷裂部）、微弱的灰白色
·微觀觀察：
等軸韌窩（拉伸破壞）、伸長韌窩（剪切破壞）、波紋圖案（滑移面破壞）
（2）脆性破壞：
脆性破壞是指幾乎看不到塑性變形，裂紋高速傳播的破壞。裂紋傳播時，斷裂面周邊不伴隨塑性變形。一般很多鋼鐵材料會在通常使用過程中受到脆性破壞。這種斷裂面多數情況下是由“準解離斷裂面”構成的，在大型調質鋼和零下幾十攝氏度環境中的一般結構用鋼等中都能看到。
斷裂面的特征
·宏觀觀察：
銀白色的耀眼反射、人字紋（山形花紋：穿晶型急速破壞）、裂紋的擴展方向呈放射狀線條
·微觀觀察：
準解離斷口、河流花樣、結晶狀斷口、復雜斷口
（3）疲勞破壞
疲勞破壞是指反復受到荷載后，裂紋逐漸擴展的破壞，據說機械構造物的破壞樣式有七成以上是這種疲勞破壞。
破損材料的外觀因為看不到伸長和頸縮，所以看起來像脆性破壞，但在微觀觀察中，可見明顯塑性變形。
與其他破壞樣式相比，斷裂面多平滑，可以看到“貝紋線（貝殼狀圖案）”這一宏觀特征。通過貝紋線的樣態可以知道破壞開始的部位和裂紋的擴展方向。
此外，“條紋”圖案是具有代表性的微觀特征。與裂紋擴展方向垂直的條紋圖案，據說容易在鋁合金和銅合金等中產生，不容易在鐵系合金中產生。
斷裂面的特征
·宏觀觀察：
貝紋線（貝殼狀圖案）、棘輪花樣（多個應力集中處）、魚眼（破壞的起點）、裂紋的擴展方向呈放射狀線條。
·微觀觀察：
條紋（與應力循環對應）、條紋狀圖案（不與應力循環對應）、二次裂紋、擦痕或無特征斷口。
（4）環境破壞
環境破壞是指腐蝕性環境導致裂紋擴展而產生的破壞。因此，外部應力極小時也會產生破壞。
代表性的環境破壞有“氫脆性”和“應力腐蝕開裂”。
<1>氫脆性
也稱“延遲破壞”，多見于鋼鐵材料。由于氫侵入材料而導致脆化的現象，代表性案例有在焊接、電鍍等部件的制造工序中有氫侵入，以及由于使用環境中的腐蝕反應而侵入。
<2>應力腐蝕開裂
多發生于以奧氏體不銹鋼為材料的事故中。特別是在有C1-離子的使用環境中多會發生穿晶型破壞，而除了不銹鋼以外，純銅、黃銅、鋁合金等會發生沿晶型破壞。
斷裂面的特征
◆氫脆性
·宏觀分析
銀白色的耀眼反射
·微觀分析
結晶狀斷裂面、發紋
◆應力腐蝕開裂
·宏觀分析
部分反射、生銹變色
·微觀分析
結晶狀斷口、羽毛狀花紋
◆高溫破壞
·宏觀分析
ー
·微觀分析
結晶狀斷口、韌窩、縮孔
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