失效案例分析

摘 要:简要介绍了失效分析技术——痕迹分析技术、裂纹分析技术和 断口分析技术等的基本概念、主要内容、一般程序和基本方法,以及 它们在工程失效分析中的应用。 关键词:失效分析技术;痕迹分析技术;裂纹分析技术;断口分析技术 失效分析是一门系统工程,其中的分析技术是其理论和实践基础。失 效分析技术主要包括痕迹分析技术、裂纹分析技术和断口分析技术等 相关内容。 1 痕迹分析技术[1,2] 痕迹分析是失效分析中常用的一种分析方法和技术。通过痕迹分 析,不仅可对事故和失效的发生、发展过程做出判断,而且可为事故和 失效分析结论提供可靠的佐证和依据。 1.1 痕迹及痕迹分析概念 广义地说,痕迹是指环境作用于系统,在系统面留下的标记。在 机械失效中,系统指的是失效的构件或零件,而环境则是指外来的力 学、化学、热学、电学等因素。因此,对机械失效,痕迹可定义为力学、 化学、热学、电学等环境因素单独地或协同地作用于机械,并在其表 面或表面层留下的损伤性标记。 在失效分析范畴,痕迹的具体含义是指:痕迹的形貌(或称花样);痕 迹区、污染物及反应产物的化学成分;痕迹颜色的种类、色度、分布 和反光等;痕迹区材料的组织和结构;痕迹区的表面性能;痕迹区的残 余应力分布;从痕迹区散发出来的各种气味;痕迹区的电荷分布和磁 性等。痕迹分析即是对失效件的上述特征的变化进行鉴别,并找出其 变化原因,为失效分析提供线索和依据的技术活动。 1.2 痕迹分析程序 在一般情况下,痕迹分析应按如下程序进行。 (1)发现和显现痕迹 这是痕迹分析的前提和基础。应以现场为起 点,先收集能反应整体破坏顺序的痕迹,后收集具体零部件外部的痕 迹,再收集零部件之间的痕迹,最后搜集污染物和分离物。 (2)提取、固定、显现、清洗、记录和保存痕迹方法有复印、制模 法、静电法和 AC 纸粘附法等。痕迹的记录可以用文字、示意图和照 片。 (3)鉴定痕迹 对具体的痕迹特征进行针对性检验,从而确定痕迹 的性质、产生的时间和条件。鉴定时,应按由表及里、由简而繁、先 宏观后微观、先定性后定量,按形貌 2 组织结构 2 性能的顺序进行。 (4)模拟再现痕迹 必要时可在产品上进行,拆检同型号的、已使用 过的产品的相应痕迹加以对比是一种更真实的“试验”。 (5)综合分析 痕迹分析需综合考虑形成痕迹的过程、条件和影响 因素,痕迹的可变性及与零件工作、失效的关系等,以确定痕迹的性质 和原因。 1.3 痕迹的发现和显现技术 痕迹的发现和显现就是将隐藏的、不明显的痕迹特征揭示出来,以 确定痕迹的分布及其规律,为进一步的痕迹性质鉴定提供目标。 痕迹是一种表面特征,寻找痕迹应在零部件的表面进行,并根据地 点、机件等不同采取相应的方法。对大的机件,如飞机、汽车等,应着 重从零部件的表面颜色变化、表面结构轮廓变化、形貌变化等肉眼易 见的特征上来发现痕迹;当零部件较小时,在实验室借助一定的仪器 设备来进行的同时,应在以上检查的基础上,重点从粗糙度变化、细小 附着物、擦痕、划痕、材料成分和组织等方面来发现痕迹。 1.4 痕迹的提取、固定、清洗、记录和保存技术 为了得到痕迹的准确信息,需对痕迹进行清理,以去除保护涂层、腐 蚀产物和灰尘之类的松散沉积物。常用的清理技术有机械刷洗法、有 机溶剂清洗法、弱酸或碱性溶液处理法和超声清洗法。 1.5 痕迹的鉴定 1.5.1 痕迹的形貌鉴定 痕迹的形貌鉴定是痕迹分析的关键。应首先通过肉眼观察确定痕 迹的整体分布特征与规律,然后以有代表性的局部痕迹来重点分析痕 迹的性质。 (1)痕迹的形成要素和分类 一般来说,形成痕迹包含三个基本要 素:①造痕物,即痕迹的制造者,是直接接触并作用于机械表面的物体 或介质。②留痕物,即造痕物作用的对象,一般指机械表面。造痕物与 留痕物是相对的,有时在两个匹配的接触面都会留下痕迹。③造痕物 和留痕物发生相互接触或非正常作用。 图 1 示出了痕迹的形成原理。当造痕物与留痕物发生相互接触或作用, 痕迹就会形成。对机械痕迹,造痕物与留痕物之间的这种作用就是力, 而且一般为压应力。根据痕迹形成的机理和条件的不同,可将机械失 效中的痕迹分为机械接触痕迹、腐蚀痕迹、电侵蚀痕迹、污染痕迹、 分离物痕迹、热损伤痕迹和加工痕迹等七类。 图 1 痕迹的形成 (2)机械接触痕迹 由于机械力的作用而在接触部位留下的痕迹称 为机械接触痕迹,简称机械痕迹。依据接触方式和相对机械运动方式 的不同,机械痕迹又可分成如下五种。 ①压入性机械痕迹 简称压痕,是造痕物压入留痕物,在接触面留下 的痕迹。典型形貌是压坑、压伤、压陷和压痕,如压入法测量金属硬 度时在金属表面留下的各种的印痕,在零件表面敲上的钢印编 号、标记等。压痕一般具有如下特征:形貌规则,边界清晰,与造痕物 接触部位的形状吻合;在垂直表面的方向上变形最大;面积大小和深 度与作用在压头上的法向载荷成正比、与压头的接触面积成反比;保 载时间越长,压痕越大;不会产生磨粒,很少有材料粘着和转移;材料不 同,压痕也不相同。图 2 是导致飞机座舱抛盖活门薄膜破裂的压痕形 貌,其形状规则,底部减薄最大、边缘隆起、边缘至底部均匀过渡,为典 型的容积形压坑。 图 2 飞机座舱抛盖活门薄膜表面压痕 通过压痕分析,一般可确定发生事故(或故障)时机件之间相对工作 位置、仪表指示位置、是否存在外来物,以及失效件解体顺序等失效 信息。 ②撞击性机械痕迹 撞击性机械痕迹的机械力作用时间很短,变形 速度大,接触面之间以垂直接触面方向的相对运动为主。如飞机坠毁 时的接地痕迹等。撞击性机械痕迹可分为外物打伤痕迹、多次撞击表 面疲劳痕迹和冲蚀损伤痕迹三种。 ③滑动性机械痕迹 又称摩擦痕迹,是在摩擦过程中形成的痕迹,如 机械表面的各种划痕、磨痕、刮痕等,是机械表面最常见的机械痕迹。 根据其形成机理和特征,可分为犁痕(即划痕)、粘着痕迹、摩擦疲劳 痕迹和摩擦腐蚀痕迹等四类。犁痕是其中最常见的一种,也是整个机 械痕迹中较常见的一种痕迹,准确判断其形成的条件、方向和机理对 诊断整个事故或失效的形成过程和原因具有重要的意义。一般需从犁 痕的起始、末端、沟边和沟底四个部位的宏观、微观特征来对犁痕进 行鉴别,其中特别要注意细微形貌和材料转移特征。犁痕的方向,一般 可根据以下特点来鉴别: (a)直接犁入的犁痕,起点处不但没有材料堆积,而且往往出现凹陷, 如图 3 左边所示。 图 3 犁痕方向的判断 (b)如果先形成压印痕,再发展成划痕,则起点处会留下压印痕的特 征。 (c)一次性的划痕,结尾往往带有突然性,在犁痕的末端有比较明显 的材料堆积,如图 4 所示。 图 4 犁痕末端材料堆积 (d)当划痕途经表面凹凸处时,会在凸起前缘形成材料碎渣的堆积, 如图 5 所示。 (e)一般金属材料向犁沟外侧的两边翻起,翻起的金属毛刺的倾斜 方向为表面犁沟的形成方向。图 3 中犁痕的方向为从左向右,两侧的 金属毛刺呈约 30°的方向向右倾斜,指示了犁痕的形成方向。 图 5 材料碎渣在表面凸起处堆积 (f)撞击型的犁痕,由于造痕物对留痕物的作用力逐渐减小,因此, 划痕宽度会由粗变细,深度会由深变浅,材料转移会由多变少;犁痕的 宏观形状呈收敛形,收敛的方向就是犁痕的形成方向。 ④滚动性机械痕迹 工程上所说的滚动性机械痕迹,实际上都是滚 压或滚滑性机械痕迹,简称为滚动痕迹。如各种轮胎滚压痕迹和履带 滚压痕迹,滚动接触疲劳痕迹等。 ⑤微动性机械痕迹 微动就是名义上相对静止的两个固体,其相互 接触的表面在法向压力作用下互相挤压并产生往复的相对滑动。相对 滑动幅度在 5～400μm。微动性损伤有微动疲劳、微动磨损和微动 腐蚀等。 (3)腐蚀痕迹 金属腐蚀是指金属与周围介质发生化学或电化学作 用,导致金属损伤的各种转变过程。金属腐蚀必有腐蚀产物出现。腐 蚀经常与其它失效形式协同作用,产生更为严重的复合失效形式,如 腐蚀磨损、腐蚀疲劳、热腐蚀和应力腐蚀等。 零件是否发生了腐蚀,可以从表面颜色、形貌、表面层化学成分、 物资结构等是否有变化和导电、导热、表面电阻等表面性能的变化等 方面来鉴别。如钢和铸铁,腐蚀开始时金属表面颜色发暗,腐蚀轻时呈 暗灰色,进一步发展会变为褐色或棕黄色,严重腐蚀呈棕色或褐色疤 痕甚至锈坑。 (4)污染痕迹 各种污染物附着在表面而留下的痕迹成为污染痕 迹。污染痕迹分析的内容很多、范围很广,除常规的各种理化检验方 法外,主要还有气氛分析、油液分析、腐蚀产物分析和磨粒分析。 (5)分离物痕迹 分离物主要是指接触面在物理、化学作用下从接 触面上脱落下来的颗粒。最常见的分离物有磨屑、腐蚀产物、毛刺、 剥落的涂层、镀层、烧熔溅痕等。分离物痕迹分析主要是指分离物本 身的形貌、成分、结构、颜色和磁性等方面的分析。 (6)热损伤痕迹 在热能作用下,接触部位发生局部不均匀的温度 变化而在表层留下的痕迹称为热损伤痕迹。表面层局部过热、过烧、 熔化、烧穿,漆层及非金属表面烧焦都会留下热损伤痕迹。热损伤痕 迹一般可从颜色的变化,表面层成分、结构的变化,显微组织的变化, 表面性能的改变,形貌特征等五方面进行分析。如不锈钢,在 430～ 480℃开始变色,随温度上升,颜色从黄褐色变为淡蓝色、蓝色和黑色。 (7)电损伤痕迹 包括电侵蚀(电腐蚀)和静电损伤两大类。 ①电侵蚀,其痕迹主要有电蚀坑、金属熔球、金属转移等。电侵蚀 的主要危害是使电路工作不稳定、电路元件烧毁、引起火灾。如,一 飞机的左操作台起火,原因是开关内部电弧引起。 ②静电放电痕迹,由于静电放电现象而在放电部位留下的痕迹称为 静电放电痕迹。其主要宏观特征是放电过程中形成的碳及碳化物,使 放电部位的表面颜色发黄、发灰或发黑。局部的高温熔融,使放电部 位表面颜色变成深蓝。放电过程中,放电体上会形成类似于火山口状 的“火花放电微坑”。 (8)与裂纹源有关的痕迹 与裂纹源有关的痕迹很多,概括起来主 要有冶金夹渣、挤压裂口、加工痕迹、电笔烙印、钎焊沿晶氧化微裂 纹、焊接冷裂纹等 6 种。 1.5.2 痕迹的成分鉴定 痕迹的成分鉴定是对留痕物上的表面附着物、金属粘结物的元素 种类和含量进行分析,以确定造痕物的种类。常用的分析仪器为通过 各种发射谱进行表面成分分析的各种表面分析谱仪。 1.5.3 痕迹的组织结构鉴定 痕迹的组织结构鉴定一般采用表面微区晶体结构分析技术。目前, 适用于厚块试样表面结构分析的有低能电子衍射技术、反射式高能电 子衍射技术、反射电子衍射技术、电子通道花样技术、电子背散射花 样技术、X 射线柯塞尔花样技术等。 1.5.4 痕迹区的性能鉴定 痕迹区的性能鉴定是指对痕迹区进行的各种物理性能、化学和力 学性能的检测分析。包括表面力学性能检测,表面电阻、磁性等物理 性能检测和耐磨性、耐蚀性等性能检测。用于这些性能检测的仪器主 要有表面应力测定仪、显微硬度计、腐蚀电位仪、以及其它检测表面 各种性能的测试仪器。 1.6 痕迹的模拟再现 通常的痕迹模拟再现试验有实验室实验和现场实验两种。实验室 实验可在专用实验机上进行,试验件可以根据试验机的要求选用同类 零件或试片,但实验参数应调整到与痕迹分析中得出的痕迹条件一 致。现场试验是比实验室试验更准确、更可靠的模拟再现方法,其工 作条件一般与失效时的情况更接近,但相应的一些试验参数也应该根 据前面的分析进行适当的调整。 对由模拟试验得出的痕迹,应与失效件上的痕迹进行对比分析。如 果模拟试验再现了失效痕迹特征,说明对痕迹形成的条件和原因分析 基本正确;如果没有再现,应分析其中的原因,并对失效痕迹进行补充 分析与完善,在此基础上调整试验参数,再次进行模拟试验,直到痕迹 被再现。 1.7 痕迹的综合分析 痕迹的综合分析是在对痕迹的形貌、成分、组织结构和性能等进 行鉴定的基础上,综合考虑痕迹的模拟再现试验情况,分析确定痕迹 的性质和产生条件(原因),为整个失效分析提供依据的过程。痕迹综 合分析的目的是要确定痕迹的性质和来源(产生的条件或原因)。 1.7.1 痕迹的性质 不同性质的痕迹具有不同的特征,不同的特征反应不同的痕迹形状, 痕迹性质与痕迹特征之间具有对应关系。通过对痕迹进行全面的分析, 可确定痕迹的各项特征,由此基本分析出痕迹的性质。分析中需要综 合考虑痕迹的各方面特征后才能做出最后的结论,切不可只根据一两 个特征,或只根据宏观特征或微观特征,就确定痕迹的性质。 如,一发动机的压气机叶片发生疲劳断裂,源区存在一凹坑痕迹(见 图 6)。宏观下该痕迹位于叶片的进气边缘,呈豁口状,底部已露出金属 光泽;微观下底部可见细小的擦痕,盆面尾端有金属毛边,见图 7。由以 上痕迹特征可以判断,该痕迹为打伤痕迹,方向为从进气边缘指向叶 盆面。进一步的分析表明,这一打伤痕迹是导致该叶片疲劳断裂根本 原因。 1.7.2 痕迹的来源(产生) 痕迹的来源,即痕迹产生的原因或条件,这是失效痕迹分析的重点。 痕迹原因分析的基础是痕迹的性质分析,不同性质的痕迹具有不同的 产生条件,也就具有不同的产生原因,即痕迹的性质与原因之间具有 对应关系。基本确定了痕迹的性质后,综合考虑零件的工作原理、工 况条件和生产制造工艺过程,痕迹产生的原因也就基本清楚了,通过 模拟再现试验,既完善了分析过程,又验证了分析结论。 图 6 发动机压气机叶片断裂源处的打伤痕迹 图 7 上图打伤痕迹的放大形貌 2 裂纹分析技术[2,3] 裂纹是材料表面或内部完整性或连续性被破坏的一种现象,是断 裂的前期;断裂则是裂纹发展的结果。裂纹分析包括裂纹的无损检测、 表面分析、光学金相分析及裂纹打开后的断口分析等内容。 2.1 裂纹的无损检测 裂纹的无损检测是生产和使用过程中质量检验、安全控制的一项 重要内容。常用的无损检测方法有:X 射线、磁力、超声波、荧光、 着色、声发射、敲击测音法和工业 CT 等物理检测方法,其中磁力、荧 光和着色等方法主要用来检查表面裂纹,而 X 射线、超声波、声发射 和工业 CT 等可检测表面和内部裂纹。声发射靠捕捉裂纹扩展中发射 的声信号来检测裂纹,只能检测正在扩展中的裂纹。裂纹检测中,要注 意检测的方向,超声波和磁力线必须垂直裂纹平面检测,而 X 射线须 平行于裂纹所在的平面检测。 2.2 裂纹产生先后顺序的诊断技术和方法 在断裂失效分析中,往往存在有多条裂纹,而最先产生的裂纹往往 是导致其它裂纹产生和整个事故(故障)发生的根本原因。因此,在分 析中,首要任务就是从这些裂纹中确定首先产生的裂纹即主裂纹,然 后对主裂纹进行分析。 2.2.1 确定主裂纹(首断件)的原则和方法 确定主裂纹或找出首先断裂失效件应根据各零件的功能特征,各 相关零件的损伤痕迹,各零件的断裂形貌特征等加以综合分析判断。 (1)断裂件中既有延性断裂又有脆性断裂时,一般脆性断裂件发生 在前,延性断裂件发生在后。 (2)断裂件中既存在脆性断裂件又存在疲劳断裂件时,则疲劳断裂 件应为首断件。 (3)存在两个或两个以上的疲劳断裂件时,低应力疲劳断裂件在前, 高应力疲劳断裂件在后。 (4)各断裂件均为延性断裂时,应根据各零件的受力状态、结构特 性、断裂的走向和材质与性能等进行综合分析与评定,才能找出首先 断裂失效件。 2.2.2 常用判断裂纹先后顺序的方法 (1)塑性变形量大小确定法 当零件断裂成多块,有的部位没有明 显塑性变形,有的部位塑性变形明显,则无塑性变形的区域为首先断 裂区域;当所有断裂部位均为延性断裂时,变形量大的部位为主裂纹, 其它部位为二次或三次裂纹。 (2)T 型法 一个零件上同时出现两条或多条裂纹,裂纹间构成 T 型 关系时,可根据裂纹的相对位置关系来确定主裂纹。图 8 中所示,横贯 裂纹 A 形成在前为主裂纹,而 B 裂纹形成在后为次裂纹。 图 8 判别主裂纹的 T 型法示意图 A———主裂纹 B———二次裂纹 (3)裂纹分叉法 机械零件在断裂的过程中,出现一条裂纹后,往往 会引伸出多条分支裂纹或分叉裂纹,如图 9 所示。裂纹的扩展方向为 从主裂纹向分叉或分支裂纹方向,分叉或分支裂纹汇集的裂纹为主裂 纹。 图 9 判别主裂纹的分叉法示意图 A——主裂纹 B,C,D——二次裂纹 (4)断面氧化颜色法 金属零件如暴露在环境介质或高温下会被腐 蚀和氧化,而且腐蚀和氧化的程度会随时间的增加而加重。主裂纹较 次裂纹形成时间早,主断面较次断面暴露在环境中的时间长,腐蚀与 氧化程度严重,腐蚀产物多、氧化颜色深。 (5)疲劳裂纹长度法 当同一零件上出现多条疲劳裂纹时,一般可 根据疲劳扩展区的长度、疲劳弧线和疲劳条带间距的大小来判断主裂 纹。疲劳裂纹长、疲劳弧线或疲劳条带间距小的为主裂纹。 以上 5 种方法均是针对一般情况而言的。在实际失效分析中,应该 根据具体情况和相关条件,结合结构特点、受力状态、工作原理、裂 纹扩展规律、表面痕迹特点和零件材料与性能等综合分析,才能给出 准确的判断。一般脆性断裂可用 T 型法或分叉法,延性断裂可用变形 法,环境断裂可根据断面氧化与腐蚀程度及颜色深浅,疲劳断裂可利 用断口的宏观与微观特征形貌来区分主次断裂。 2.3 裂纹的形貌分析 2.3.1 裂纹的宏观分析 (1)裂纹宏观分析的目的及内容 裂纹宏观分析的目的是确定裂纹 的位置、类型、外观形貌及张开情况等。主要内容包括:裂纹产生的 部位;裂纹的平直情况、分叉情况或宏观走向的变化等;裂纹与主应力 方向(或切应力方向)之间的关系;裂纹与材料成形方向(轧制方向或 流线方向)的关系;裂纹的啮合情况(紧密配合,还是分离);裂纹尖端的 情况(尖锐或圆钝);裂纹起始位置与零件形状的关系(是否有应力集 中)。 裂纹一般容易产生于尖角、转折或几何尺寸突然变化处等应力集 中部位,受力最大部位,焊缝熔合区等组织薄弱部位和材料缺陷处。结 合裂纹的外观形貌、张开情况和匹配情况,可诊断出裂纹的类型和起 始源区。 根据裂纹产生的部位,以及是否是龟裂纹、线裂纹、多条裂纹、起 始源区、匹配情况,结合应力状态,可初步判断裂纹产生的条件。如在 应力集中部位,则可能与使用载荷有关;不在应力集中部位,则可能与 材料性能、成分、缺陷和内应力等有关。裂纹的起源位置和扩展途径 决定了裂纹的宏观形貌,它们都是构件局部受力状态和大小(外力)与 材料强度(抗力)综合效应的结果,即应力 2 强度干涉作用的结果[4]。 它们往往是应力较大(动力大)、强度值较低(阻力小)的路径,如应力 集中处或材料局部缺陷处等。 (2)裂纹的宏观形貌 常见的裂纹宏观形貌有龟裂纹、线裂纹、环 形裂纹、周向裂纹、辐射状裂纹和弧形裂纹等。 ①龟裂纹 外观形貌类似于龟壳网络状分布的一类裂纹。龟裂纹一 般是一种表面沿晶裂纹,深度不大。由于零件表面(或晶界)的成分、 组织、性能及应力状态与中心(或晶内)不一致,在制造过程或使用过 程中使晶界成为薄弱环节,并产生很大的组织应力和热应力等内应力, 从而使晶界开裂,形成龟裂纹。龟裂纹按其形成条件,可分为铸造表面 龟裂纹、锻造表面龟裂纹、热处理表面龟裂纹、焊接龟裂纹、磨削龟 裂纹和使用龟裂纹。 ②线裂纹 是指近似直线状的裂纹。最典型的线裂纹是由于发纹或 其它非金属夹杂在后续工序中扩展而形成的裂纹。它们一般沿材料的 纵向发展并较长,在裂纹的两侧和金属基体上一般有氧化物夹杂或其 它非金属夹杂物。 ③其它形状裂纹 常见的其它形状裂纹有环形裂纹、周向裂纹、辐 射状裂纹和弧形裂纹等。 2.3.2 裂纹的微观分析 (1)裂纹微观分析的内容 裂纹微观分析一般是通过光学显微镜和 电子显微镜对裂纹表面形态和金相磨片进行观察和分析。其主要内容 包括:裂纹的微观形态特征,如扩展路径是穿晶还是沿晶,主裂纹附近 有无微裂纹;裂纹处及其附近的晶粒度有无显著粗化、细化或大小极 不均匀现象;晶粒是否变形;裂纹与晶粒变形方向是否一致;裂纹两侧 是否存在氧化和脱碳现象;裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物, 其形态、大小、数量及分布如何;裂纹源是否产生于碳化物或非金属 夹杂物周围,扩展方向如何;裂纹处是否存在异常组织,如粗大过热组 织、魏氏组织和带状组织等;源区是否存在加工缺陷、材质缺陷和腐 蚀损伤等;表面是否存在白色加工硬化层或回火层。 (2)裂纹微观分析技术 通过对裂纹区及其附近的显微组织和晶粒 度检查,可判断出裂纹起始的部位,定性判断出裂纹部位的受力大小 及加工质量等。 在微观上,裂纹源区一般均是材料的薄弱环节,如零件的表面或次 表面及应力集中处和材料缺陷处(有时可见到明显的缺陷)。对于一条 主裂纹,由粗到细的形态就是裂纹的扩展过程。当存在放射状微裂纹 时,其收敛点位置即为裂纹源。 裂纹的扩展途径有沿晶、穿晶和沿晶与穿晶混合三种。一般制造 过程中产生的铸造热裂纹、过烧引起的锻造裂纹、回火脆性裂纹、磨 削裂纹、焊接裂纹、使用中出现的冷热疲劳裂纹、蠕变裂纹、热脆裂 纹、环境因素引起的应力腐蚀裂纹和氢脆裂纹等均是沿晶界扩展的; 而疲劳裂纹、解理裂纹、延性断裂裂纹等使用中形成的裂纹和因冷却 速度过大、零件几何尺寸突变等引起的淬火裂纹和焊接裂纹等制造裂 纹都是穿晶裂纹。 根据裂纹及其周围的形状和颜色,可以判断裂纹经历的温度范围和 零件的工艺历史,从而找出裂纹产生的具体工序。若裂纹两侧具有明 显的氧化和脱碳现象,则裂纹的形成肯定与制造热工艺过程有关。而 淬火工件的裂纹断口颜色发黑,氧化物层厚,说明淬火加热前即已存 在裂纹。淬火前就已存在的裂纹,裂纹两侧常有脱碳现象。 在裂纹的微观分析中,还应该注意观察裂纹两侧的耦合情况,一般 裂纹两侧的耦合性很好,但发裂、拉痕、磨削裂纹、折叠裂纹及经过 变形后的裂纹,两侧的耦合性均较差。 一般情况下,疲劳裂纹的末端是尖锐的;拉痕、发裂纹的末端圆秃; 折叠裂纹的末端粗钝。在金相磨片下观察,淬火裂纹细直、线状、棱 角较多、末端尖细;两侧显微组织与其它部分无异常,无氧化和脱碳现 象。铸造热裂纹呈龟裂纹状,沿原始晶界延伸,裂纹内侧一般有氧化和 脱碳,末端圆秃。磨削裂纹一般细又浅,呈龟裂状或规则直线排列。 由于过热、过烧引起的锻造或热处理裂纹,往往晶粒粗大,并常在 晶界处伴有析出物。局部应力超过材料的强度极限所引起的裂纹,裂 纹处往往具有明显的塑性变形痕迹。裂纹表面的附着物对裂纹的分析 也有一定的参考价值。如水淬时产生的裂纹,会出现红锈。 必要时,可对裂纹进行解剖分析。目的是分析裂纹的起始和走向、 经过的路径、裂纹中有无其他物质、裂纹两侧附近区域有无材质变化, 从而确定裂纹形成过程与显微组织之间的对应关系、断裂过程、断裂 机理、变形程度、表面状态及其损伤情况等,以揭示零件在制造、加 工等过程中产生的缺陷、使用状况和环境条件等对断裂失效的影响。 一般张开较大区域为裂纹的起始区,裂纹中夹有氧化物或腐蚀产物 等,说明裂纹形成后(或形成过程中)经历过复杂的环境过程,如高温或 腐蚀环境等。裂纹的走向及两侧的材质变化情况往往对确定裂纹的性 质有重要作用。如碳钢裂纹两侧脱碳,则说明裂纹为热裂纹或开裂后 经过了热过程;裂纹扩展过程中有无分叉现象,对区分氢脆与应力腐 蚀有重要帮助,氢脆裂纹扩展过程中一般无分叉现象,而应力腐蚀裂 纹往往有分叉现象。裂纹的扩展是沿晶还是穿晶等也是应该特别注意 的问题。一般沿晶扩展的裂纹均与腐蚀介质的作用有关。 2.3.3 裂纹断口分析 (1)裂纹的打开与断口切取技术 在对裂纹断口分析前,必须人为 地将裂纹打开,以获得需要的裂纹断口。有时为了实验室观察的需要, 还要对断口进行选取,并切取断口。 在打开裂纹前,应做好相关的记录、测量和照相,特别是裂纹与相关 结构的相对位置和表面的痕迹特征等,以保证裂纹打开后,仍能准确 确定裂纹的位置、结构特点和受力状态等。 打开裂纹时,需注意保持断面的原始形貌特征不受到机械的和化学 的损伤;断口及其附近区域的材料显微组织不能因为受热发生变化。 具体实施时,应根据裂纹的位置及扩展方向来选择人为施力点,使零 件沿裂纹扩展方向受力,使裂纹张开形成断口,而不会在打开过程中 损伤断面。常用的裂纹打开方法有三点弯曲法、冲击法、压力法和拉 伸法等。打开裂纹时,最好采用一次性快速打开方法,而不用重复的、 交变的或分阶段处理的方法,如振动疲劳和反复弯曲等,以免打开时 在断面上形成的特征与原始断裂特征混淆。对大型结构件,如锅炉、 飞机等,为便于运输和深入的观察分析,需将大型零件切割成小试样。 常用的切割方法有砂轮切割、火焰切割、线切割和锯切等,对会产生 高温的切割,切割位置应与裂纹保持一定的距离,并用适当的方法进 行冷却,以免裂纹附近的材料组织、性能因受热发生变化,断面特征产 生化学损伤。 (2)断口分析 裂纹断口分析与断裂面断口分析的技术和方法均相 同,适用于断裂面断口分析的方法和手段在裂纹断口分析中均可应用; 两者的形貌特征和规律也相同。因此,裂纹的断口分析技术和方法可 参考下面的断裂面断口分析部分。 2.4 裂纹综合诊断 通过对裂纹的宏、微观分析,可确定裂纹的部位、形态和裂纹源的 位置,初步判断裂纹的形成时期和扩展途径,结合应力分析、制造工艺 和使用条件及材料性能综合分析,可初步诊断出裂纹的性质及产生的 原因。 (1)裂纹的起始位置 裂纹的产生是应力作用的结果,其起始的位 置取决于应力集中和材料强度两方面综合作用的结果。因此,零件结 构形状上易引起应力集中的部位,如工件截面尺寸突变、厚薄不均、 孔槽边缘和尖锐棱角处等;材料缺陷和内应力部位,往往是裂纹出现 的部位。根据裂纹存在的部位和受力状态,可以初步判断裂纹产生的 条件。 ①材质原因引起的裂纹 金属的表面缺陷,如夹砂、斑疤、划痕、折 迭、氧化、脱碳和粗晶环等,以及金属的内部缺陷,如缩孔、气泡、疏 松、偏析、夹杂物、白点、过热、过烧和发纹等,不仅本身直接破坏 金属的连续性,降低材料的强度和韧性,而且往往在这些缺陷周围造 成很大的应力集中,使得材料在很低的平均应力下产生裂纹。由金属 的表面缺陷和内部缺陷为源的裂纹源处,一般可以找到作为裂纹源的 缺陷特征,见图 10。如疲劳裂纹源处的砂眼、加工刀痕、锻造裂纹起 始区的残余缩孔和淬火裂纹起始区的白点等。金属材料光滑表面上的 疲劳裂纹多起源于驻留滑移带,而当材料表面或内部存在缺陷时,缺 陷本身就成为裂纹源,所以具有缺陷(表面或内部)的金属材料往往具 有低的疲劳强度(寿命)。 图 10 裂纹起源于锻造折叠(箭头所指为折叠) ②零件形状因素原因引起的裂纹 当零件由于某种原因,或者设计 上的考虑不周,其几何形状上存在内外圆角、凸边或缺口时,在零件的 制造和使用过程中,这些圆角、凸边或缺口的部位会产生应力集中,从 而容易产生裂纹。对需进行淬火处理的零件,不但圆角、凸边或缺口 的部位容易产生淬火裂纹,而且凡是截面尺寸相差大的部位,都可因 为冷却速度的差异而产生高的组织应力,加之应力集中作用而形成淬 火裂纹。在焊接件的应力集中处也可能产生焊接裂纹。在深拉或冷冲 压时,由于总的变形程度过大、或零件的圆角过小、或材料的晶粒度 不均匀,往往在圆角根部(变形程度最大)产生裂纹或开裂。 ③受力状况不同引起的裂纹 除了金属材料的质量和零件的几何 形状影响裂纹的起始位置外,零件的受力状况也对裂纹的起源位置有 重要影响。如零件在形状设计合理和材料质量合格的情况下,裂纹将 在应力最大处起始。如单向弯曲疲劳情况下,裂纹一般起源于受拉一 侧的最大应力处;双向弯曲疲劳情况下,裂纹一般起源于受力两边的 最大应力处。 (2)裂纹的走向 从宏观上看,裂纹的走向是由应力原则和强度原 则决定的。按照应力原则,裂纹应该沿着最大应力方向扩展。如金属 脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀断裂,裂纹的扩展方向一般都垂直于 拉伸应力的方向。当韧性金属承受扭转载荷或金属在平面应力的情况 下,裂纹的扩展方向一般平行于剪切应力的方向。如塔形轴疲劳情况 下,在凹角处起源的疲劳裂纹,在与主应力垂直的方向上扩展,而并不 与轴线相垂直,最后形成所谓碟形断口,裂纹的实际扩展方向与主应 力的垂线基本垂直,即沿最大应力方向走向。但在局部区域可能有不 重合的情况,那是由于材料缺陷引起的走向偏离。当裂纹按应力原则 在某一方向的扩展不利时,就会按材料的强度原则来扩展。所谓强度 原则,就是指裂纹沿着材料最小阻力路线,即材料的薄弱环节扩展的 原则。材料内部的薄弱环节可使按应力原则扩展的裂纹途中突然转 折。 在一般情况下,当材质比较均匀时,应力原则起主导作用,裂纹按应 力原则扩展;而当材质存在明显的不均匀性时,裂纹按强度原则扩展, 强度原则起主导作用。当应力原则和强度原则一致时,无疑裂纹将沿 着一致的方向扩展。这就是存在于最大应力部位的缺陷对裂纹产生的 影响很大的原因。 各种裂纹的形成原因很多,其形貌也各异。需要从裂纹的宏、微观 形貌,源区位置,扩展途径,周围情况、末端的特征及制造、使用履历来 综合分析确定裂纹的性质和形成原因。 图 11 是一飞机航炮固定座支臂在维护检查中发现的裂纹。该裂纹 位于支臂外侧表面,与支臂圆弧基本平行,长约 65mm、宽约 1mm, 局部有分支。宏观观察,可见裂缝内有漆层。 图 11 支臂外观 将裂纹打开,断口可分为原始裂纹段断口和人为打开段断口两部分, 其中原始裂纹断口深约 3mm,颜色暗灰,与人为打开断口间有明显 的、整齐的分界线,如图 12 所示。在电镜下观察,原始裂纹区断口基 本是颗粒状的附着物,没有断裂形貌特征;微区成分分析,表面含有较 高的氧元素。 图 12 陈旧性裂纹与瞬断区边界形貌 沿支臂裂纹的横切面切取剖面制作金相样品,可见裂纹平直,与支 臂表面约成 30°角;裂纹两侧的金属变形流线与裂纹基本平行,见图 13。裂纹末端圆钝,周围金属变形流线围绕裂纹末端弯曲呈回流状, 见图 14。 以上特征说明,该裂纹在制造过程中的涂漆前就已存在;是在模锻生 产过程中产生的一种锻造缺陷—折叠,是金属在高温变形流动过程中, 已氧化了的表层金属汇合在一起而形成的。 图 13 支臂裂纹两侧的金属流线 图 14 支臂裂纹尾部及其周围流线 3 断口分析技术 断口是断裂失效中两断裂分离面的简称。由于断口真实地记录了 裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息。因 此,断口上的各种断裂信息是断裂力学、断裂化学和断裂物理等诸多 内外因素综合作用的结果,对断口进行定性和定量分析,可为断裂失 效模式的确定提供有力依据,为断裂失效原因的诊断提供线索。 3.1 断口准备 断口准备的目的是为下一步的断口分析提供适于分析的断口。要 求断口保存得尽量完整、特征原始;尽量不产生二次、甚至三次损伤。 对断口上附着的腐蚀介质或污染物,还需进行适当清理。当失效件体 积太大时,还需分解或切割。总之,在断口准备过程中,要尽量保证断 口(特别是关键断口、起始区断口)的原始特征不被破坏和污染。 对断口的清理应遵循以下基本原则:先判断后清理,先表面后内层, 尽量采用物理方法清理而少用化学方法。常用的清洗方法有机械剥离 法、化学腐蚀法、阴极电解法和真空蒸发法等,可根据断口材料特性 和附着物的种类等选定。 对断口常用的保护方法有涂保护性涂料、密封于内置干燥剂的塑 料袋或干燥皿中和浸泡在无水酒精溶液中等。 切割大块失效残骸件时,应先对断口进行宏观分析,确定首断件, 然后进一步确定断裂的起始部位。切割前,先将需要分析的部位保护 起来;切割时,尽量使用锯、切等不会产生高温的机械方法。需要使用 火焰切割或砂轮切割等会产生高温的切割方法时,切口位置应离开需 分析部位一定的距离,同时对切割区域进行冷却,以确保需重点分析 部位不会因高温而产生二次损伤。 3.2 断口分析设备和技术 3.2.1 断口宏观分析设备和技术 宏观分析是指在小于40倍的条件下对断口进行观察判断的技术方 法。主要手段是人的肉眼、普通放大镜和体式显微镜。 3.2.2 断口微观诊断仪器设备和技术 断口的微观分析设备主要有金相显微镜、扫描电子显微镜、透射 电子显微镜和 X 射线能谱仪及波谱仪等。其中三种显微镜主要用来进 行形貌观察,两种谱仪主要用来进行微区成分分析。 扫描电子显微镜由于其具有制样简单、使用方便、可直接观察大 样品(如 100mm×100mm)、并具有景深大、分辨率较高、放大倍数范 围宽、可连续调节、可进行化学成分和晶体取向测定等一系列优点, 在失效分析中得到了广泛的应用。用扫描电镜进行断口形貌观察时, 一般遵循以下基本技术原则: ①首先对断口做低倍观察,以全面了解和掌握断口的整体形貌和 特征,并确定重点观察部位。 ②在整体观察的基础上,找出断裂起始区,并对断裂源区进行重点 分析,包括源区的位置、形貌、特征、微区成分、材质冶金缺陷、源 区附近的加工刀痕及外物损伤痕迹等。 ③对断裂过程不同阶段的形貌特征要逐一加以观察,找出各区断 裂形貌的共性与个性。 ④断裂特征的识别。在断口观察过程中,发现、识别和表征断裂形 貌特征是断口分析的关键。在观察未知断口时,往往是和已知的断裂 形貌加以比较来进行识别。各种材料在不同外界条件下的断裂机制不 同,留在断口上的形貌特征也不同。 ⑤扫描电镜断口照片的获得。一般一个断口的观察结果要用如下 几部分的照片来表述:断口的全貌照片及断裂源区照片和扩展区、瞬 断区的照片。 ⑥利用背散射电子像观察,可观察到第二相和夹杂物等对裂纹萌 生与扩展的影响。 X 射线能谱仪的最大优点是不损伤被测件表面,可同时适用于光滑 表面和粗糙断口表面的元素分析,可以分析某一区域的元素平均成分 和样品表面某一区域某一元素的分布情况(面分布),也可对某几种元 素进行沿指定线路的线分布分析。是目前失效分析中应用最广泛的微 区成分分析仪器。 在进行微区成分分析时应注意,微区成分分析的结果只能代表分 析部位的局部成分,而不能代表样品宏观总体的成分。X 射线微区成 分定量分析的准确性和样品的制备有关。由于微区成分分析的灵敏度 和精确度的限制,其分析结果不能代替其它分析方法所做的结果。 断口分析一般包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析可有 效地确定断裂起源和扩展方向,初步判断断口的断裂性质;微观分析 可有效地确定断裂类型及机理。宏观分析和微观分析是不可分割的整 体,两者不能互相取代,只能互相补充。 3.3 断口形貌的宏观诊断技术和方法 3.3.1 断口宏观分析的任务和内容 断口宏观分析可为断口的微观分析和其它分析工作指明方向,是 断裂失效分析中的关键环节。其主要任务是,判断断口的基本特征、 变形情况和裂纹的宏观走向;确定断裂的类型和方式,为断裂失效模 式诊断提供依据;寻找断裂起源区和断裂扩展方向;估算断裂失效应 力集中的程度和名义应力的高低(疲劳断口);观察断裂源区有无宏观 缺陷等。断口宏观分析需要解决如下主要问题:断口的平直情况和断 口的主要特征形貌;断口的颜色(氧化色、腐蚀产物颜色、夹杂物颜色 和光亮情况等);断口与主正应力(或主切应力)方向的关系;断口与成 形方向(轧制方向或流线方向)的关系。以上四方面是断口宏观诊断的 主要依据,因此,断口宏观诊断应包括以下六个方面的内容:①断裂的 位置及其结构特征和周围的工作环境;②断裂位置及其附近的变形程 度;③断裂区域的痕迹特征;④断裂源的位置、特征及裂纹的走向;⑤ 断口的宏观形貌特征;⑥断口的颜色及附着物等。 3.3.2 断口的宏观形貌特征 对韧性金属材料一次过载造成的延性断裂,宏观上的基本特征通 常表现为三个特征区,即纤维区、放射区和剪切唇区。这三个特征区 是断口的三要素。图 15 是光滑拉伸断口的三要素示意图,其中纤维区 一般位于断口的中央,是断裂的形核区,其中心或放射条纹收敛处为 裂源位置,它呈粗糙纤维状,其宏观平面与拉伸应力相垂直,属正断型 断裂。放射区紧接纤维区,是裂纹由缓慢扩展向快速扩展的不稳定扩 展转化的标志,其特征是放射线花样,放射线发散的方向为裂纹扩展 方向。对板材零件,放射区的宏观特征为人字条纹,其反方向为裂纹的 扩展方向。剪切唇区是断裂过程最后阶段出现的断裂特征区,其表面 较光滑,与拉伸应力轴约呈45°角,属切断型断裂,是在平面应力状态 下发生的快速不稳定扩展。 图 15 光滑圆试样拉伸断口三要素示意图 需要注意的是,不是所有的一次过载断口均具有断口三要素特征, 有时只表现出两个要素特征。零件形状对断口三要素有很大影响。 按断口上的宏观塑性变形不同,断口宏观上可分为延性断裂断口 和脆性断裂断口。按断裂方式的不同,断口宏观上可分为正断断口和 切断断口。 在实际的宏观失效分析中,一般将断口分为延性断裂断口、脆性断 裂断口和疲劳断裂断口。表 1 列出了这三种典型断口的宏观形貌特征, 根据这些特征,可诊断出断口的宏观类型。图 16 为金属光滑圆棒试样 的拉伸断口形貌,呈杯锥状,为典型的金属延性断裂断口形貌。图 17 断口上具有疲劳断口的三个典型特征区,疲劳弧线清晰,疲劳台阶明 显,为典型的金属疲劳断口。 图 16 光滑试样拉伸断口形貌 图 17 疲劳断口的宏观形貌 3.3.3 断口宏观分析技术和方法 对断口进行宏观观察时,应注意观察的角度和照明的角度,自然光 是最好的照明源,观察时应从不同的角度进行观察。宏观断口分析的 第一步是用肉眼观察断口形貌特征及失效件的全貌,包括断口的颜 色、变形程度和断口之外的损伤痕迹等,然后对主要特征区用放大镜 或体式显微镜等进行进一步的观察,确定重点分析的部位。 在分析过程中,要特别注意以下几个特征: ①断口上是否存在放射花样及人字纹花样。这种特征表征裂纹的 扩展是不稳定的或快速的,沿着放射方向的逆向或人字纹尖顶可找到 裂纹源。 ②断口上是否存在弧形迹线。这种特征是裂纹在扩展过程中,因应 力状态变化、断裂方向变化、环境介质影响及裂纹扩展速率明显变化 等在断口上留下的痕迹,如图 18 所示断口上的疲劳弧形等。 图 18 航空发动机涡轮叶片断口宏观形貌 ③断口的粗糙度。一般说来,断口越粗糙,即表征断口特征的花样 越粗大,则剪切断裂所占的比例越大;如果断口细平,多光泽,或者花 样越细,则晶间断裂或解理断裂所起的作用越大。 ④断面的光泽与色彩。如准解理和解理断裂的金属断口在阳光下 转动断面进行观察时常可看到闪闪发光的小刻面。 ⑤断面与最大正应力的交角(倾斜角)。不同的应力状态、不同的 材料及外界环境,断口与最大正应力的夹角不同。 ⑥判定特征区的划分、分布和面积大小等。 ⑦材料缺陷在断口上所呈现的特征。若材料内部存在缺陷,则缺陷 附近存在应力集中,因而在断口上留下缺陷的痕迹。 确定断裂起源的位置是断口宏观分析的一个重要任务。在一般情 况下,从宏观特征来说,断裂的起始位置一般位于断口上的以下位置: 纤微区的中心;放射花样的收敛处;人字纹的最尖顶处;断口的平坦区 内;无明显塑性变形区或无剪切唇形貌特征区;疲劳弧形的最小半径 处;腐蚀氧化最严重的部位;台阶高差最大处。 当断裂源的位置确定后,其裂纹扩展的宏观方向随之确定。一般裂 纹的宏观扩展方向与断口的以下特征方向相同:裂纹源区指向最后断 裂区的方向;放射线发散的方向;纤维区指向剪切唇区的方向;与疲劳 弧线相垂直的放射状条纹分散方向;人字纹的人字张开的方向;断口 的平坦区指向斜断口的方向;无塑性变形或塑性变形小的区域指向变 形大的区域的方向;台阶高差减小的方向;氧化或腐蚀减轻的方向。 3.4 断口微观分析技术和方法 3.4.1 断口微观分析的任务和内容 断口的微观分析包括微观形貌分析和微区成分及结构分析。具体 内容有:断口周围的塑性变形大小或有无;断口的边缘锐利情况;断口 与零件形状或应力集中的情况;断口各特征形貌面积的比例;断口与 晶面和晶向之间的关系;断口与晶界的关系;断口与显微组织的关系; 断裂源区的情况;断口的化学成分或杂质环境元素的分布情况;断口 上二次裂纹的有无或多少及分布情况。 3.4.2 断口的微观形貌特征 断口上常见的微观特征有韧窝、滑移特征、解理特征、准解理特 征、沿晶断裂特征和疲劳断裂特征等断裂特征花样。 ①韧窝特征 金属延性断裂的主要微观特征是,材料在微区范围内塑性变形产 生的显微孔洞经形核、长大、聚集直至最后相互连接而导致断裂后在 断口表面上所留下的痕迹。由于其它断裂模式上也可观察到韧窝,因 此不能把韧窝特征作为延性断裂的充分判据,而只能作为必要判据来 应用。零件受力状态不同,韧窝可有不同的形状,即韧窝的形状可反映 零件的受力状态。韧窝的最基本形态有等轴韧窝、剪切韧窝和撕裂韧 窝三种,如图 19 所示。 (a) 等轴韧窝 (b) 剪切韧窝 (c) 撕裂韧窝 图 19 韧窝的三种基本形态示意图 ②滑移特征 属于金属延性断裂的一种微观特征,包括滑移线、滑移带、蛇形花 样和涟波花样,是在正应力作用下,金属沿滑移面滑移分离的主要微 观特征。 ③解理特征 金属在正应力作用下,由于原子结合键破坏而造成的沿一定晶体 学平面(解理面)快速分开的过程称为解理断裂。解理断裂属于脆性断 裂的一种,解理面通常是表面能量最小的晶面,不同的晶体结构具有 不同的解理面;面心立方晶系的金属一般不发生解理断裂。解理断裂 区宏观上没有明显的塑性变形,在太阳光下转动时可观察到反光的小 刻面,属于脆性断裂。严格意义上说,解理断裂面上是没有任何解理特 征花样的,但在实际材料中,由于各种因素的作用,解理面局部均会发 生微观的塑性变形,从而形成解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨 状花样、扇形花样及瓦纳线等特征。图 20 是解理断口上常见的典型 微观形貌。 图 20 典型解理断裂断口特征形貌 ④准解理断裂特征 介于解理断裂与延性断裂间的一种过渡断裂形式。宏观上无明显 塑性变形或变形较小,断口平整,具有脆性断裂特征;微观形貌有河流 花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等,如图 21 所示。 图 21 准解理断裂微观形貌 ⑤沿晶断裂特征 属于脆性断裂的一种,又称为晶间断裂,是多晶材料沿晶界面发生 断裂的现象,如图 22 所示。可分为沿晶韧窝断裂和沿晶脆性光面断 裂。沿晶面上具有线痕(鸡爪痕)特征的沿晶断裂是氢脆断裂的典型形 貌,如图 23 所示;沿晶面上具有核桃纹特征的沿晶断裂是应力腐蚀断 裂的典型形貌;液体金属致脆的沿晶面上一般可看到致脆的金属残留 痕迹。 图 22 沿晶断裂微观形貌 图 23 沿晶面上线痕特征 ⑥疲劳断裂特征 疲劳断裂过程可分为疲劳裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶 段。疲劳条带是疲劳裂纹扩展第二阶段的最重要的显微特征,也是疲 劳断裂断口的基本形貌特征;它是判断断口为疲劳断裂的充分判据, 但不是必要判据。一般韧性材料容易形成疲劳条带,而脆性材料则比 较困难。轮胎花样、排列规则的平行韧窝带、平行的多条二次 裂纹带等也是疲劳裂纹扩展第二阶段常见的微观形貌特征。图 24 是 典型的疲劳条带形貌。 图 24 典型疲劳条带 3.4.3 断口微观诊断技术 断口的微观观察一般是借助扫描电子显微镜和透射电子显微镜等 工具来完成的。由于放大倍数较高,在电子显微镜下一般难以准确确 定观察的位置。因此应在微观分析之前,熟练掌握断口的宏观形貌特 征,并以此来指导微观观察。 断口的微区成分分析一般是根据需要来选择进行的。选择进行成 分分析的微区一般有:微观形貌异常区域、裂纹起始区(源区)、断口 上覆盖有外来物特征和腐蚀产物的区域。对基体成分进行定性判断时, 应选择没有污染的瞬断区进行分析。进行微区成分分析时,应根据特 征区域的大小,合理地选择分析区域大小,如面区域或点区域。为了分 析某一元素或一些元素在某一区域的分布情况,可进行元素的面分布 分析;为了确定某一元素沿某一特征线的含量变化情况,可进行元素 的线分布分析。 3.5 断口定量诊断技术和方法 在失效分析中,有时不仅需要对断口进行定性诊断,而且需要对断 口进行定量分析,以推断材料性能及导致断裂失效的一些基本参数。 同时,断口的定量分析也可为确定零件的安全寿命与检修周期提供科 学依据。断口定性诊断是定量分析的前提,而定量分析则是断口定性 分析的深入和发展。 断口定量分析涉及的领域非常广,内容很丰富。金属断口的定量分 析主要包括断口表面的成分、结构和形貌特征等定量参数的描述和表 征。 3.5.1 断口表面的成分分析 断口表面的成分定量分析是指对断口表面的平均化学成分、微区 成分、元素的面分布及线分布、元素沿深度的变化、夹杂物及其它缺 陷的化学元素比等参数进行分析和表征。这类分析仪器主要有俄歇电 子谱仪、离子探针、电子探针、X 射线能谱仪和 X 射线波谱仪等。 3.5.2 断口表面结构分析 断口表面结构定量分析的对象是断口所在面的晶面指数、断口表 面微区(夹杂、第二相等)的结构和残余应力。通过测量点阵参数,可 解决金属学及热处理中如固溶体的类型、宏观应力的测定和表面层的 分析等问题。通过物相分析可确定混合物中各个物相的类型、结构及 其含量。通过应力测定可确定应力的类型(宏观应力、微观应力和超 微观应力)和大小。目前,断口表面结构分析的主要仪器是 X 射线衍射 仪。 3.5.3 断口形貌特征的定量分析[9] 断口形貌特征的定量分析是对断口上的各种花样,包括各种特征 花样区域的相对大小及材料组织、结构、性能及导致发生断裂的力学 条件与环境条件之间的相互关系进行分析,以反推裂纹扩展的过程。 目前断口形貌定量研究进行得较好的是疲劳断口的定量分析,特 别是实验室已知条件下的疲劳断口的定量分析,已成功地应用于低周 疲劳寿命估算、恒载与谱载下的疲劳寿命估算、起源于先天性裂纹或 缺陷的高周疲劳寿命估算、结构原始疲劳质量反推和疲劳应力反推等 方面。 疲劳断口定量分析利用的主要参量是断口上的宏观疲劳弧线和微 观疲劳条带。理论依据是宏观上的每一条疲劳弧线相当于