实验二断口的宏观分析
一、实验目的
1、熟悉金属材料常见的几种失效形式及类型，了解失效分析中断口观察的目的、意义。
2、掌握断口的基本类型、特点及断口观察分析方法，了解失效分析思路。
3、利用光学显微镜对拉伸和冲击试样进行断口观察分析。
二、实验概述
1、失效的形式及其类型
按失效机理，金属材料的常见失效形式有：变形失效、断裂失效、磨损失效和腐蚀失效等几种主要类型。
（1）变形失效变形通常是机械构件在外载荷作用下，形状和尺寸发生变化的现象。从微观上讲是指材料在外载荷作用下，晶格产生畸变，宏观上发生了变形。若外载消除变形亦消除时，这种变形为弹性变形；若外载消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求的变形量。
变形失效分为弹性变形失效和塑性变形失效两种。弹性变形失效仅是材料的弹性模量发生变化，而与机械构件的尺寸和形状无关；塑性变形失效将导致机械构件表面损伤，其机械构件的形状与尺寸均发生变化。
（2）断裂失效断裂是指金属、合金材料或机械产品在外载荷的作用下分成两部分（或以上）的现象。断裂是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。
断裂失效按断裂机理不同有如下多种类型：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④疲劳断裂失效；⑤蠕变断裂失效；⑥应力腐蚀断裂失效；⑦沿晶断裂失效；⑧液态或固态金属脆性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩滑移分离失效等。
（3）磨损失效磨损是摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑而不断损伤的现象。磨损失效是指由于磨损现象的发生使机械零部件不能达到原设计功效，即不能达到原设计水平。
磨损失效的主要类型有：粘着磨损失效；磨粒磨损失效；腐蚀磨损失效；变形磨损失效；表面疲劳磨损失效；冲击磨损失效；微振磨损失效等。
（4）腐蚀失效腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。金属腐蚀虽然在酸洗、化学电源、电解加工、金相浸蚀等方面起着有益于人类的作用，但是它在国民经济上所造成的损失是相当严重的。由于腐蚀作用是机械构件丧失原设计功能的现象称为腐蚀失效。
腐蚀失效的主要类型有：直接化学腐蚀失效；电化学腐蚀失效；点腐蚀失效；局部腐蚀失效；沿晶腐蚀失效；选择性腐蚀失效；缝隙腐蚀失效；生物腐蚀失效；磨损腐蚀失效；氢损伤失效；应力腐蚀失效等。
上述几类主要失效中尤以断裂失效的危害性最大。进行断裂失效分析时,断口观察和分析时重要的环节之一。
2、断口分析
大多数零件的断裂失效是在运行过程中发生的，因此断裂损坏和别的零部件、周围环境和操
作人员等均有着十分密切的关系。查找原因就要从零（部）设计、材料质量、加工状态、维修情况、装配精度、工作环境、服役条件和操作方法等因素中找出造成损坏的主要原因，通过分析判断找出损坏的原因，从而制定出改进措施。断裂过程是个动态过程，对断裂直接进行观察分析是很困难的；而断口是断裂的静态反应，如实地反映了机械构件断裂的全过程，包括裂纹的萌生与扩展过程，通过对断口进行仔细观察和分析就能找出断裂的原因、机理等。因此对机械零（部）件的断口进行分析是断裂失效分析的一个重要手段。
断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，结合无损检测、机械性能试验、化学分析、电子能谱分析、X射线分析、模拟试验等，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。最后将分析和试验的结果与数据进行综合分析，判断出失效的原因并提出改进措施，写出失效分析报告。
断口分析包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析主要判断分析断口形貌。微观分析，既包括微观形貌分析又包括断口产物分析（如产物的化学成分、相结构及其分布等）。
（1）原始资料的收集
原始资料是指构件服役前的全部经历、服役历史和断裂时的现场情况等。服役前的经历包括构件的批次、材料和加工工艺等；服役历史包括承受载荷的类型、使用情况及其它同批次的使用情况和员工操作规范等。对于大型或断裂件较多的构件，还要从散落的失效残骸中选择有分析价值的断口和供做其它检测用的试样材料。收集的断裂件在对其断口进行分析以前必须妥善地保护好断口并进行必要的处理。
（2）主裂纹和裂纹源的判别
在对断口进行分析前，首先要选择最先开裂的构件断口。有时一个构件在断裂过程中形成几个断片时（如高压容器或锅炉爆炸事故等），也要选择最先断裂的断口，即主裂纹所形成的断口。经常使用的主裂纹的判别方法有：T型法，分枝法，变形法和氧化法等四种方法，如图1所示。
●T型法：将散落的断片按相匹配的断口合并在一起，其裂纹形成T型。
●分枝法：将散落的断片按相匹配断口合并，其裂纹形成树枝型。在断裂失效中，往往在
出现一个裂纹后，产生很多的分叉或分枝裂纹。裂纹的分枝或分叉方向通常为裂纹的局
部扩展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹。
●变形法：将散落的断片按相匹配断口合并，构成原来机械构件的几何形状，测量其几何
形状的变化情况，其变形量较大的部位为主裂纹，其它部位为二次裂纹。
●氧化法：在受环境因素影响较大的断裂失效中，检验断口各个部位的氧化程度，其中氧
化程度最严重者为最先断裂者即主裂纹所形成的断口，因为氧化严重者说明断裂的时间
较长，而氧化轻者或未被氧化者为最后断裂所形成的断口。
(a)T型法(b)分枝法(c)变形法
图1 主裂纹判断方法
主断面（主裂纹）确定后寻找裂纹源区，裂纹源区是断裂破坏的宏观开始部位。寻找裂纹源的方法有：
●利用断口上的“三要素”特征
●利用断口上的“人”字纹特征
●根据断口上的放射花样
●根据断口上的“贝纹”线
●将断开的零件的两部分相匹配，则裂缝的最宽处为裂纹源
●根据断口上的色彩程度
●断口表面的损伤情况
●断口的边缘情况
三、实验内容
1、了解体视显微镜的基本原理和功能特点，熟悉其操作规程并学会熟练操作。
2、观察分析不同材料的静载拉伸和冲击断口的宏观形貌，区分断口的特征区域，了解各特征区域的形貌特点,用体视显微镜拍摄能反映特征区域特点的断口照片。
3、分析比较不同材料静载拉伸和冲击断口的宏观形貌的区别，并分析原因。
四、实验所用材料、工艺规范及仪器设备
1、实验材料
低碳钢、中碳钢和铸铁拉伸断口试样；低碳钢和铸铁冲击断口试样；酒精；药棉。
2、工艺规范
利用静载拉伸和冲击实验后的断口试样，对试样断口进行宏观观察分析，区分不同断口的各个特征区域，分析其形成的原因。
3、仪器设备
体视显微镜（型号：608Z），金相显微镜（型号：4XB），相机，摄像/照相系统。
五、实验组织及步骤
1、实验组织
每班分成若干批次，以每批次8-12人为宜。每批分4组，每组2-3人，每组铸铁、低碳钢（中碳钢）拉伸断口试样各一个，铸铁、低碳钢冲击断口试样各一个。
2、实验步骤
（1）记录零件的尺寸，了解零件的材料、加工工艺以及服役条件；
（2）用相机拍下整个零件的图片，用相机拍下整个断口的照片；
（3）用体视显微镜观察断口形貌并拍照记录，分析并找到各个特征区域；
（4）对断口进行微观分析，辨别不同断口的特征区域的异同；
（5）根据分析结果写出失效报告或不同材料断口的对比分析。
六、按照要求撰写实验报告