金属材料的裂纹与断口分析

说明铸铁和低碳钢断口的特点铸铁和低碳钢是常见的金属材料，在工业生产和日常生活中都有广泛应用。

在使用这些材料时，经常需要对它们的断口进行分析，以了解其特点和性能。

本文将从断口的形态、颜色、纹理等方面详细说明铸铁和低碳钢断口的特点。

一、铸铁断口特点1. 断口形态铸铁的断口形态通常呈灰白色或深灰色，呈片状或贝壳状。

这是因为铸造过程中，铸件内部存在气孔、夹杂物等缺陷，导致其强度较低。

当受到拉伸力时，这些缺陷会在断裂面上形成明显的裂纹，最终导致片状或贝壳状的断口。

2. 断口颜色铸铁的断口颜色通常为灰白色或深灰色。

其中灰白色断口是由于表面氧化而形成的；深灰色则是由于碳化物晶体在断裂面上反射光线而形成的。

3. 断口纹理铸铁的断口纹理通常呈现出明显的晶粒状结构。

这是由于铸造过程中，液态金属在冷却过程中形成了不同大小的晶粒，断裂时这些晶粒会在断口上形成明显的纹理。

二、低碳钢断口特点1. 断口形态低碳钢的断口形态通常呈现出光滑平整的贝壳状或韧窝状。

这是因为低碳钢具有较高的韧性和塑性，在受到拉伸力时，其分子间结合力会先逐渐减弱，而不是突然断裂，最终导致贝壳状或韧窝状的断口。

2. 断口颜色低碳钢的断口颜色通常为银白色或灰白色。

其中银白色是由于表面氧化而形成的；灰白色则是由于金属内部晶粒在断裂面上反射光线而形成的。

3. 断口纹理低碳钢的断口纹理通常呈现出细密均匀的晶粒结构。

这是由于低碳钢具有较高的纯度和均匀性，在冷却过程中形成了细密均匀的晶粒，断裂时这些晶粒会在断口上形成均匀的纹理。

三、铸铁和低碳钢断口特点对比1. 形态对比铸铁的断口形态通常呈片状或贝壳状，而低碳钢的断口形态通常呈贝壳状或韧窝状。

这是由于两者材料性质不同，在受到拉伸力时产生了不同的变化。

2. 颜色对比铸铁和低碳钢的断口颜色都为灰白色或深灰色，但是在具体颜色上还是存在差异。

其中铸铁的灰白色更加明显，而低碳钢则更加接近银白色。

3. 纹理对比铸铁和低碳钢的断口纹理也存在差异。

金属材料断口分析的步骤与方法金属材料断口分析是一项综合性很强的技术分析工作，通常需要采用多种仪器联合测试检验的结果，从宏观到微观，从定性到定量进行研究分析。

因此，需要严格的科学态度和有步骤的操作。

断口分析的步骤包括：选择、鉴定、保存和清洗试样；宏观检验和分析断裂表面、二次裂纹以及其他表面现象；微观检验和分析；金相剖面的检验和分析以及化学分析；断口定量分析，如断裂力学方法；模拟试验等。

在进行断裂构件的处理和断口的保存时，需要采取措施把断口保存好并尽快制定分析计划。

对于不同情况下的断口，应采用不同的方法进行处理。

例如，对于大气中的新鲜断口，应立即放入干燥器内或真空干燥器内而不必清洗；对于带有油污的断口，应先用有机溶剂溶去油污，最后用无水乙醇清洗吹干；在腐蚀环境下发生断裂的断口，则需要进行产物分析。

通常可以采用X射线、电子探针、电子扫描显微镜或俄歇能谱仪进行产物分析，得出结论后再去掉产物观察断口形貌。

总之，断口分析是一项重要的金属材料分析技术，需要严格的科学态度和有步骤的操作。

去除腐蚀产物的方法之一是干剥法。

使用醋酸纤维纸（AC纸）进行清理是最有效的方法之一，特别是在断口表面已经受到腐蚀的情况下。

将一条厚度约为1mm的AC纸放入丙酮中泡软，然后放在断口表面上。

在第一张条带的背后衬上一块未软化的AC纸，然后用夹子将复型牢牢地压在断口表面上。

干燥后，使用小镊子将干复型从断口上揭下来。

如果断口非常污染，可以重复操作，直到获得一个洁净无污染的复型为止。

这种方法的一个优点是，它可以将从断口上除去的碎屑保存下来，以供以后鉴定使用。

此外，还可以使用复型法来长期保存断口。

断口表面不能使用酸溶液清洗，因为这会影响断口分析的准确性。

对于在潮湿空气中暴露时间比较长、锈蚀比较严重的断口，以及高温下使用的有高温氧化的断口，一定要去除氧化膜后才能观察，以避免假象。

如果一般有机溶液、超声波洗涤和复型都不能洁净断口表面，可以采用化学清洗。

序
号
断裂类型断裂特征及断口特征断口形貌
1 韧性断裂金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，是一种缓慢撕裂的过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。

韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力呈45度角。

用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。

纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则使纤维断口表面对光反射能力
很柔弱致。

2 脆性断裂脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有任何征兆，因而危险性很大。

脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。

3 穿晶断裂
多晶体金属断裂时，裂纹
扩展的路径可能是不同
的。

穿晶断裂的裂纹穿过
晶内。

穿晶断裂可以是韧
性断裂（如韧脆转变温度
以上的穿晶断裂），也可以
是脆性断裂（低温下的穿
晶解理断裂）
4 沿晶断裂
沿晶断裂的裂纹沿晶界扩
展，大多数是脆性断裂，
由晶界上的一薄层连续或
不连续脆性第二相、杂质
物，破坏了晶界的连续性
所造成，也可能时杂质元
素向晶界偏聚引起的。

应力腐蚀、氢脆、回火脆
性、淬火脆性、磨削裂纹
等大都是沿晶断裂。

名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。

蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。

准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形〔变形量大于解理断裂、小于延性断裂〕是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。

解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。

应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。

正断：断面取向与最大正应力相垂直〔解理断裂、平面应变条件下的断裂〕韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。

冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。

位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。

河流把戏：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。

其形状类似地图上的河流。

断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体构造。

氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。

卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。

等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。

均匀分布于断口外表，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。

第一章断裂的分类及特点1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。

脆性断裂裂纹源：材料外表、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。

延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45º .2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。

穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。

应力腐蚀断口，氢脆断口。

3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理〔及准解理〕、沿晶和疲劳断裂4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直〔解理断裂、平面应变条件下的断裂〕切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45º交角〔平面应力条件下的撕裂〕根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：裂纹张开型、边缘滑开型〔正向滑开型〕、侧向滑开型〔撒开型〕裂纹尺寸与断裂强度的关系Kic：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量〔不同于应力强度因子，与K准则相似〕：断裂应力〔剩余强度〕 a ：裂纹深度〔长度〕Y：形状系数〔与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关〕脆性材料K准则：KI是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量；KIC是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法：T型法〔脆断判别主裂纹〕，分差法〔脆断判别主裂纹〕，变形法〔韧断判别主裂纹〕，氧化法〔环境断裂判别主裂纹〕，贝纹线法〔适用于疲劳断裂判别主裂纹〕。

解理裂理断口的异同提要：本文将介绍材料科学领域中常用的解理裂纹断口观察方法，并对不同类型的断口进行对比和分析，以便更好地了解材料的性能和特性。

引言：解理裂纹断口观察是材料科学中常用的分析方法，通过观察和比较不同材料的断口形貌，可以了解材料的结晶性质、应力状态、破坏方式等重要信息。

本文将对金属材料和非金属材料的断口进行对比和分析，探讨它们的异同点。

一、金属材料的断口分析金属材料的解理裂纹断口通常呈现出以下特点：1.平整面：金属材料的解理裂纹断口多呈现出平整的特点。

这是因为金属具有均匀的晶格结构，断裂时发生在晶界处或晶粒内的断口层上，形成平整的断裂面。

2.特征条纹：在金属的断口上，常常可以观察到明显的特征条纹。

这些条纹是由金属内部的晶粒边界和分布不均匀的夹杂物所形成的。

通过这些特征条纹的分析，可以推测出金属的晶粒生长和凝固过程。

3.断口韧突：金属的断口通常会形成一些韧突状的特征，这是由金属在受力过程中形成的。

韧突的形状和大小可以反映金属的塑性变形能力，对材料的韧性和延展性性能有重要的指示作用。

二、非金属材料的断口分析非金属材料的断口与金属材料有一些明显的不同之处：1.不规则断裂面：与金属材料不同，非金属材料通常呈现出不规则的断裂面。

这是因为非金属材料的晶体结构不均匀，断裂面上会形成不同深浅和方向不同的缺陷和裂纹。

2.显著的分层：非金属材料的断裂面常常呈现出分层的特点。

这是由于非金属材料的层状结构或纤维状结构，在断裂时易于沿着层状结构或纤维的方向发生断裂，形成分层的断口。

3.静电击穿：一些非金属材料，在断裂时会发生静电击穿的现象。

这是由于非金属材料本身具有较高的电阻性能，在断裂时会积累电荷，形成静电击穿的现象。

三、解理裂纹断口的应用解理裂纹断口的观察和分析在材料科学中有广泛的应用：1.材料评价：通过观察不同材料的断口特征，可以评价材料的韧性、脆性、疲劳性等机械性能。

这对材料的选择和设计具有重要意义。

2.破坏分析：解理裂纹断口的观察可以帮助研究人员分析材料的破坏机理和原因。

金属材料断口分析的步骤与方法断口分析通常是一个从宏观到微观，从定性到定量的分析过程，并且是应用多种仪器联合测试检验的结果，是综合性很强的技术分析工作。

因此需要严格的科学态度，精心地、有步骤地进行研究分析。

断口分析步骤：(1)所有试样的选择、鉴定、保存以及清洗;(2)宏观检验和分析(断裂表面、二次裂纹以及其他的表面现象);(3)微观检验和分析;(4)金相剖面的检验和分析以及化学分析;(5)断口定量分析(断裂力学方法);(6)模拟试验。

1 断裂构件的处理及断口的保存在确定了断裂的金属构件后，就要采取措施把断口保存好，尽快制定分析计划。

通常金属构件的断裂不止一个断口，有时要立即判断主断口有困难，此时应该把所有断件收集好，在收集过程中切勿把断口碰伤或对接，也不要在断口上使用防蚀涂层。

保护和清理断口是断口分析的一个重要前提。

对断口和裂纹轨迹进行充分检查后方可进行清洗。

对于不同情况下的断口应该用不同方法处理：(1)大气中的新鲜断口，应立即放入干燥器内或真空干燥器内而不必清洗。

(2)对于带有油污的断口，首先用汽油，然后用丙酮、三氯甲烷、石油醚及苯等有机溶剂溶去油污，最后用无水乙醇清洗吹干。

当浸没处理还不能去除油污时，可使用蒸汽或超声波方法进一步去除。

(3)在腐蚀环境下发生断裂的断口，通常在断口上覆盖一层腐蚀产物，这层产物对于分析断裂原因是非常有用的，但对断口形貌观察常常带来很大的麻烦。

在这种情况下，需要用综合分析的方法来考虑。

因为有许多腐蚀产物容易水解或分解，因此进行产物分析要抓紧时间，同时不要进行任何清洗和处理。

通常把带有腐蚀产物的断口试样，先用X射线、电子探针、电子扫描显微镜或俄歇能谱仪进行产物分析，得出结论后去掉产物再观察断口形貌。

去掉腐蚀产物有时可采用干剥法。

用醋酸纤维纸(称AC纸，由7%的醋酸纤维素、丙酮溶液制成厚度0.1～1mm的均匀薄膜)复型进行清理是最有效的方法之一，尤其是断口表面已经受到腐蚀的时候。

金属的断裂条件及断口金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。

断裂是裂纹发生和发展的过程。

1. 断裂的类型根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。

脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。

韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。

韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。

2. 断裂的方式根据断裂面的取向可分为正断和切断。

正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。

切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。

3. 断裂的形式裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。

穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。

晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。

机器零件断裂后不仅完全丧失服役能力，而且还可能造成不应有的经济损失及伤亡事故。

断裂是机器零件最危险的失效形式。

按断裂前是否产生塑性变形和裂纹扩展路径做如下分类。

韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色纤维状，有大量塑性变形的痕迹。

脆性断裂则相反，断裂前从宏观来看无明显塑性变形积累，断口平齐而发亮，常呈人字纹或放射花样。

宏观脆性断裂是一种危险的突然事故。

脆性断裂前无宏观塑性变形，又往往没有其他预兆，一旦开裂后，裂纹迅速扩展，造成严重的破坏及人身事故。

因而对于使用有可能产生脆断的零件，必须从脆断的角度计算其承载能力，并且应充分估计过载的可能性。

. 金属材料产生脆性断裂的条件（1）温度任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。

温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。

（2）缺陷材料韧性裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。

材料的力学性能－断裂与断口分析材料的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。

工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。

如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。

任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。

对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的断裂控制。

✓材料在塑性变形过程中，会产生微孔损伤。

✓产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不断丧失。

✓损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。

按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂分为韧性断裂和脆性断裂两大类。

断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。

断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及时发现，一般不会造成严重的后果。

脆性断裂断裂前，没有宏观塑性变形的断裂方式。

脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成严重后果。

脆性断裂断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，意味着断裂应力低于材料屈服强度。

对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、环境脆断和疲劳断裂等。

脆性断裂一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断。

主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载脆性等。

材料的断裂比较合理的分类方法是按照断裂机理对断裂进行分类。

微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。

有助于→揭示断裂过程的本质→理解断裂过程的影响因素→寻找提高断裂抗力的方法。

材料的断裂将环境介质作用下的断裂和循环载荷作用下的疲劳断裂按其断裂过程特点单独讨论。

金属材料的断裂－静拉伸断口材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况：(a)(b)：平断口；(c)(d)：杯锥状断口；(e)尖刃断口平断口：材料塑性很低、或者只有少量的均匀变形，断口齐平，垂直于最大拉应力方向。