裂纹与断口分析

断口分析

研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。

断口的宏观和微观观察 断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。

对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。

断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在 50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行（见金属和合金的微观分析）。

脆性断口和延性断口 根据断裂的性质，断口大致可以分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口，和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成;延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，其断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成（图1）。这三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区（对冲击拉伸则有终了断裂区），通常称它们为断口三要素。对于同一种材料，三个区域的面积及其所占整个断口的比例随外界条件的改变而变化。例如：加载速率愈大，温度愈低，则裂纹扩展区（即放射区）所占的比例也愈大。如果定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为R,则通常把R=1时的断裂温度称为材料的韧性－脆性转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度）。如果在同一温度和加载速率下比较两种材料的断裂性质，则R值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。

解理裂理断口的异同

理解裂纹和断口之间的异同，需要先理解它们分别的定义。

裂纹是材料内部的一种缺陷，是一个或多个深度为d、长度为a、呈簿状或线状的平行于材料表面的缺陷。裂纹是材料内部的应力集中区域，当外部载荷作用于材料时，容易导致裂纹扩展并最终造成断裂。

断口是材料在受到外界力或其他作用下，由于裂纹扩展或其他原因而发生的断裂。断口是指材料在断裂过程中产生的两侧断开的表面。

下面是裂纹和断口之间的异同点：

相同点：

1. 裂纹和断口都与材料的断裂有关，都意味着材料的破坏或损伤。

2. 裂纹和断口都是材料内部应力和外部载荷之间的结果。

不同点：

1. 裂纹是材料内部的一种缺陷，是一个或多个平行于材料表面的缺陷。而断口是材料在受到外界力或其他作用下发生的破裂，是裂纹扩展或其他原因导致的两侧断开的表面。

2. 裂纹是发生在材料内部的，不易直接观察到。而断口是发生在材料的表面上，可以直接观察到。

3. 裂纹是由于材料的缺陷或不均匀应力引起的，对材料的强度和寿命有重要影响。而断口则是裂纹扩展到一定程度时，材料失去了连续性，无法继续承载外部载荷。

4. 裂纹可以通过检测方法（如超声波检测）来发现和定位。而断口通常可以通过肉眼观察或显微镜来观察和分析。

综上所述，裂纹和断口是材料断裂过程中的两个关键概念，裂纹是材料内部的缺陷，断口则是裂纹扩展到一定程度后的破裂表面。它们在形成原因、位置和观察方法等方面都有不同。

断裂形式

目录

 1 断裂的形式

 2 断口分析

 3 微孔聚集型断裂

 4 解理断裂

 5 影响材料断裂的基本因素



材料在外力下丧失连续性－断裂；

(1)断裂过程：裂纹的萌生、裂纹的扩展；

(2)断裂的形式：脆性断裂(断裂前无明显变形)、韧性断裂(断裂前有明显塑变)；

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

断裂形式 - 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。 断裂形式 - 断口分析

断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。

断裂形式 - 微孔聚集型断裂

微孔聚集型断裂的过程：微孔的形成、微孔的扩大和连接、试样断裂。

断裂形式 - 解理断裂

断裂面沿一定的晶面(解理面)，常见于体心立方、密排六方。

断裂形式 - 影响材料断裂的基本因素

1.结合键及晶体结构类型：离子晶体、难熔氧化物，共价晶体解理区域存在范围较大；面心立方一般不发生解理，体心立方金属低温时易解理；

2.化学成分及显微组织：金属材料具有细晶粒可以提高强度和塑性；晶界中有害杂质的偏聚或脆性相的析出降低塑性，易发生沿晶脆性断裂；

3.裂纹及应力状态：裂纹尺寸越大，断裂应力越低；

4.温度：大多数金属随温度的下降，从韧性断裂向脆性断裂过渡，材料的屈服强度随温度下降而升高，温度对解理应力影响不明显，两力相等温度Tc。

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。 5 解理断裂 金属材料在一定的条件下（如低温），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，古城此种晶体学平面为解理面。家里面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。

例如：Fe、晶体结构为bcc：解理面为｛001｝hcp的主要解理面为｛0001｝

6 剪切断裂 金属材料在切应力作用下沿滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集性断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形（单晶体金属）或刀尖形（多晶体金属的完全韧性断裂）。这是纯粹由滑移流变所造成的断裂。微孔聚集性断裂是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的。由于实际材料中常同时形成微孔，通过微孔长大互相连接而最终导致断裂。