金属断口分析教案Word文件下载.docx
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第四章解理断裂
4
第五章疲劳断裂
5
第六章氢脆断裂
6
第七章应力腐蚀断裂
7
第八章其他断裂
8
合计
24
四、考核方式与成绩核定办法
1.考核方式：
闭卷考试
2.成绩核定办法：
总分＝70％×
考试成绩＋30％×
平时成绩
五、授课方案
章次名称
本章学时
1
课堂讲授
观看教学片
教学内容
断裂的分类；
材料的韧性及断裂力学。
教学要求
使学生掌握金属材料断裂方式的分类；
金属材料的韧性及其断裂力学。
教学重点难点
重点:
断裂的分类；
难点:
断裂力学。
教学策略
（1）课堂讲授；
（2）多媒体教学；
（3）课堂讨论。
（4）习题巩固。
教学预习
教材第一章
习题
1.简述金属断裂的分类方法
2.简述K准则与应力强度因子的区别于联系
参观/上机
裂纹源位置的判别方法；
宏观断口分析技术；
微观断口分析技术。
使学生能够正确理解并掌握金属断口分析技术中常用的一些术语、概念和分析方法。
重点：
裂纹源位置的判别；
断口分析技术。
难点：
断口分析技术
（3）课堂讨论；
教材第二章
简述ＳＥＭ、ＴＥＭ的应用
２
０
韧窝断口的宏观和微观形貌特征；
韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理。
要求学生掌握韧窝断口的宏观和微观形貌特征；
教材第三章
１．韧窝断口的宏观和微观形貌特征
２．韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理
第四章解理断裂
解理断口的宏观和微观形貌特征；
解理裂纹的萌生及扩展；
解理断裂的影响因素。
要求学生掌握解理断口的宏观和微观形貌特征；
教材第四章
简述解理断裂的影响因素
第五章 疲劳断裂
疲劳断口的宏观和微观形貌特征；
疲劳破坏机理；
疲劳断口的定量分析。
要求学生掌握疲劳断口的宏观和微观形貌特征；
疲劳破坏机理。
教材第五章
分析疲劳断口的宏观和微观形貌特征；
疲劳辉纹四要素
第六章氢脆断裂
自清脆断口的形貌特征；
氢脆的机理；
钢中的白点。
通过本章要求学生深入掌握清脆断口的形貌特征；
氢脆断口的形貌特征；
氢脆的机理。
教材第六章
简述氢脆断口的形貌特征；
第七章 应力腐蚀断裂
应力腐蚀断口形貌特征；
应力腐蚀断裂过程及机理；
应力腐蚀的影响因素及防护措施。
熟练掌握：
应力腐蚀断裂过程及机理。
教材第七章
1．应力腐蚀断裂过程及机理；
2．应力腐蚀断裂过程及机理
第八章 其他断裂
４
脆性沿晶断裂；
延性沿晶断裂；
过烧断口；
蠕变断裂
蠕变断裂。
教材第八章
1．沿晶断裂的影响因素及分类
2．蠕变断裂的曲线
1.1断裂的分类
1.1.1脆性断裂和延伸断裂：
根据宏观现象分
脆性断裂：
1）.裂纹源：
材料表面、内部的缺陷、微裂纹；
2）.裂纹扩展所需应力：
较低<
屈服应力；
3）.塑性变形：
少或无；
4）.断口：
平齐、与正应力相垂直。
延性断裂：
孔穴的形成和合并;
2）.塑性变形：
较大;
3）.断口：
无光泽的纤维状、剪切面断裂、与拉伸轴线成45º
.
1.1.2穿晶断裂与沿晶断裂：
根据断裂扩展途径的不同来分
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。
1.1.3韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂：
根据微观断裂的机制上分
1.1.4正断、切断：
根据断面的宏观取向与最大正应力的交角
正断：
断面取向与最大正应力相垂直
切断：
断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45º
交角
1.2材料的韧性及断裂力学简介
1.2.1.材料的韧性：
反映材料抗脆断能力的新指标
概念：
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。
韧性的实验测定：
冲击韧性：
冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。
1.2.2.断裂力学：
（脆断）以线弹性理论为基础
裂纹尺寸与断裂强度的关系
：
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）
应力场强度分析与断裂韧性：
根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：
Ⅰ型：
裂纹张开型
Ⅱ型：
边缘滑开型（正向滑开型）
Ⅲ型：
侧向滑开型（撒开型）
在平面应力、应变条件下有（Ⅰ型）：
应力强度因子KN·
mn-3/2
a：
裂纹半长
裂纹形状系数
K准则：
当裂纹有缓慢扩展过渡到迅速扩展的瞬间，应力强度因子达到一个临界值KIC（以无限大板穿透裂纹为例）
即为：
脆性断裂的K准则
KⅠC：
材料常数，材料的平面应变断裂韧度
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。
Ⅱ型、Ⅲ型裂纹的应力强度因子：
Ⅱ型、Ⅲ型裂纹的失稳扩展条件：
2.1裂纹源位置的判别
2.1.1T型法
如果在一个零件，型，如图2.1示，在通常情况下横穿裂纹A为首先开裂。
因为在同一零件上后产生的裂纹不可能穿越原有裂纹扩展，裂纹扩展方向平行于A裂纹。
裂源位置在裂源区的裂纹较宽、较深。
A为主裂纹，B为二次裂纹为裂纹源。
2.1.2分叉法:
零件断裂过程中常常产生许多分叉，通常情况下裂纹分叉的方向为裂纹扩展方向，扩展的反方向指向裂源位置。
裂源在主裂纹上，一般情况下主裂纹宽而长。
见图2.2
图2.2分叉法示意图
2.3.1变形法:
延性断裂的零件在断裂过程中发生变形后碎成几块，将碎片拼合后变形盆大的部份为主裂纹，裂纹源在主裂纹所形成的断口上，见图2.3。
图中A为主裂纹，B，C为二次裂纹。
2.2断口试样制备技术
2.2.1断口的截取
a.在打开裂纹之前，要对零件的断裂部位进行拍照。
照片要包括零件全貌及宏观细节放大。
要求所拍照片主题明确、轮廓清楚、立体感强、没有多余的阴影。
b.打开裂纹：
在分析判断裂源位置及裂纹扩展方向后，一般都是沿着裂纹扩展方向将裂纹打开形成断口。
如果已知零件开裂原因可用同类型更大应力打开裂纹。
若不清楚引起开裂的应力可采用三点弯曲打开裂纹，如图2.4所示。
图2.4三点弯曲法
2.2.2清洗
a.对油污染的断口先用汽油沉去油腻，再把断口放入盛有丙酮、石油醚或三氯甲烷等有机溶液的玻璃皿内，将玻璃皿故人超声波振荡器件进行超声清洗。
b.对在潮湿空气中暴露时间比较长锈蚀比较严重的断口，去除氧化膜后才能观察。
可先用有机溶液、超声波或复型法清洗。
如果效果不好的话就要用化学方法清洗．见表2.1。
经化学清洗后的断口应立即放入稀Na2CO3或NaHCO3溶液中清洗，然后再用蒸馏水、酒精清洗、吹干保存。
c.在腐蚀环境下发生断裂断口，一般先用X射线、电子探针或能谱仪分析腐蚀产物成份、结构后再观察分析断口。
因为这些腐蚀产物对分析断裂原因是有利的。
化学清洗或多或少损坏断口形貌，一般只能最后使用。
事故断口分析中不急于清除表面覆盖物，必须认真分析覆盖物确认对分析无价值后再消洗。
表2.1化学方法清洗
2.2.3断口的保存：
拿到断口属最好立即观察，否则采用如下方法保存
a.在大气中的新鲜断口应立即放人燥器内放置或其它干燥、无尘的场所保存以避免断口受潮氧化。
b.不要用手触摸断口表面或匹配对接断面以免产生人为的损伤。
c.为防止断口生锈或腐蚀可在其表面涂抹保护材料如醋酸纤维素丙酮溶液、环节树脂或防锈漆。
d.从大块断口上取试样要采取保护措施。
如用醋酸纤维素丙酮溶液涂在断口上待干后切割，并防止锯屑赃物落在断口表面。
e.如发现断口上有细小外来物，为了防止落下，可用AC纸固定。
2.3断口分析
2.3.1扫面电子显微见（SEM）常用功能
⏹观察断口表面形貌。
⏹观察与断口成一定角度的剖面组织，研究断口形貌与显微组织之间的对应关系、裂纹走向、断裂机理。
图为双相钢断口剖面照片。
⏹配有能谱或波谱的扫描电镜上可进行断口上夹杂物、第二相或微区成份分析。
⏹在配有动态拉伸台的扫描电镜上可以观察拍照拉仲样品裂纹萌生、扩展直至断裂全过程。
⏹采用与金相浸蚀剂相同的腐蚀试剂浅腐蚀断口表面可同时显示断口形貌与显微组织。
⏹利用位向腐蚀坑技术即利用品体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。
表中给出腐蚀坑技术中常用腐蚀剂。
腐蚀时间一般为几秒至十几秒。
2.3.2透射电子显微镜（TEM）
⏹塑料-碳二级复型用来观察断口形态，它能给出扫描电镜所不能分辨的细节并可以在更高的倍率下观察这些细节。
例如图中为钢的疲劳条纹，放大28000倍。
⏹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结构，如结合能谱分析所给出的质点成份就能更准确的确定结构。
⏹为搞清断裂的原因有时需要从断口上切取金属薄膜进行透射电镜分析。
研究引起断裂的质点形态、大小及分布以及与母相间位向关系。
图中为12CrlVoV钢解理断口．从该断口上切取金属薄膜的透射电镜照片及衍射谱。
经分析产生解理断裂的原因是在（001）面上片状钒的氮化物析出所致。
2.3.3常见断口特征
3.1韧窝断口的宏观形貌特征
⏹韧窝—微观聚集型断裂：
外力作用（拉伸、剪切、冲击等）→滑移位错堆积（或夹杂物破碎）→微孔→微孔长大、聚集→断裂
⏹韧断宏观特征：
纤维区（表面颜色灰暗，无金属光泽）、放射区、剪切唇
3.2韧窝断口的微观形貌特征
韧窝的形状取决于应力状态
⏹等轴韧窝：
拉伸正应力、均匀分布等轴
⏹剪切韧窝：
剪切应力、抛物线形状（对于拉伸、冲击断口：
剪切唇部位属于此类）
⏹撕裂韧窝：
撕裂应力、抛物线形状（沿应力方向）
⏹卵形韧窝：
大韧窝与小韧窝的交截结果
3.3韧窝裂纹的萌生扩展及韧窝形成的微观机理
3.3.1韧窝裂纹的萌生和扩展
韧窝断裂包括三个阶段裂纹的萌生一形成显微孔洞裂纹的扩展聚集和最终断裂见图3.12。
研究表明能否在质点处萌生裂纹，和质点与基体结合致密程度有关。
结合紧固不易萌生裂纹，反之，容易萌生裂纹。
微孔形成后，扩展方式有两种，一种为内颈缩扩展、另一种为剪切扩展。
内颈缩展是质点大小、分布均匀，韧窝在多处形核起裂，以后随变形的增加，微孔壁变薄，通过撕裂方式相连接.
3.3.2裂纹形成的微观机理
材料中在夹杂物或第二相粒丁一周围堆积者位错外，见图。
位错环一方面受第二相粒子或夹杂物的排斥作用，另一方面又受到位错堆积应力的作用而被推向第二相粒子或夹杂物。
无外力作用时它们处丁平衡状态，见当受外力作用时，平衡遭到破坏，位错环被推向第二相粒子。
当一个或一对位错环被推到半，一户与基体界面_t:
以后，界面将沿图}-11（c）中的AB面分开形成微孔。
由于微孔的形成，使后面的位错受到的排斥力大大减少。
另一方面原位错环后面的位错源又重新激活，产生新的位错环，并被不断地推向微孔，导致微孔迅速扩展，见图。
由于位错可以沿不同滑移面开往粒子边界，因此微孔可以由几个滑移面上开来的位错共同形成，图3-17（F}。
或其它滑移面上的位错向该微孔运动而使其长大。
4.1解理断口宏观形貌特征
解理断裂前几乎没有塑性变形，断口边缘没有或很少有剪切唇:
断日表面一般垂直于最大正应力方向。
解理断口宏观形貌特征是结晶状小刻面、“放射状”或“人字形”花样。
结晶状小刻面:
解理断口上的结晶正宏观上呈现无规则取向，当在光线照射下转动断口时呈现许许多多闪闪发光的平面.
“放射状”或.‘人早形”花样:
解理断口另一宏观特征是具有放射状条纹或人字条纹。
放射条纹的收敛处和人字纹的尖端为裂纹源。
“人字纹”形态反映材料性质与加载速度。
材料机械性能相同时加载速度越大“人字纹”愈明显。
加载速度相同时，材料脆性越大“人字纹”愈明显。
4.2解理断口微观形貌特征
在实际使用的金属材料中晶体取向是无序的，解理裂缝沿不同取向解理面扩展过程中裂缝会相交成具有不同特征的花样，其中最突出最常见的特征是河流花样，另外还有舌状花样、扇形花样、鱼骨状花样、瓦纳（Wallner线及二次裂纹。
4.2.1河流花样
解理裂纹沿晶粒内许多个互相平行的解理面扩展时相互平行的裂纹通过二次解理;
与螺位错相交;
撕裂或通过基体和孪晶的界面发生开裂而相互连接，由此产生的条纹花样类似河流称为河流花样;
解理裂纹扩展过程中为减少能量的消耗，河流花样会趋于小河流合并成大河流。
根据河流的流向可以判断裂纹扩展方向及由此找出裂纹源。
河流花样的起源：
⏹晶界、亚晶界、孪晶界
⏹夹杂物和析出相
⏹晶粒内部（解理面与螺型位错产生交截的地方）
解理断裂的萌生和扩展
1.裂纹萌生机制：
⏹位错塞积极制
位错运动→运动受阻（晶界、孪晶界、第二相夹杂物）→位错堆积→（理论断裂强度）→产生微裂纹
⏹位错反应机制：
位错运动→位错相遇→产生新位错（不动位错）→阻碍随后的位错运动→位错堆积→→产生微裂纹
⏹滑移解理机制
位错运动→排列成小角度晶界→部分晶界被阻碍→产生拉应力→微裂纹
2.裂纹的扩展：
⏹根据格里菲斯表达式来解释：
σc：
垂直裂纹面得外加平均应力（材料实际断裂强度）
E：
弹性模量
γ：
裂纹面比表面能
C：
裂纹半长度
上式只适应于完全脆性材料，当材料发生伴随少量塑性变形的解理断裂时，格里菲斯判据改为：
P：
塑性变形功
4.3解理断裂的影响因素
⏹试验温度T↓，裂纹尖端塑性变形区↓→裂纹扩展阻力↓→解理断裂发生的容易程度上升；
⏹应变速率↑→解理断裂发生的容易程度↑；
⏹hcp、bcc类型金属、合金易发生解理断裂，fcc类型金属、合金不易发生解理断裂（滑移系）；
⏹晶粒尺寸↑发生解理断裂的可能性↑；
⏹5显微组织不同，解理断裂路径不同。
断口形貌不同；
⏹6第二相粒子越粗大越容易发生解理断裂。
4.4准解理断裂
⏹概念：
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
⏹宏观特征：
宏观断口较平整，少或无宏观塑性变形，结晶状小刻面，亮但不发光，较明显的放射状花样
第五章疲劳断裂
5.1概论
通常所说的疲劳间题实际上包含了循环应力和循环应变两个性质上不同的领域，它们的失效可能有着不同的机理。
对于某些循环载荷作用下的疲劳问题，在每一个循环期间内都出现很大的塑性变形，这种情况一般在载荷较大或有严重应力集中时出现，其相应的疲劳寿命较短，一般在I护一1护左右，通常称之为低周疲劳或应变疲劳。
另一类是应变循环幅度主要限制在弹性范围内，应力不大于屈服极限，这种情况通常是在轻载或应力分布较均匀的情况下出现，其相应的疲劳寿命较长，疲劳失效循环数达105以上.一般称为高周疲劳。
工程中的疲劳断裂有着不同的原因、过程和结果，但下述几点是疲劳断裂的一般特征：
1，疲劳断裂应力远比静载下材料的抗拉强度低，甚至比屈服强度低很多，且无论脆性材料还是塑性材料，都是在没有出现明显的塑性变形情况下突然断裂的，是一种低应力脆断破坏现象;
2.疲劳断裂是损伤积累过程的结果，是与时间相关的破坏方式，它包括了裂纹萌生、裂纹扩展和失稳断裂三个部分，不同阶段损伤方式和损伤量不同;
3.工程构件对疲劳载荷的抗力比对静载荷要敏感得多，其疲劳抗力不仅取决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件和环境等密切相关;
4.微观上，疲劳断裂一般为穿晶断裂。
5.2疲劳断口的宏观形貌特征
5.2.1疲劳核心（或称疲劳源）
用肉眼或用低倍放大镜就能大致判断其位置，它是疲劳破坏的起点。
在疲劳断日上，它是一个光滑、细洁的扇形小区域。
实际上，真正的疲劳源是大致位于“扇”柄处的裂纹萌生和微观裂纹（几十微米长）扩展处。
疲劳核心一般总是在表面处形成，但如果构件内部存在缺陷，如脆性夹杂物、空洞、化学成份的偏析，或进行了某种表面处理等，也可能在“皮下”或内部产生。
疲劳核心的数目有时不止一个，可能有两个甚至两个以上，尤其是低周疲劳，断口常有几个位于不同位置的疲劳核心。
5.2.2疲劳裂纹扩展区
这是疲劳断口上最重要的特征区域，很多情况下，它占据了断见呈现贝纹状、蛤壳状或海滩波纹状的条纹。
这些条纹以裂纹核心为中心，向四周扩散，形成一簇弧形线条，它们垂直于裂纹扩展方向。
裂纹形成后，拉应力作用时，裂纹张开，尖端钝化，受压或卸载时闭合，裂纹尖端重新锐化，再一次循环受拉，由于尖端的应力集中，发生亚临界扩展，便留下一条疲劳辉纹，这些辉纹肉眼难于分辨。
5.2.3瞬断区
这是疲劳裂纹扩展到临界尺寸后失稳扩展所形成的区域，它的特征与静载拉伸断口中快速断裂的放射区及剪切唇相似，放射区和剪切唇的有无、大小与材斜的特性及载荷的历程有关。
载荷较大或有突然超载的情况时两个特征形貌明显，且占断口的比例也较大，若载荷较稳定，对某些材料的断口就可能看不到明显的放射区，而只有剪切唇，瞬断区也较小。
但有些较脆材料的断口，瞬断区就呈结晶状的脆性断口特征了。
根据所受载荷的特点，疲劳断口可分为弯曲疲劳、轴向（拉-拉，拉一压或脉动）疲劳断口、扭转疲劳断口及复合疲劳断口，其中以弯曲疲劳断口最为常见，纯粹的轴向疲劳断口较少见。
5.3疲劳断口的微观特征
在疲劳断口宏观断日形貌分析时，我们将断口分为疲劳源、裂纹扩展和瞬时断裂三个区域。
但曾指出，宏观匕惯称的疲劳源区实际上包括了裂纹在1rt}m以下的裂纹扩展过程。
裂纹成核后，扩展至零点几毫米的扩展历程与后期的裂纹扩展有着不同的特点。
所以，在进行疲劳断口的微观形貌分析时，我们将根据裂纹产生至断裂的微观特性把整个过程分为裂纹萌生、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和瞬时断裂四个阶段。
裂纹的萌生是局部切应力作用的结果。
在最大切应力的作用下，材料表层的位错移动便会形成细小的滑移带，其高度约为10-7厘米。
疲劳应力越大，滑移带的数量越多，高度越大，这些滑移带最终将成为萌生疲劳裂纹的区域。
在反复载荷的作用下，在相邻的滑移平面上将引起反向滑移，疲劳滑移带就会在表面上形成沟槽和隆脊。
疲劳辉纹的一般特点
经长期观察与研究，人们对疲劳辉纹总结了如下一般特点:
（l）疲劳辉纹为一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲呈波浪形，并与裂纹局部扩展方向相垂直;
（2）每一条辉纹代表一次载荷循环，辉纹个数等于载荷循环次数;
（3）辉纹间距随应力强
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