一、我們為什么要做斷口分析?

　　斷口上記錄著與裂紋有關的各種信息，通過對這些信息的分析，可以找出斷裂的原因及影響因素。因此，斷口分析在斷裂失效分析中占據著特殊重要的地位。可以說斷口分析是斷裂失效分析的核心，同時又是斷裂失效分析的向導，指引失效分析少走彎路。

　　二、對于斷口我們主要分析什么呢?

　　2.1斷口的顏色與光澤：

　　觀察斷口表面光澤與顏色時，主要觀察有無氧化色的痕跡、有無夾雜物的特殊色彩與其他顏色。是紅銹、黃銹或是其他顏色的銹蝕灰色的金屬光澤、發藍顏色(或呈深紫色、紫黑色金屬光澤)等，有無腐蝕產物。

　　例如，高溫工作下的斷裂構件，從斷口的顏色可以判斷裂紋形成的過程和發展速度，深黃色是先裂的，藍色是后裂的;若兩種顏色的距離很靠近，可判斷裂紋擴展的速度很快

　　又如，鋼件斷口若是深灰色的金屬光澤，是鋼材的原色，是純機械斷口;斷口有紅銹是富氧條件腐蝕的 ;斷口有黑銹是缺氧條件腐蝕的等。

　　2.2斷口上的花紋：

　　不同的斷裂類型，在斷口上留下不同形貌的花紋，這些花紋是豐富多彩的，很多與自然景觀相似，并以其命名。

　　韌性斷裂宏觀有纖維狀斷口，微觀上則多有韌窩或蛇行花樣等。

　　脆性斷裂有解理特征，斷口宏觀上有閃閃發光的小刻畫或人字。山形花紋，而微觀上有河流條紋、舌狀花樣等。

　　疲勞斷裂斷口宏觀上有時可見沙灘條紋，微觀上有疲勞輝紋。

　　2.3斷口上的粗糙度：

　　斷口的表面實際上由許多微小的小斷面構成，其大小、高度差決定著斷口的粗糙度。不同材料、不同斷裂方式，其斷口粗糙度也不同。

　　一般來說，屬于剪切型的韌性斷裂的剪切唇比較光滑;而正斷型的纖維區則較粗糙。屬于脆性斷裂的解理斷裂形成的結晶狀斷口較粗糙，而準解理斷裂形成的瓷狀斷口則較光滑。疲勞斷口的粗糙度與裂紋擴展速度有關(成正比)，擴展速度越快，斷口越粗糙。

　　2.4斷口與最大正應力的交角：

　　不同的應力狀態，不同的材料及外界環境，斷口與最大正應力的交角是不同的。韌性材料的拉伸斷口往往呈杯錐狀或呈45°切斷的外形，它的塑性變形是以縮頸的方式表現出來。即斷口與拉伸軸向最大正應力交角是45°。脆性材料的拉伸斷口一般與最大拉伸正應力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣通常沒有剪切“唇口”。斷口附近沒有縮頸現象。韌性材料的扭轉斷口呈切斷型。斷口與扭轉正應力交角也是45°。脆性材料的扭轉斷口呈麻花狀，在純扭矩的作用下 ，沿與最大主應力垂直的方向分離。

　　2.5斷口上的冶金缺陷：這些冶金缺陷常可在失效件斷口上經宏觀或微觀觀察而發現：夾雜、分層、晶粒粗大、白點、白斑、氧化膜疏松、氣孔、撕裂等。

　　三、有哪些典型的斷口呢?

　　3.1韌性斷裂：又叫延性斷裂和塑性斷裂,即零件斷裂之前,在斷裂部位出現較為明顯的塑性變形。在工程結構中,韌性斷裂一般表現為過載斷裂,即零件危險截面處所承受的實際應力超過了材料的屈服強度或強度極限而發生的斷裂。

　　在正常情況下,機載零件的設計都將零件危險截面處的實際應力控制在材料的屈服強度以下,一般不會出現韌性斷裂失效。但是,由于機械產品在經歷設計、用材、加工制造、裝配直至使用維修的全過程中,存在著眾多環節和各種復雜因素,因而機械零件的韌性斷裂失效至今仍難完全避免。

　　3.1.1滑移分離：

　　韌性斷裂最顯著的特征是伴有大量的塑性變形,而塑性變形的普遍機理是滑移,即在韌性斷裂前晶體產生大量的滑移。過量的滑移變形會出現滑移分離,其微觀形貌有滑移臺階、蛇形花樣和漣波等。

　　金屬材料滑移的一般規則是:① 滑移方向總是原子的最密排方向;② 滑移通常在最密排的晶面上發生;③ 滑移首先沿具有最大切應力的滑移系發生。

　　晶體材料產生滑移的形式是多種多樣的,主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波狀滑移、滑移碎化和滑移扭折等。

　　滑移分離的基本特征是:斷面呈45°角傾斜;斷口附近有明顯的塑性變形;滑移分離是在平面應力狀態下進行的。

　　滑移分離的主要微觀特征有滑移線或滑移帶、蛇形花樣、漣波花樣。

　　3.1.2韌窩 ：金屬韌性斷裂的主要特征，韌窩又稱作迭波、孔坑、微孔或微坑等。

　　韌窩是材料在微區范圍內塑性變形產生的顯微空洞,經形核、長大、聚集，最后相互連接導致斷裂后在斷口表面留下的痕跡。

　　韌窩是韌性斷裂的微觀特征，但不能僅僅據此就作出韌性斷裂的結論，因為韌性斷裂與脆性斷裂的主要區別在于斷裂前是否發生可察覺的塑性變形。即使在脆性斷裂的斷口上，個別區域也可能由于微區塑變而形成韌窩。

　　3.1.3韌性斷裂失效分析的判據：

　　(1)斷口宏觀形貌粗糙，色澤灰暗，呈纖維狀，邊緣有與零件表面呈45°的剪切唇，斷口附近有明顯的塑性變形，如殘余扭角 、撓曲、變粗、縮頸和鼓包等。

　　(2)斷口上的微觀特征主要是韌窩。

　　3.1.4韌性斷裂原因：

　　(1) 零件所用材料強度不夠。

　　(2) 零件所承受的實際載荷超過原設計要求。

　　(3) 零件在使用中出現了非正常載荷。

　　(4) 零件存在偶然的材質或加工缺陷而引起應力集中，使其不能承受正常載荷而導致韌性斷裂失效。

　　(5) 零件存在不符合技術要求的鑄造、鍛造、焊接和熱處理等熱加工缺陷。

　　3.2脆性斷裂：

　　工程構件在很少或不出現宏觀塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的ψ<5%)情況下發生的斷裂稱作脆性斷裂,因其斷裂應力低于材料的屈服強度,故又稱作低應力斷裂。

　　由于脆性斷裂大都沒有事先預兆,具有突發性,對工程構件與設備以及人身安全常常造成極其嚴重的后果。

　　3.2.1脆性斷裂的宏觀特征：金屬構件脆性斷裂,其宏觀特征雖隨原因不同會有差異,但基本特征是共同的。

　　(1) 斷裂處很少或沒有宏觀塑性變形,碎塊斷口可以拼合復原。

　　(2) 斷口平坦,無剪切唇,斷口與應力方向垂直。

　　(3) 斷裂起源于變截面,表面缺陷和內部缺陷等應力集中部位。

　　(4) 斷面顏色有的較光亮,有的較灰暗。光亮斷口是細瓷狀,對著光線轉動，可見到閃光的小刻面;灰暗斷口有時呈粗糙狀，有時呈現出粗大晶粒外形。

　　(5) 板材構件斷口呈人字紋放射線，放射源為裂紋源，其放射方向為裂紋擴展方向。

　　(6) 脆性斷裂的擴展速率極高，斷裂過程在瞬間完成,有時伴有大響聲。

　　3.2.2脆性斷裂微觀特征：

　　(1)解理裂紋的微觀形貌特征：

　　解理斷裂是金屬在正應力作用下,由于原子結合鍵被破壞而造成沿一定晶體學平面(即解理面)快速分離 。解理面一般是表面能量最小的晶面。常見的解理面見表1。面心立方晶系的金屬及合金,在一般情況下,不發生解理斷裂。

　　典型的解理小刻面上有以下微觀特征：解理臺階、河流花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣、扇形花樣及瓦納線等。

　　(2)準解理裂紋的微觀形貌特征：許多短而彎曲的撕裂棱線條，由點狀裂紋源向四周放射的河流花樣，斷面上有凹陷和二次裂紋等，如圖所示。這種斷口首先在馬氏體回火鋼中發現。

　　(3)沿晶：又稱晶間斷裂，它是多晶體沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分離，即沿晶界發生斷裂在通常情況下，晶界的鍵合力高于晶內，斷裂擴展的路徑不是沿晶而是穿晶，如前述的韌窩型斷裂和解理斷裂等。但如果熱加工工藝不當，造成雜質元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因溫度過高(加工溫度與使用溫度)使晶界弱化、或因環境介質沿晶界浸入金屬基體等因素出現時，晶界的鍵合力被嚴重削弱,往往在低于正常斷裂應力的情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴展的優先通道而發生沿晶斷裂。沿晶斷裂的路線一般沿著與局部拉應力垂直的晶界進行。按斷面的微觀形貌，通常可將沿晶斷裂分為沿晶韌窩斷裂和沿晶脆性斷裂。