一、我們?yōu)槭裁匆鰯嗫诜治?
斷口上記錄著與裂紋有關(guān)的各種信息，通過(guò)對(duì)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(jù)著特殊重要的地位。可以說(shuō)斷口分析是斷裂失效分析的核心，同時(shí)又是斷裂失效分析的向?qū)В敢Х治錾僮邚澛贰?/p>
二、對(duì)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(shí)，主要觀察有無(wú)氧化色的痕跡、有無(wú)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(fā)藍(lán)顏色(或呈深紫色、紫黑色金屬光澤)等，有無(wú)腐蝕產(chǎn)物。
例如，高溫工作下的斷裂構(gòu)件，從斷口的顏色可以判斷裂紋形成的過(guò)程和發(fā)展速度，深黃色是先裂的，藍(lán)色是后裂的;若兩種顏色的距離很靠近，可判斷裂紋擴(kuò)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(jī)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(lèi)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(fā)光的小刻畫(huà)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(shí)可見(jiàn)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(shí)際上由許多微小的小斷面構(gòu)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(lái)說(shuō)，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(qū)則較粗糙。屬于脆性斷裂的解理斷裂形成的結(jié)晶狀斷口較粗糙，而準(zhǔn)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(kuò)展速度有關(guān)(成正比)，擴(kuò)展速度越快，斷口越粗糙。
2.4斷口與最大正應(yīng)力的交角：
不同的應(yīng)力狀態(tài)，不同的材料及外界環(huán)境，斷口與最大正應(yīng)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(xiàn)出來(lái)。即斷口與拉伸軸向最大正應(yīng)力交角是45°。脆性材料的拉伸斷口一般與最大拉伸正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣通常沒(méi)有剪切“唇口”。斷口附近沒(méi)有縮頸現(xiàn)象。韌性材料的扭轉(zhuǎn)斷口呈切斷型。斷口與扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力交角也是45°。脆性材料的扭轉(zhuǎn)斷口呈麻花狀，在純扭矩的作用下 ，沿與最大主應(yīng)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(jīng)宏觀或微觀觀察而發(fā)現(xiàn)：夾雜、分層、晶粒粗大、白點(diǎn)、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(xiàn)較為明顯的塑性變形。在工程結(jié)構(gòu)中,韌性斷裂一般表現(xiàn)為過(guò)載斷裂,即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。
在正常情況下,機(jī)載零件的設(shè)計(jì)都將零件危險(xiǎn)截面處的實(shí)際應(yīng)力控制在材料的屈服強(qiáng)度以下,一般不會(huì)出現(xiàn)韌性斷裂失效。但是,由于機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)歷設(shè)計(jì)、用材、加工制造、裝配直至使用維修的全過(guò)程中,存在著眾多環(huán)節(jié)和各種復(fù)雜因素,因而機(jī)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(jī)理是滑移,即在韌性斷裂前晶體產(chǎn)生大量的滑移。過(guò)量的滑移變形會(huì)出現(xiàn)滑移分離,其微觀形貌有滑移臺(tái)階、蛇形花樣和漣波等。
金屬材料滑移的一般規(guī)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(fā)生;③ 滑移首先沿具有最大切應(yīng)力的滑移系發(fā)生。
晶體材料產(chǎn)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(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)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(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞,經(jīng)形核、長(zhǎng)大、聚集，最后相互連接導(dǎo)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(jù)此就作出韌性斷裂的結(jié)論，因?yàn)轫g性斷裂與脆性斷裂的主要區(qū)別在于斷裂前是否發(fā)生可察覺(jué)的塑性變形。即使在脆性斷裂的斷口上，個(gè)別區(qū)域也可能由于微區(qū)塑變而形成韌窩。
3.1.3韌性斷裂失效分析的判據(jù)：
(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(qiáng)度不夠。
(2) 零件所承受的實(shí)際載荷超過(guò)原設(shè)計(jì)要求。
(3) 零件在使用中出現(xiàn)了非正常載荷。
(4) 零件存在偶然的材質(zhì)或加工缺陷而引起應(yīng)力集中，使其不能承受正常載荷而導(dǎo)致韌性斷裂失效。
(5) 零件存在不符合技術(shù)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(gòu)件在很少或不出現(xiàn)宏觀塑性變形(一般按光滑拉伸試樣的ψ<5%)情況下發(fā)生的斷裂稱作脆性斷裂,因其斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度,故又稱作低應(yīng)力斷裂。
由于脆性斷裂大都沒(méi)有事先預(yù)兆,具有突發(fā)性,對(duì)工程構(gòu)件與設(shè)備以及人身安全常常造成極其嚴(yán)重的后果。
3.2.1脆性斷裂的宏觀特征：金屬構(gòu)件脆性斷裂,其宏觀特征雖隨原因不同會(huì)有差異,但基本特征是共同的。
(1) 斷裂處很少或沒(méi)有宏觀塑性變形,碎塊斷口可以拼合復(fù)原。
(2) 斷口平坦,無(wú)剪切唇,斷口與應(yīng)力方向垂直。
(3) 斷裂起源于變截面,表面缺陷和內(nèi)部缺陷等應(yīng)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(xì)瓷狀,對(duì)著光線轉(zhuǎn)動(dòng)，可見(jiàn)到閃光的小刻面;灰暗斷口有時(shí)呈粗糙狀，有時(shí)呈現(xiàn)出粗大晶粒外形。
(5) 板材構(gòu)件斷口呈人字紋放射線，放射源為裂紋源，其放射方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向。
(6) 脆性斷裂的擴(kuò)展速率極高，斷裂過(guò)程在瞬間完成,有時(shí)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(yīng)力作用下,由于原子結(jié)合鍵被破壞而造成沿一定晶體學(xué)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(jiàn)的解理面見(jiàn)表1。面心立方晶系的金屬及合金,在一般情況下,不發(fā)生解理斷裂。
典型的解理小刻面上有以下微觀特征：解理臺(tái)階、河流花樣、舌狀花樣、魚(yú)骨狀花樣、扇形花樣及瓦納線等。
(2)準(zhǔn)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(diǎn)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(fā)現(xiàn)。
(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(fā)生斷裂在通常情況下，晶界的鍵合力高于晶內(nèi)，斷裂擴(kuò)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(dāng)，造成雜質(zhì)元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因溫度過(guò)高(加工溫度與使用溫度)使晶界弱化、或因環(huán)境介質(zhì)沿晶界浸入金屬基體等因素出現(xiàn)時(shí)，晶界的鍵合力被嚴(yán)重削弱,往往在低于正常斷裂應(yīng)力的情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴(kuò)展的優(yōu)先通道而發(fā)生沿晶斷裂。沿晶斷裂的路線一般沿著與局部拉應(yīng)力垂直的晶界進(jìn)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。
