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1、研究生实验教学指导书材料失效分析课程实验实 验 指 导 书 分析测试中心 编写撰写人：王淑艳江苏科技大学材料科学与工程学院2012年 3月实验一：断口分析一、实验目的1了解断口分析常用的设备和方法；2掌握超景深显微镜和扫描电镜主要结构及操作方法；3掌握韧性断裂和脆性断裂的评定方法；4、掌握典型断口的宏观断口和微观断口的特征。二、实验内容、零件表面或内部的连续性遭到破坏而最终破断的断裂面称为断口，包括为了分析研究目的人为将裂纹打开形成的断面。断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、光学显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成
2、分特点及相结构等与致断因素的内在联系，它是失效分析中非常重要的方法与手段。 按裂纹的性质断裂可分为塑性断裂与脆性断裂，断裂前如有明显的宏观塑性变形（通常变形量大于5%的）称为塑性断裂，断裂前如没有宏观塑性变形脆性断裂。断口分析分为宏观分析和微观分析。典型断口包括静拉伸断口、冲击断口、疲劳断口 1、宏观断口特征 （1）静拉伸断口 塑性金属静拉伸试验中，试样经弹性变形，在颈缩关的塑性变形和形变强化阶段，试样上的变形是均匀的，颈缩开始后，变形便集中于颈部。拉伸断裂发生于颈部危险截面处，开成杯锥状断口，如图1所示，断口中心是在三向应力状态下，裂纹首先形成的地方，因吸收了大量塑性变形功而丧失了金属光泽，
3、呈纤维状，称为纤维区，纤维区外面有一圈形形似山脊的放射状花样，称为放射区，最外层在与拉力轴线成立45度的斜断口部分，这是最终断裂时，在最大切应力方向上大量滑移变形形成的，表面光滑，称为剪切唇。宏观断口上的纤维区、放射区、剪切唇合称为金属断口的三要素，如试验的温度、试样的形状和加载条件。 图1 圆形试样静拉伸断口 图2 圆形试样静拉伸断口示意图（ 2） 冲击断口 冲击试样一侧开有V型或U型缺口，与这相对的一侧不开缺口，承受摆锤冲击。其断裂过程为：首先在缺口附近形成裂纹，并向前扩展，若为塑性材料，则在缺口根部附近形成纤维断口区，此后，裂化纹快速扩展时，形成放射区，裂纹前沿接近试样周边时，形成剪切唇
4、，冲击试样宏观断口形貌如图3 所示。冲击试样在受冲击作用时，缺口侧受张应力，对面受压应图力，整个韧带上受力方向不同。所以在张应力作用下形成的放射特征花样，在进入受压区时，可能消失，而重新出现二次纤维区示意图见图4，若材料塑性足够高，则放射区可能完全消失整个断口由纤维区和净剪切唇组成，见图5。、图3 V型缺口冲击断口 图4 冲击断口示意图1、缺口；2、纤维区；3、放射区； 4剪切唇 图5 纤维区和剪切唇组成的冲击断口 （3）疲劳断口（弯曲疲劳断口） 疲劳断口按其载荷类型可分为弯曲疲劳断口、轴向疲劳断口、扭转疲劳断口及复合疲劳断口。其中以弯曲疲劳断口最多见。 旋转弯曲疲劳条件下，其应力分布是外层大
5、，中心小，故疲劳核心形成后向两侧发展速度较，中心较慢，其贝纹线比较扁平，而且最终破断区虽然在疲劳核心的对面，但总是相对于轴的旋转方向逆偏转一个角度，如图6所示。即存在偏转现象，所以从疲劳核心与最终破断区的相对位置可以推知轴的旋转方向图6 旋转弯曲疲劳断口2、微观断口特征（1）韧性断裂滑移分离 韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形，而塑性变形的普遍机理是滑移，即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离，其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。图7 滑移分离微观形貌（蛇形花样、涟波）韧窝 韧窝是金属韧性断裂的主要特征。韧窝又称作迭波、孔坑、微孔或微坑等。在外力作用下因强烈滑
6、移位错堆积，在变形大的区域产生许多显微空洞，或因夹杂物破碎，夹杂物和基体金属界面破碎而形成许多微小孔洞，孔洞在外力的作用下不断长大，聚集、形成裂纹直至最终分离，图8为微孔示意图，这种断裂方式称为微孔聚集型断裂，其断口称为韧窝断口。韧窝断口的微观形貌是有韧窝花样（断面上覆盖着大量微坑），在韧窝内经常可以看到夹杂物或第二相粒子，但并不是每个韧窝都要包含一个夹杂物或第二相粒子，见图9。韧窝类型：等轴韧窝、剪切韧窝、撕裂韧窝，主要取决于应力状态。虽然韧窝是韧性断裂的微观特征,但不能仅仅据此就作出韧性断裂的结论,因为韧性断裂与脆性断裂的主要区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性变形。即使在脆性断裂的断口上,
7、个别区域也可能由于微区塑变而形成韧窝。 图8 微孔聚集示意图 图9韧窝花样（含第二相）断口宏观形貌粗糙,色泽灰暗,呈纤维状;边缘有与零件表面呈45的剪切唇;断口附近有明显的塑性变形,如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。断口上的微观特征主要是韧窝。（2）脆性断裂解理断裂是金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面(即解理面)快速分离。解理面一般是表面能量最小的晶面。常见的解理面见下表。面心立方晶系的金属及合金,在一般情况下,不发生解理断裂。解理小刻面是解理断裂的典型特征。解理断口上的小刻面即为结晶面,呈无规则取向。当断口在强光下转动时,可见到闪闪发光的特征。在多晶体中,由于
8、每个晶粒的取向不同,尽管宏观断口表面与最大拉伸应力方向垂直,但在微观上每个解理小刻面并不都是与拉力方向垂直。典型的解理小刻面上有以下微观特征:解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及瓦纳线等。弄清解理台阶的特征及其形成过程,对于理解与解释解理断裂的主要微观特征河流花样,是非常重要的。 解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高的速度向前扩展时,在裂纹前端形成的 扇形花样，在很多材料中，解理面并不是等轴的，而是沿着裂纹扩展方向伸长，形成椭圆形或狭长形的特征，其外观类似扇形或羽毛形状。 图10解理断口上的小刻面 图11解理小刻面的微观形貌
9、A台阶 B河流花样图12典型的河流花样图13舌状花样 图14扇形花样三、实验材料、设备1试验材料为 35NCD16、 钢2万能拉伸试验机3冲击试验机一台4、超景深显微镜5扫描电镜6数码照相机四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体,条件采用集中运行方式实验教学。五、实验步骤1、试样加工按GB228-87将试验材料加工为如图1所示的圆形拉伸试样。图15 圆形拉伸试样冲击试验：按GB229-94将试验材料加工尺寸为10mm10mm55mm的V或U形缺口试样，如图16所示。图16 冲击试样尺寸2、试样制备用万能拉伸试验机对试样进行拉伸试验，用冲击试验机对试样进行冲击试验，获得静拉伸断口、和冲击断口，保护断口，严禁对断口进行对接。 3、宏观断口检查 用肉眼、数码照相机、超景深对拉伸断口和冲击断口进行观察。 4、微观断口检查 用扫描电镜对拉伸断口和冲击断口进行观察。 5、记录数据六、实验报告1 写出典型断口的种类，并画出拉伸断口和冲击断口三要素示意图。2 韧性断裂和脆性断裂是如何区分的。3 根据试验结果写出拉伸断口和冲击断口的宏观形貌特征，并根据三要素确定裂纹源。4. 写出拉伸断口和冲击断口的微观形貌特征，并分析其形成机制。