03SEM的断口分析学习课程

1、几种典型断口形貌及其扫描电子显微镜图像特点一、按实验方式划分（应力方式）1.拉伸断口2.冲击试样断口3.疲劳断口二、按韧性、脆性分类1.韧性断口2.脆性断口第1页/共48页第一页，编辑于星期四：十九点 五十三分。一、按实验方式划分（应力方式）1. 拉伸断口2. 冲击试样断口3. 疲劳断口第2页/共48页第二页，编辑于星期四：十九点 五十三分。1、拉伸断口1.1宏观观察（5 ）：三个区域 纤维区：裂纹源形成区，有一定灰度放射区：裂纹扩展区；裂纹扩展方向：放射条纹破断区（剪切唇）：最后破断第3页/共48页第三页，编辑于星期四：十九点 五十三分。1.2微观观察（400以上 ） 纤维区：裂纹源形成区

2、大量韧窝（微坑）、撕裂棱（塑性变形的痕迹） 裂纹源形核：夹杂物、二相粒子、硬质点 放射区：裂纹扩展 剪切的韧窝第4页/共48页第四页，编辑于星期四：十九点 五十三分。1.3韧性断口性能 韧性好宏观看：纤维区较大； 纤维区灰度大； 放射区较小；微观看：韧窝大且深 塑性变形充分 韧性差纤维区较小；甚至没有纤维区灰度小；甚至小亮点放射区较大；韧窝小且浅，甚至没有塑性变形不充分第5页/共48页第五页，编辑于星期四：十九点 五十三分。微观放大照片第6页/共48页第六页，编辑于星期四：十九点 五十三分。2、冲击试样断口 主要体现放射区， 即裂纹扩展区 人字型花样韧性或脆性第7页/共48页第七页，编辑于星期

3、四：十九点 五十三分。冲击试样断口准解理花样第8页/共48页第八页，编辑于星期四：十九点 五十三分。3、疲劳断口疲劳断口，从宏观上看，疲劳断口分成三个区城，即疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。疲劳核心区：是疲劳裂纹最初形成的地方，一般起源于零件表面应力集中或表面缺陷的位置，如表面槽、孔，过渡小圆角、刀痕和材料内部缺陷，如夹杂、白点、气孔等。 疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口的最重要特征区域。它一般分为两个阶段。第一阶段，裂纹只有几个晶粒尺寸，且与主应力成45。，第二阶段垂直于主应力，它是疲劳裂纹扩糜的主要阶段。 扩展区断口的主要特征：是存在疲劳纹，即一系列基本上相互平行的、 略带弯曲的、呈波浪

4、形的条纹。 一般每一条纹为一次载荷循环所产生，但一个载荷循环不一定都能产生一条纹;疲劳纹间距的宽度随应力强度因子幅的大小而变。通常断口上由许多大小、高低不同的小断面所组成，每块小断面上疲劳纹是连续的、平行的，但相邻断面的疲劳纹是不连续的、不平行的，如图所示。第9页/共48页第九页，编辑于星期四：十九点 五十三分。二、按韧性、脆性分类1.典型韧性断口2.典型脆性断口()解理断裂准解理断裂沿晶断裂第10页/共48页第十页，编辑于星期四：十九点 五十三分。韧性断口 韧性断裂断口： 大量观察表明，微坑一般均形核于夹杂物、第二相粒子或硬质点处，因它们与基体之间结合力较弱，在外力作用下便容易在界面发生破裂

5、而形成微孔，然后逐渐长大成微坑。 扫描电子显微镜景深大，因此能够清晰地显示微坑底部的夹杂物或第二相粒子，从图上可看出这类质点与微坑几乎是一一对应的，说明一个夹杂物或第二相粒子就是一个微坑的形核位置。 微坑的形状：有等轴、剪切长形和撕裂长形三种，如图所示。 当断裂是由微孔聚集方式进行时，其断面上将出现微坑。按作用在金属材料上的应力状态，第11页/共48页第十一页，编辑于星期四：十九点 五十三分。韧性断口 如果材料在普遍屈服的情况下发生断裂，即韧性断裂，其断口一定是微坑聚集型的。 但是，如果材料在未曾发生普遍屈服情况下发生断裂，虽断口两侧微区发生变形，存在大量微坑，就整个构件来说仍属脆性断裂。所以

6、这样的断口形貌只说明断裂过程是按微坑聚集型的方式进行的，它不是延性断裂的同义词。 第12页/共48页第十二页，编辑于星期四：十九点 五十三分。韧窝（微坑）第13页/共48页第十三页，编辑于星期四：十九点 五十三分。二.2.1解理断裂二解理断口：穿晶断裂：解理断裂是金属在拉应力作用下，由于原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂。通常是沿着一定的，严格的晶面 (解理面)断开，有时也可以沿着滑移面或孪晶面发生解理断裂。脆性断裂：一般说解理是脆性断裂，但并不意味着所有的解理断裂都是脆性的，因为有的还伴有一定程度的塑性变形。 第14页/共48页第十四页，编辑于星期四：十九点 五十三分。二典型的解理断口特点:

7、 解理台阶 河流状花样 舌状花样 第15页/共48页第十五页，编辑于星期四：十九点 五十三分。二解理台阶 从理论上说在单个晶块内解理断口应是一个平面。但是实际晶体难免存在缺陷，如位错、夹杂物、沉淀相等，所以实际的解趣面是一簇相互平行的(具有相同晶面指数)、位于不同高度的晶面。不同高度解理面之间存在着“台阶”。扫描电子显微镜观察表明解理断口上存在着许多“台阶”，由于“解理台阶”边缘形状尖锐，电子束作用体积接近甚至暴露于表面（角大，大 ），所以在扫描电子显微镜图像上显得边缘异常的亮，如图所示。 第16页/共48页第十六页，编辑于星期四：十九点 五十三分。低温Sn-Ti合金，解理脆第17页/共48页

8、第十七页，编辑于星期四：十九点 五十三分。解理台阶河流状花样的形成 第18页/共48页第十八页，编辑于星期四：十九点 五十三分。二河流状花样 “河流状花样”是解理断裂最重要的特征。在解理裂纹的扩展过程中，众多的台阶相互汇合便形成河流状花样。它由“上游”讲多较小的台阶汇合成“下游”。较大的台阶。 “河流”的流向与裂纹扩展方向一致。 扩展方向：根据河流的流向，可以判定解理裂纹在微小区域内扩展方向。对于实际金属材料来说，由于大多数是多晶体，存在着晶界和亚晶界，当解理裂纹穿过晶界时将发生“河流”的激增或突然终止。这与相邻晶块的位向和界面的性质有关。 晶粒大小（晶界判定）：河流的其始与终结。第19页/共

9、48页第十九页，编辑于星期四：十九点 五十三分。二舌状花样 也是解理断裂重要特征之一。它的形成与裂纹沿孪晶-基体界面扩展有关。 这种孪晶是由解理裂纹以很高速度向前扩展时塑变只能以机械孪晶的方式进行而在裂纹前端形成的，如图所示，并常发生在低温。由于“舌”的形状关系，当一侧面向检测器时，另一侧背向；加上倾斜角度不一样，因此在扫描电子显微镜图像上，解理舌的一侧显得亮，而另一侧则暗，如图所示。 第20页/共48页第二十页，编辑于星期四：十九点 五十三分。A3钢，100O0C退火，在-l960C拉伸断裂时产生的舌状花样断口的二次电子像 舌状花样第21页/共48页第二十一页，编辑于星期四：十九点 五十三分

10、。二.2.2准解理断口 准解理断口：准解理断裂虽说属解理断裂，但两者又不完全相同，因此它有解理断裂变种的说法。近期工作表明，准解理断口实质上是由许多解理面组成的； 断口特征 ：许多短而弯曲的撕裂棱线条，由点状裂纹源向四周放射的河流花样，断面上有凹陷和二次裂纹等，如图所示。这种断口首先在马氏体回火钢中发现。 第22页/共48页第二十二页，编辑于星期四：十九点 五十三分。准解理断口微坑 小台阶 撕裂棱 波纹 剪切面 扇形面 第23页/共48页第二十三页，编辑于星期四：十九点 五十三分。准解理断口第24页/共48页第二十四页，编辑于星期四：十九点 五十三分。二.2.2沿晶断裂 沿晶断裂断口：沿晶断裂

11、(或晶间断裂)指的是多晶体沿晶粒界面彼此分离。 氢脆、应力腐蚀、蠕变、高温回火脆性以及焊接热裂纹等常发生晶间断裂。 通常沿晶断裂总是脆性的。由于晶粒是多面体，因此晶间断裂断口的主要特征是有晶界刻面的冰糖状形貌。 然而，某些材料的晶间断裂却显示很大的延性，断口上除呈现晶间断裂特征外，还有微坑。后者叫做晶间韧性断裂。 第25页/共48页第二十五页，编辑于星期四：十九点 五十三分。氢脆第26页/共48页第二十六页，编辑于星期四：十九点 五十三分。氢脆-Fe 脱C,N；充氢气-Fe 脱C,N；充氢气 晶界硬化， 晶内软化； 晶界软化， 晶内硬化；均体现氢脆第27页/共48页第二十七页，编辑于星期四：十

12、九点 五十三分。氢脆（沿晶断裂）第28页/共48页第二十八页，编辑于星期四：十九点 五十三分。SEM优缺点特点：1、特别适用于表面形貌观察（尤其是断口）； 立体感强，层次丰富，景深大2、分辨率较高，几十 ，甚至15 。（ 为原子尺度）3、连续放大： 5 至10万 （甚至20万 ） 宏观与微观组织过渡、结合及对应的好4、制样简单：a 尺寸大小合适，15mm 15mm （特殊25mm，35mm，100mm）b 导电（避免电荷集中效应）；不导电材料需喷C、Auc 清洁干燥（晾置15分钟以上），无油污第29页/共48页第二十九页，编辑于星期四：十九点 五十三分。SEM局限性1、仅于表面形貌观察； 结构

13、分析较差2、分辨本领赶不上TEM的原子尺度另、金相制样注意：稍深点腐蚀（衬度好，起伏大），充分利用SEM的立体感强，层次丰富，景深大第30页/共48页第三十页，编辑于星期四：十九点 五十三分。Al-Si过渡区（激光重熔）第31页/共48页第三十一页，编辑于星期四：十九点 五十三分。Al-Si激光重熔前第32页/共48页第三十二页，编辑于星期四：十九点 五十三分。Al-Si激光重熔区第33页/共48页第三十三页，编辑于星期四：十九点 五十三分。马氏体第34页/共48页第三十四页，编辑于星期四：十九点 五十三分。马氏体金相组织第35页/共48页第三十五页，编辑于星期四：十九点 五十三分。马氏体第36页/共48页第三十六页，编辑于星期四：十九点 五十三分。电子通道花样第37页/共48页第三十七页，编辑于星期四：十九点 五十三分。电子通道花样第38页/共48页第三十八页，编辑于星期四：十九点 五十三分。XRay图像第39页/共48页第三十九页，编辑于星期四：十九点 五十三分。XRay线分布第40页/共48页第四十页，编辑于星期四：十九点 五十三分。铸造枝晶第41页/共48页第四十一页，编辑于星期四：十九点 五十三分。分辨测定第42页/共48页第四十二页，编辑于星期四：十九点 五十三分。分辨测定第43页/共48页第四十三页