斷口分析

對故障金屬構件斷裂面進行檢查並分析其斷裂原因的技術。斷口分析是研究金屬斷裂面的學科，是斷裂學科的組成部分。金屬破斷後獲得的一對相互匹配的斷裂表面及其外觀形貌，稱斷口。

斷口分析

正文

研究金屬斷裂面的學科，是斷裂學科的組成部分。金屬破斷後獲得的一對相互匹配的斷裂表面及其外觀形貌，稱斷口。斷口總是發生在金屬組織中最薄弱的地方，記錄著有關斷裂全過程的許多珍貴資料，所以在研究斷裂時，對斷口的觀察和研究一直受到重視。通過斷口的形態分析去研究一些斷裂的基本問題：如斷裂起因、斷裂性質、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過程的應力狀態以及裂紋擴展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和環境因素對斷裂過程的影響，通常還要進行斷口表面的微區成分分析、主體分析、結晶學分析和斷口的應力與應變分析等。隨著斷裂學科的發展，斷口分析同斷裂力學等所研究的問題更加密切相關，互相滲透，互相配合；斷口分析的實驗技術和分析問題的深度將會取得新的發展。斷口分析現已成為對金屬構件進行失效分析的重要手段。
斷口的巨觀和微觀觀察 斷口分析的實驗基礎是對斷口表面的巨觀形貌和微觀結構特徵進行直接觀察和分析。通常把低於40倍的觀察稱為巨觀觀察，高於40倍的觀察稱為微觀觀察。
對斷口進行巨觀觀察的儀器主要是放大鏡(約10倍)和體視顯微鏡（從5～50倍）等。在很多情況下,利用巨觀觀察就可以判定斷裂的性質、起始位置和裂紋擴展路徑。但如果要對斷裂起點附近進行細緻研究，分析斷裂原因和斷裂機制，還必須進行微觀觀察。
斷口的微觀觀察經歷了光學顯微鏡（觀察斷口的實用倍數是在 50～500倍間）、透射電子顯微鏡（觀察斷口的實用倍數是在 1000～40000倍間）和掃描電子顯微鏡（觀察斷口的實用倍數是在 20～10000倍間）三個階段。因為斷口是一個凹凸不平的粗糙表面，觀察斷口所用的顯微鏡要具有最大限度的焦深，儘可能寬的放大倍數範圍和高的解析度。掃描電子顯微鏡最能滿足上述的綜合要求，故近年來對斷口觀察大多用掃描電子顯微鏡進行（見金屬和合金的微觀分析）。
脆性斷口和延性斷口 根據斷裂的性質，斷口大致可以分為幾乎不伴隨塑性變形而斷裂的脆性斷口，和伴隨著明顯塑性變形的延性斷口。脆性斷口的斷裂面通常與拉伸應力垂直，巨觀上斷口由具有光澤的結晶亮面組成;延性斷口的斷裂面可能同拉伸應力垂直或傾斜,分別稱為正斷口和斜斷口；從巨觀來看，斷口上有細小凹凸，呈纖維狀。對於單軸拉伸斷口和衝擊斷口，在理想情況下，其斷裂面是由三個明顯不同的區域（即纖維區、放射區和剪下唇區）所構成（圖1）。這三個區域實際上是裂紋形成區、裂紋擴展區和剪下斷裂區（對衝擊拉伸則有終了斷裂區），通常稱它們為斷口三要素。對於同一種材料，三個區域的面積及其所占整個斷口的比例隨外界條件的改變而變化。例如：載入速率愈大，溫度愈低，則裂紋擴展區（即放射區）所占的比例也愈大。如果定義裂紋擴展區對另外兩個區面積的比值為R,則通常把R=1時的斷裂溫度稱為材料的韌性－脆性轉變溫度（或延性-脆性轉變溫度、塑性-脆性轉變溫度）。如果在同一溫度和載入速率下比較兩種材料的斷裂性質，則R值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。

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金屬斷裂的微觀機制 為了闡明斷裂的全過程（包括裂紋的生核和擴展，以及環境因素對斷裂過程的影響等），提出種種微觀斷裂模型,以探討其物理實質,稱為斷裂機制。在斷口的分析中，各種斷裂機制的提出主要是以斷口的微觀形態為基礎，並根據斷裂性質、斷裂方式以及同環境和時間因素的密切相關性而加以分類。根據大量的研究成果，目前已知主要的金屬斷裂微觀機制可以歸納在表1中。

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屬於不同斷裂機制的斷裂，其斷口微觀結構各具有獨特的形貌特徵。圖2所示是屬於不同基本斷裂機制的斷口所觀察到的典型微觀形貌，其物理本質和斷口特徵為：

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沿晶脆性斷裂 是指斷裂路徑沿著不同位向的晶界(晶粒間界)所發生的一種屬於低能吸收過程的斷裂。根據斷裂能量消耗最小原理，裂紋的擴展路徑總是沿著原子鍵合力最薄弱的表面進行。晶界強度不一定最低，但如果金屬存在著某些冶金因素使晶界弱化（例如雜質原子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脫溶，或脆性相在晶界析出等等），則金屬將會發生沿晶脆性斷裂。沿晶脆性斷裂的斷口特徵是:在巨觀斷口表面上有許多亮面,每個亮面都是一個晶粒的界面。如果進行高倍觀察，就會清晰地看到每個晶粒的多面體形貌（圖2a），類似於冰糖塊的堆集，故有冰糖狀斷口之稱；又由於多面體感特彆強，故在三個晶界面相遇之處能清楚地見到三重結點。

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沿晶脆性斷裂的發生在很大程度上取決於晶界面的狀態和性質。實踐表明，提純金屬,淨化晶界,防止雜質原子在晶界上偏聚或脫溶，以及避免脆性第二相在晶界析出等，均可以減少金屬發生沿晶脆性斷裂的傾向。因此,套用X射線能譜分析法和俄歇電子能譜分析法確定沿晶斷裂面的化學成分，對從冶金因素來認識材料的致脆原因，提出改進工藝措施有指導意義。
解理斷裂 屬於一種穿晶脆性斷裂，根據金屬原子鍵合力的強度分析，對於一定晶系的金屬，均有一組原子鍵合力最弱的、在正應力下容易開裂的晶面，這種晶面通常稱為解理面。例如：屬於立方晶系的體心立方金屬,其解理面為{100}晶面；六方晶係為{0001}；三角晶係為{111}。一個晶體如果是沿著解理面發生開裂,則稱為解理斷裂。面心立方金屬通常不發生解理斷裂（見晶體結構）。
解理斷裂的特點是:斷裂具有明顯的結晶學性質,即它的斷裂面是結晶學的解理面{h k l},裂紋擴展方向是沿著一定的結晶方向 〈u v w〉。為了表示這種結晶學性質,通常用解理系統{h k l}〈u v w〉來描述。對於體心立方金屬，已觀察到的解理系統有 {100} <001>，{100}〈011〉等。解理斷口的特徵是巨觀斷口十分平坦，而微觀形貌則是由一系列小裂面(每個晶粒的解理面)所構成。在每個解理面上可以看到一些十分接近於裂紋擴展方向的階梯，通常稱為解理階（圖2b）。解理階的形態是多種多樣的，同金屬的組織狀態和應力狀態的變化有關。其中所謂“河流花樣”是解理斷口的最基本的微觀特徵。河流花樣解理階的特點是：支流解理階的匯合方向代表斷裂的擴展方向；匯合角的大小同材料的塑性有關，而解理階的分布面積和解理階的高度同材料中位錯密度和位錯組態有關。因此，通過對河流花樣解理階進行分析，就可以幫助我們尋找主斷裂源的位置，判斷金屬的脆性程度，和確定晶體中位錯密度和位錯容量。

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準解理斷裂 也是一種穿晶斷裂。根據蝕坑技術分析表明，多晶體金屬的準解理斷裂也是沿著原子鍵合力最薄弱的晶面（即解理面）進行。例如：對於體心立方金屬（如鋼等），準解理斷裂也基本上是{100}晶面,但由於斷裂面上存在較大程度的塑性變形（見範性形變），故斷裂面不是一個嚴格準確的解理面。
準解理斷裂首先在回火馬氏體等複雜組織的鋼中發現。對於大多數合金鋼（如 Ni-Cr鋼和Ni-Cr-Mo鋼等），如果發生斷裂的溫度剛好在延性－脆性轉變溫度的範圍內，也常出現準解理斷裂。從斷口的微觀形貌特徵來看(圖2c),在準解理斷裂中每個小斷裂面的微觀形態頗類似於晶體的解理斷裂，也存在一些類似的河流花樣，但在各小斷裂面間的連結方式上又具有某些不同於解理斷裂的特徵，如存在一些所謂撕裂嶺等。撕裂嶺是準解理斷裂的一種最基本的斷口形貌特徵。準解理斷裂的微觀形貌的特徵，在某種程度上反映了解理裂紋與已發生塑性變形的晶粒間相互作用的關係。因此，對準解理斷裂面上的塑性應變進行定量測量，有可能把它同斷裂有關的一些力學參數如：屈服應力、解理應力和應變硬化參數等聯繫起來。

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韌窩斷裂 金屬多晶材料的斷裂，通過空洞核的形成、長大和相互連線的過程進行,這種斷裂稱為韌窩斷裂(dimple fracture)。韌窩斷裂是屬於一種高能吸收過程的延性斷裂。其斷口特徵為：巨觀形貌呈纖維狀，微觀形態呈蜂窩狀（圖2d）,斷裂面是由一些細小的窩坑構成,窩坑實際上是長大了的空洞核，通常稱為韌窩，它是韌窩斷裂的最基本形貌特徵和識別韌窩斷裂機制的最基本依據。系統的觀察表明，韌窩的尺寸和深度同材料的延性有關，而韌窩的形狀則同破壞時的應力狀態有關。由於應力狀態不同，相應地在相互匹配的斷口偶合面上，其韌窩形狀和相互匹配關係是不同的。如圖3所示:a為等軸型韌窩，韌窩形成的應力狀態為均勻應變型；b 為同向伸長韌窩，伸長方向平行於斷裂方向,其應力狀態為拉伸撕裂型；c為異向伸長型韌窩，伸長方向平行於斷裂方向，其應力狀態為刃滑動型；d為同向伸長韌窩,但伸長方向垂直於斷裂方向，其應力狀態為螺滑動型。除了上述四種基本的韌窩形狀外,還存在混合應力狀態下所形成的韌窩,理論分析表明，最低限度有14種,其中8種已從實驗觀察到。

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由於韌窩的形狀與應力狀態密切相關，故對斷口耦合面上相嚙合部位的韌窩形狀、尺寸和深度進行分析，就可以確定斷裂時所在部位的應力狀態和裂紋擴展的方向，並對材料的延性進行評價。還有其他斷裂的機制如：疲勞、蠕變和應力腐蝕斷裂等。
微觀斷裂機制的實際套用 作為材料斷裂韌性指標之一的裂紋擴展阻力Gc，它不但是一個材料常數，而且也同斷裂的微觀機制有關。例如：當斷裂機制是沿晶脆性斷裂或解理斷裂時，Gc值較小；反之，當斷裂機制是韌窩斷裂時，則Gc值較大,如表2所示。

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斷裂微觀機制的分析，有可能把斷口的形貌分析同斷裂力學指標聯繫起來，其中最重要的成果之一是系統地建立了斷裂機製圖，這對解決一些工程斷裂問題十分有用。所謂斷裂機製圖，是指選擇適當的斷裂參數、力學參數或物理參數作為坐標系，用它來確立各種可能出現的微觀斷裂機制的區域，以便發現各類金屬斷裂的普遍規律。在工程套用上，斷裂機製圖對工程設計，材料的選擇，使用條件的限制，以及失效分析等都能提供十分重要的指導性意見和數據資料，目前正大力開展這方面的工作。
參考書目
　C.L.Briant & S.K.Banerji, International Metals Review,23(1978),No.4,164.
　C.D.Beachem,Met.Trans.6 (1975),No.2,377.
　M.F.Ashby,C.Gandhi & D.M.R.Taplin,Acta.Met.,27 (1979),No.5,699；No.10,1565.

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