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宏观断口分析之二——宏观断口分析(一)

       由于钢材或构件的断口基本特征与其断裂过程及各种影响因素有着内在的联系,因而可以应用断口宏观分析方法进行下述三个方面的工作:

        1、钢材质量检验

       钢材质量宏观分析是从宏观上观察这些断口的形貌特征,注意观察断口上有无夹杂、分层、粗大晶粒、疏松、缩孔等缺陷,判断断口是纤维状、瓷状还是结晶状等。一般韧性好的断口呈“纤维状”,脆性的断口呈“结晶状”或“瓷状”。分析缺陷的形状是以片、线还是以点为主,呈什么颜色,分布在断口的全部还是局部,是边缘还是中部、是相当于钢锭的头部还是尾部,处于钢锭的柱状晶区还是等轴晶区等。然后根据上述形状、颜色、分布等特征和钢材的冶炼加工方法,参考已有图片,确定断口的类型和缺陷的性质、程度及断裂原因,必要时补充微观分析。

        2、探讨力学性能不合要求的原因

        当力学性能试验不合要求时,断口宏观分析有助于探寻其原因。一般而言,尽管材料不同,断裂的方式不同,但从断裂力学的观点看,断裂过程总是存在着共同的特征:即裂纹萌生及缓慢生长区,裂纹快速扩展区,瞬时断裂区。因此,首先从断口形貌上看上述三个区域是否受到冶金质量或热处理工艺等的影响,其次应考虑这三个区域的相对大小随着试样的尺寸与几何形状、材料的强度水平和试验温度而变化的情况。分析时应先注意这些因素是否存在,然后再细加观察。

        3、寻找裂纹源位置

        断口分析的一个重要方面,在于确定断裂源的位置及裂纹走向,以分析发生断裂的原因和断裂的性质。裂纹源区是断裂破坏的宏观开始部位,寻找裂纹源区不仅是断裂宏观分析中最核心的任务,而且是断口微观分析的基础。寻找裂纹源,其方法有两种,即根据断口全貌寻找或根据断口特征寻找。

        第一种,根据断口全貌寻找,又称裂纹分析法。将断口碎片大致拼合起来,但不要使断面相碰,这样可以根据下列特点来确定裂纹源位置:(1)裂纹源方向总是与裂纹分叉方向相反;(2)如果一条裂纹与另一条裂纹垂直相交成丁字形,则裂纹源在横着的一条裂纹上;(3)在结构件的碎片中,变形、缩颈、弯曲或其他塑性变形最小的部位,最可能包含裂纹源;(4)在碎片拼合起来后,碎片之间配合不好,间隙最大的地方为裂纹源。

        第二种,根据断口宏观特征寻找裂纹源,可根据:(1)放射花样的放射中心指向裂纹源;

2)人字纹顶点指向裂纹源;(3)纤维区中心为裂纹源点;(4)从剪切唇的对侧寻找裂纹源;(5)在构件表面缺口处寻找裂纹源;(6)疲劳断裂的源点在同心圆处;(7)应力腐蚀裂纹源在表面腐蚀产物集中处,氢脆断裂裂纹源在表层下面。

        实际工作中,断裂源区宏观分析时还应考虑:(1)破断是从表面、表层附近还是由内部开始的;(2)起源位置与零件最大应力位置是否一致;(3)起源点是从一个地方,几个地方还是在很大范围内产生的;(4)若发现多个起源点时,他们是同时产生的,还是其中有一个最先产生的,其真正起源点是哪一个。

        如果找不到起源点,可以对与破断部位对称的,形状与应力状态相同的部位作详细的检查。如螺纹的一个齿根断裂可以检查邻近的齿根;轴的一侧断裂可以检查另一侧等。或者制备断口金相磨片于光学显微镜下观察次生裂缝形态,由次生裂缝形态大致判断断裂性质与原因。

        在断裂分析中,当裂纹源位置确定后,裂纹的宏观扩展方向亦随之确定,即指向裂纹源的相反方向为裂纹宏观扩展方向。不同情况下的裂纹扩展方向有:(1)由纤维状区域到剪切唇区域的方向为裂纹的宏观扩展方向;(2)放射状条纹的发散方向为裂纹的宏观扩展方向;(3)与疲劳前沿线或年轮条纹相垂直的方向为裂纹的宏观扩展方向;(4)在疲劳断口中,疲劳宏观台阶的方向为裂纹扩展方向;(5)在环境断裂分析中,腐蚀或氧化严重区域指向未腐蚀或氧化区域的方向为裂纹的宏观扩展方向。

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