在对断裂构件进行分析时,需从该断裂件上切取断口试样,其目的一是缩小检查范围,二是选择最早开裂的断裂部位。
断裂过程经历了裂纹的形成与发展。当断裂是由一条裂纹造成的,则依据断口宏观形貌特征,便可方便地确定裂纹源位置及裂纹扩展方向;当断裂是由多条裂纹引起的,则必须从中判断首先开裂的部位,找到该部位的断口。一般而言,断裂件上许多裂纹的形成是有先后时间顺序的,确定裂纹形成的方法较多,下面介绍几种常用的检验方法。
1、主断面(主裂纹)的宏观判断
最初断裂件找到后,需立即确定该断裂件的主断面或主裂纹。所谓主断面就是最先开裂的断裂面。主断面的变形程度、形貌特点,特别是断裂源区的分析,是整个断裂事故分析中最重要的环节。在最初断裂件上如果存在数条裂纹或破坏成几个碎片,寻找主断面的方法一般有以下几种:
(1)T型法
如果在最初断裂件上断裂成几块或产生两条以上的相互连接的裂纹,此时依照T型汇合法的原则加以判断。
(2)分叉法
在一个破坏的零件上往往有多条相互连接的裂纹,尤其是负荷较大,因而裂纹作快速扩展的情况下,裂纹常常有许多分叉。
(3)氧化法
氧化法是利用金属或合金材料在环境介质中会发生氧化或腐蚀,并随着时间的增长而严重的现象判断裂纹扩展方向的方法。由于主裂纹(这里指表面裂纹)开裂的时间比二次裂纹开裂的时间早,所以主裂纹所扫过的截面,即断口上的氧化或腐蚀程度,比二次裂纹形成的断口上的氧化或腐蚀程度严重。由此可见,氧化或腐蚀比较严重的部位,是主裂纹的部位;而氧化或腐蚀比较轻的部位是二次裂纹部位。裂纹源在主裂纹的表面处。
(4)拼凑法
金属构件如果已破坏成几个碎片,则应将这些碎片按零件原来的形状拼合起来,然后观察其密合程度。密合程度好的为后断的,密合最差的端面为最先开裂的断面,即主断面。
对于实际的断裂事故,应根据各种具体的条件,如裂纹的扩展规律、断口形貌特征、断口表面的颜色、各部位相对变形量的大小、构件散落的部位及其分布等,进行综合分析,才能准确无误地判断主裂纹与二次裂纹。一般来说,脆性断裂失效时,常常使用T型法和分叉法来判别主裂纹;延性或韧性断裂失效时经常利用变形法或拼凑法来判断主裂纹;环境断裂时常使用氧化法来判别主裂纹,疲劳断裂失效常常应用断口宏观形貌特征来识别裂纹源位置及其裂纹扩展方向。
2、断口试样的截取
对大多数开裂的构件来说,失效分析主要是依靠断口形貌特征进行分析。为了进行这种分析,必须使裂纹扩展发生断裂即所谓“打开”,才能对断口进行清洗和观察。
打开一个裂纹常常要求对有裂纹的构件进行部分破坏。对于这种情况,在打开裂纹之前应对构件进行必要的检查及测量,以确定部件的形态。常用的方法是对构件的开裂部位画出轮廓草图或进行照相等。另外,也可用复印的方法,将构件裂纹区域的表面形态刻印下来,采用这种方法时要注意复印材料的选择。
进行断口分析时,如果因原始断口受到损伤或腐蚀而不能提供充足依据时,最好启开次生裂缝,把断口暴露出来以供检查和研究。因为如果次生裂缝封闭的较紧,则不会腐蚀;如果他们生成的时间较原始断口短,则浸蚀也较轻微。此外,某些裂缝故障须作断口分析时,也必须加以启开。
在断裂失效分析中,通常是在主裂纹碎片上选择断口试样进行分析;但是,有时主裂纹断口受到严重的机械擦伤或化学腐蚀时,只能检查及研究二次裂纹断口试样。另外,在高温条件下,主裂纹断口表面氧化或腐蚀较严重,断口表面被较致密的氧化膜所覆盖,很难进行断口形貌特征分析,所以,也只能分析研究二次裂纹断口,因为它的氧化或腐蚀比较轻些。在分析研究断口形貌细节时,亦需要采用二次裂纹断口试样,因为在二次裂纹断口上,常常保存有断口形貌的精细结构,它受到机械擦伤的影响比较少些。二次裂纹可供分析研究断裂机理、断裂过程及断裂影响因素等。