在进行断口观察,尤其是电镜观察时,其中最主要的是断口表面的状态。在一般情况下,断口表面均受到不同程度的化学和机械的损伤,其中化学损伤更为严重。因此,需要对断口试样进行清洗,除掉断口表面上的灰尘,污垢及腐蚀产物,否则很难观察到真实的断口形貌特征。
1、清洗前的检查
失效过程中的全部残片,在进行清洗之前,都应经过充分的外观检查、拍照、绘制草图等。检查的表面可能受到积垢的污染。对于这些积垢应进行仔细检查分析,可从中获得有关断裂失效的重要信息,常能为判别失效的原因或确定失效分析程度等提供有力证据。例如,在断口表面的某个部位上发现有油漆痕迹,这就可能表明在失效之前,构件表面已经存在着裂纹,使表面油漆进入裂纹中去。外观检查应从肉眼观察开始。要特别注意对断口表面和裂纹轨迹的检查。构件的初步检查应尽量的认真彻底,切不可马虎。另外,在清洗之前要注意对断口表面上附着的积垢物的分析研究。通常,化学损伤是由于环境介质所引起的,它主要是水和氧的影响。为了弄清断口上的腐蚀产物对断裂失效的影响,必须分析腐蚀产物的性质及结构。尤其是环境介质断裂失效分析,对腐蚀产物的分析研究更为重要。因为断口表面腐蚀产物可以直接提供断裂环境的影响情况。
2、断口的清洗
对不同情况的断口应进行不同方法的清洗。第一种,带有灰尘或其他附着物的断口,可先用干燥空气吹,然后用无水酒精或丙酮等溶液清洗;也可用复型法清除。实践证明,复型法是清除断口表面机械附着物的最好方法;第二种,带有油污的断口,可首先用汽油清除油腻;然后用丙酮、二氯甲烷、三氯乙烷、石油醚及苯等有机溶剂浸泡;也可放在超声振荡器中进行超声波洗涤,以加速清洗过程,有的污染物与断口表面结合较牢,可在浸泡后用软毛刷擦洗(但切忌用金属刷子);第三种,在潮湿空气中暴露时间比较长、锈蚀比较严重的断口,以及高温下使用的有高温氧化的断口,一定要除去氧化膜后才能观察,若用一般有机溶液、超声波洗涤和复型法都不能洁净断口表面时,可采用化学清洗。对去除镍基合金及耐热不锈钢高温氧化膜,可采用20gNaOH,100mLH2O,10gKMnO4,加热化学清洗液至沸腾,煮去氧化膜后,再用每公升含有亚甲基四胺2g的6mol/L盐酸溶液浸泡1~15min,然后用酒精清洗干净。或煮去氧化膜后,再用20%盐酸水溶液清洗断口表面。对于碳钢及合金钢的断口,上述溶液的腐蚀能力太强,可采用1%NaOH溶液煮,或采用15%(体积比)酪酐,8.5%磷酸,76.5%水的溶液加热到85~95℃煮2min左右等。在腐蚀环境下发生断裂的断口,先把带有腐蚀产物的断口进行X射线,电子探针或扫描电镜分析,先分析腐蚀产物的成分、结构及其分布情况,然后再把腐蚀产物去掉,进行断口形态的电子显微镜观察。表1、表2、、表3 中列出各种方法的溶液成分及操作方法。
表1 清除腐蚀产物的电化学方法
| 序号 | 电解液成分 | 电流/A | 电压 /V | 阴极 | 阳极 | 温度 | 时间 /min |
| 1 | NaCl500g,NaOH500g 加水至5000mL | 4 | 15 | | | | |
| 2 | H2SO450%(质量)缓蚀剂:有机缓蚀剂如若丁2g/L | 阴极电流密度20A/dm2 | | 碳(石墨) 或铝 | 试样 (断口) | 75℃ | 3 |
表2 清洗各种金属断口试样常用试剂
| 金属材料 | 试剂的种类 | 避免使用的试剂 |
| 铸铁、碳钢、合金钢 | 有机试剂或1%碱溶液 | 酸、水 |
| 铝、镁及其合金 | 有机溶液 | 苛性碱溶液 |
| 铜及其合金 | 有机试剂或肥皂水 | 酸、氨水 |
表3 清洗腐蚀产物的化学方法
| 材 料 | 溶 液 成 分 | 时间/min | 温 度 | 备 注 |
| 铝及铝合金 | 70%HNO3水溶液 | 2~3 | 室温 | 用毛刷轻轻清洗 |
| | 2%CrO3,5%H3PO4水溶液 | 10 | 79~85℃ | 用毛刷轻轻清洗 |
| 铜及铜合金 | 15%~20%HCl水溶液 | 2~3 | 室温 | 用毛刷轻轻清洗 |
| 5%~10%H2SO4水溶液 | 2~3 | 室温 | 用毛刷轻轻清洗 | |
| 铁和钢 | 20%NaOH,200g/L锌粉 | 5 | 沸腾 | |
| 浓HCl,50g/L SnCl2,20g/L SbCl3 | 15 | 冷 | 溶液应搅拌 | |
| 含有0.15%(体积)有机缓蚀剂的15%(体积)的浓H3PO4 | 除净为止 | 室温 | 可除去钢的氧化皮 | |
| 20% C,10%~15%KMnO4 | 除净为止 | 沸腾 | 适用于耐热钢不锈钢断口 | |
| 镍及镍合金 | 15%~20%HCl水溶液 | 除净为止 | 室温 | |
| 10%H2SO2 | 除净为止 | 室温 | | |
| 铝及铝合金 | 1%醋酸水溶液 | 10 | 沸腾热 | 毛刷轻轻清洗 |
| 5%醋酸铵水溶液 | 5 | 沸腾热 | 毛刷轻轻清洗 | |
| 80g/L NaOH,50g/L甘露糖醇,0.62g/L硫酸肼 | 除净为止 | 沸腾热 | 毛刷轻轻清洗 |