金属材料断裂的分析方法

　　　　PTCA(PART:APHYS.TEST.)2008年第44卷11

综　　述

金属材料断裂的分析方法

张存信1,陈玉如2

(1.中国兵器工业第五二研究所,宁波315103;2.天津大学材料科学与工程学院,天津300072)

摘　要:系统地说明了在金属材料或构件断裂分析时,应全面了解材料的加工过程和使用状况,

以及在取样时应注意的事项。利用实例介绍了如何通过仔细观察和认真分析裂纹的形貌和特征,

寻找引起材料断裂的裂纹源,判断出裂纹扩展的路径,进而分析和推断出造成断裂的原因。最后,简要地说明材料断裂分析报告的编写要求及注意事项。

关键词:金属材料;断裂;分析方法;显微组织

中图分类号:TG111.91　　　文献标识码:A　　　文章编号:100124012(2008)1120622204

ANALYSISMETHODOFMETALL2(1.No.52China315103,China;

,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

fofmetallicmaterialandcomponents,themachiningprocess,usingstatuesand

sampleshouldbeknown.Itwasreviewedhowtolookforfracturesourcebyexampleswithobserveandanalysestheappearanceandcharacterofcracks,andhowtodistinguishpathofcracksgrowth,andhowtoanalysesandconcludethefracturereason.Finally,therequirementofmaterialanalysisreportwaspresented.

Keywords:metallicmaterial;fracture;analysismethod;microstructure

　　在金属材料及其构件内部或表面上的裂纹是一种不允许存在的缺陷,因为这种缺陷会在材料的加工和使用中造成材料或构件的失效,甚至会引发灾难性的后果。为此,材料工作者都非常注重金属中裂纹的分析与检测,并对金属材料的各种断裂原因和机理进行了大量的分析和研究,已经积累了较为系统的分析知识

[1-4]

1　了解材料加工和使用的历程

任何金属材料及其构件都必然要经历材料制

备、热加工和机械加工等一系列的加工过程,各种构件也往往是在特定的服役条件下使用,而材料的化学成分、显微组织、各种缺陷和应力状态等都可能是造成材料或构件断裂的因素。因此在进行断裂分析时,首先应该全面了解和掌握与分析对象有关的各种信息,特别要注意收集那些意外的、容易被忽略的情况,因为这是裂缝形成原因分析时必需了解的信息,也是编写分析报告(或撰写论文)时应该予以说明的内容。在条件允许的情况下,分析者应亲自到现场了解材料的加工状态或构件的使用情况,以便了解加工工艺和所用设备是否合理,零部件的安装和使用是否正确等,只有这样才能做到心中有数,不至被人为因素误导或被假象迷惑。

。但由于材料断裂的成因多种

多样,各种裂纹的形貌也千差万别,加之现场分析人员往往受到专业知识的限制,特别在对材料的原始状态和加工过程不十分清楚的情况下,能够全面、准确地判断材料断裂的原因和提出防止断裂产生的措施是相当困难的。为了给一些检测手段相对缺乏的中小型企业和分析人员在断裂分析时提供参考,现参考有关资料和分析实例,对金属材料中断裂的分析方法和步骤进行简要介绍,以供分析时参考。

收稿日期:2007210220

作者简介:张存信(1946-),男,高级工程师。

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张存信等:金属材料断裂的分析方法

2　观察和分析裂纹的形貌特征

2.1　试样的切取与制备

分析断裂的材料或构件时,一般要从材料上切取试样进行必要的理化检验和分析。由于试样的切取和制备是否正确和合理,将直接影响到能否寻找到引起断裂的原因,因此必须注意以下几点:

(1)在取样前一定要拍摄部件或裂纹的全貌,因为在取样后所要分析的断裂部件和材料上裂纹的形貌已经很难复原,而裂纹形貌是断裂原因分析的重要依据和必要参考。

(2)试样切取前应认真观察和研究裂纹的断裂部位,尽可能选择和切取那些可全面反映裂纹主要特征的部位,并最大限度地保留裂纹的完整形貌和特征。

(3)切取试样时,应特别注意所采用的切割或萃取方法不应引起裂纹形貌受损和基体材料发生相变,以免导致不真实或错误的分析结果(4)时,或污染,,因为。

(5)在有可能的情况下,应保留试样切取后的部分,以免在分析中需要重新取样或试样损坏需再取样时无法在原始材料或构件上取样。2.2　裂纹的形貌特征观察裂纹的形貌是材料破坏的直接表征,它们可为断裂分析提供许多有用的信息和直接的证据,在大多数情况下,正是从裂纹的特征分析入手而追踪到引起断裂的真正原因,从以下的分析实例中可充分地说明裂纹形貌观察的重要性。

某厂在用

在金属材料的热加工过程中,当加热温度或工艺参数选择不当时,就会在材料的内部发生开裂,甚至出现分层。这种热加工中形成的内部裂纹在后续的冷加工中,特别是在扩孔或变形时往往就会扩展或断裂。图2为316不锈钢在热穿孔后,经冷拉管和冷弯曲变形后在车削弯头端面时发现的内部裂纹形貌。同时可以看到,这些裂纹是各自分别形核,

并

图1　六角钢棒的裂口形貌

Fig.1　Fractureappearanceofhexangularsteel

stick

图2　钢管内裂冷加工后的裂纹形貌

Fig.2　Crackappearanceofsteeltube(inside)

aftermachiningprocess

沿圆周方向扩展。

此外,裂纹的形貌也往往与其材料所经受的加工过程或应力状态有关,如笔者在碳氮共渗叶片磨削裂纹的研究中发现,同样是在磨削过程中可能形成直线状、束集状和网络状裂纹[6]。图3是用奥地

利产W30222000钢(相当于H13钢)制造的大型模)工作200次后因型腔具在压铸铝合金(650～670℃

出现裂纹而报废的开裂形貌。经分析是由于淬火温度偏高且冷却速度不够,组织中有明显残余奥氏体;加之脱模剂在表面形成了化合物,使模具表面散热不利,增加了模具的热应力,从而引起开裂[7]。

图4是从SKD6钢早期失效的压铸模型腔上切取试样观察到的微裂纹的形貌,其特征是裂纹从自由表面向里扩展,且与表面呈45°夹角;在用1%硝酸酒精+4%苦味酸酒精溶液侵蚀后发现裂纹是穿过奥氏体晶粒而扩展的[8]。

图5是45钢锻造并经正火+回火热处理后的大型电机轴在车削过程中忽然断裂的断口宏观形貌。可以看到A区为裂纹源,B区为扩展区,扩展区呈放射状。经显微组织分析可知,裂纹源区为沿

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张存信等:金属材料断裂的分析方法

晶态,没有变形,判断裂纹是在锻造前或锻造中形成的;扩展区为穿晶态,其显微组织如图6所示,是伪共析形成的珠光体+网状铁素体+魏氏体,为严重的过热组织,由此判断电机轴是在锻造时因过热而在中心部位形成裂纹,在随后机械加工的应力作用下发生断裂[9]。2.3　裂纹的扩展路径

2.4　裂纹与显微组织的关系

对于在热加工或热处理时发生组织转变的金属

材料,其相变时产生的组织应力往往也会引起材料的断裂,因而在分析裂纹时特别要注意材料在加工或使用过程中是否发生了组织转变,并分析是否是由于相变产生的组织应力引起断裂。图9为在强力磨削后,碳氮共渗层中因组织转变造成的开裂,图中左端白色区域是因磨削热导致的淬火区,紧靠白色区的则是黑色的二次回火区,而裂纹一直扩展到了原始组织区。分析认为,磨削热使工件的表层奥氏体化,在随后的冷却时奥氏体转变为马氏体时体积膨胀,而次表层则因发生高温回火使强度降低并在以后的冷却中体积收缩,从而在淬火层和回火层两者界面上产生很高的拉应力峰,因此裂纹首先在淬展,[6]。

金属材料中裂纹的扩展规律是首先向金属的晶体缺陷(空位、位错或层错)、晶粒边界、相界面(如奥氏体和铁素体界面)、夹杂物和基体金属的界面等强度较低处扩展,当裂纹扩展时受到较大阻力时,裂纹就会改变其扩展方向,转向其他较薄弱处扩展。因此,观察裂纹的扩展方向也是研究材料断裂的重要内容之一,它有可能为裂纹的分析提供重要的信息。图7是碳氮共渗层表面磨削时形成的网状裂纹,切取试样的表层制备成断口试样在扫描电镜下观察发现,裂纹基本上是沿晶扩展,而且在断口上可明显观察到沿晶的二次裂纹(图8),[6]。

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张存信等:

金属材料断裂的分析方法

就表明这些裂纹是在热加工或热处理前已经存在,而与现在进行的加工无关,如图11所示[11]。总之,通过对裂纹特殊形貌和其伴生产物的观察,对判断裂纹产生的原因和提出防止措施都有重要的作用,因而在分析时一定要在显微镜下仔细观察裂纹断面及其相邻区的微细变化,必要时应借助扫描电镜和

图9　强力磨削裂纹的显微形貌　60×

Fig.9　Micrographofpunchygrindingcrack

显微硬度仪等分析仪器来进行深入的探测与分析

。

处开始的,所以金属材料断裂分析的首要任务是寻

找材料或构件最先是从何处开始出现裂纹的。因为只有在破断面上寻找到了断裂源,才能确定材料开裂的主要因素,并进一步分析裂纹是如何从断裂源区向外扩展而导致了材料破断,从而通过结合造成材料局部破坏的内部因素和外界条件,综合分析出引起破断的真正原因,并在此基础上提出防止破断的建议和改进措施。3.1　裂纹源的显微分析

　　320×

　

inclusion

一般来说,界,此外,时,要注意以下几点:

(1)裂纹源总是发生在应力容易集中处,那里往往也是材料中最薄弱的地方,因而当局部的应力超过其强度时,微裂纹就会在这里萌生并在应力作用下向外扩展。

(2)材料或构件破断可能是一个裂纹源造成的,也可能是多个裂纹源造成的;一定要仔细观察由裂纹源扩展的微裂纹有无相互联系,彼此是如何贯通等。

(3)认真分析裂纹源区的形貌,重点观察在裂纹源区有无夹杂物或碳氮化物硬质相存在,侵蚀后的试样表面有无明显的颜色变化,显微组织有无变化。通过仔细的观察和分析,一般情况下可以判断出裂纹最先产生的部位和裂纹扩展的路径。3.2　裂纹特征的显微观察

图11　裂纹表面上的脱碳层形貌

Fig.11　Micrographofdecarbonization

layerofcracksurface

3.3　断裂原因的分析步骤

材料和结构因加工方法、受力状态和服役条件

的不同,其断裂的原因也会千差万别,但归结到一点,断裂都是材料在过载条件下的一种应力释放过程,但应力松驰破坏了材料的连续性,也往往造成构件的损伤和失效。因此,断裂原因分析就是要通过系统地分析断裂部位的形貌特征、组织结构和力学性能等内部的变化来寻找裂纹萌生和扩展的原因。一般情况下,断裂的分析应按如下步骤进行:

(1)全面了解材料的的化学成分、力学性能、组织形态、加工过程、服役条件和断裂发现的过程,特别注意调查有无违反工艺或使用不当的情况。

(2)认真分析断裂特征,合理切取试样,进行裂纹形貌的观察,必要时进行断裂材料的化学成分、拉

(下转第642页)

在断裂原因分析时,应特别注意寻找能表述裂纹形成和扩展的形貌特征。如在裂缝中观察到有非金属夹杂物存在,特别观察到各个夹杂物造成是分

别形核的微裂纹,然后通过扩展而形成较大的裂纹,就可判定这种开裂或断裂是由于金属中存在非金属夹杂物造成的,如图10所示[10]。再如经热加工或热处理后,在裂纹的表面上观察到脱碳层或渗碳层,

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姜全新等:沉头铆钉断裂原因分析

侵蚀后在光学显微镜下观察,发现显微组织为片状马氏体,含铬碳化物已经完全溶解,参照GB/T4334.1-1984《不锈钢10%草酸浸蚀试验方法》对晶界腐蚀情况进行评级,晶界腐蚀评定结果为阶梯组织(一类),见图9,显微硬度检测结果为330HV0.3。通过以上试验可知,

失效铆钉的金相

检验观察到沿晶界析出脆性相主要应为碳化铬

(Cr23C6)。

4　结论及建议

(1)铆钉断裂与结构设计不合理以及铆钉装配

方式有关,脆性第二相沿晶界析出促进了断裂的发生。

(2)建议优化工件结构,减小杆径比,或在不改进工件结构形式的情况下,改进装配方式,以便改善工件受力状况。参考文献:

[1]　黄振东.钢铁金相图谱[M].北京:中国科技文化出版

社,2005:1565.

[2]　工程材料实用手册编辑委员会.工程材料实用手册

[M].::913.

[3]栋.:,2004:

[　.金相分析[M].北京:

图9　铆钉正火处理后的显微组织

(电解腐蚀偏光观察)　500×

Fig.9　Microstructureoftemperingrivetfracture

(electrolysecautery)

,1982:586.

(上接第625页)

伸性能、硬度和显微组织的检测。

(3)结合材料的原始状态、使用情况和裂纹形貌,综合分析发生断裂的原因。

(4)根据分析结果对裂纹产生和扩展进行讨论,并提出结论性的意见和建议。

参考文献:

[1]　胡世炎.破断故障金相分析[M].北京:国防工业出版

社,1978:167-198.

[2]　肖纪美.氢和滞后断裂[M].北京:冶金工业出版社,

1982.

[3]　刘正义,吴连生,许麟康,等.机械装备失效分析图谱

[M].广州:广东科技出版社,1990.

[4]　王广生.金属热处理缺陷分析及案例[M].北京:高等

4　总结

通常在重点材料或构件的断裂分析工作完成

后,分析者应编写完整的分析检测报告(或撰写论文)。在报告(或论文)中,应详细说明所分析的材料或构件的状况、分析中所做的试验和观察的情况、裂纹形貌观察的特征图片、相关试验的重要数据、判定断裂原因的主要依据和结论性的意见等。判定的理由和结论性意见,除了以分析者的试验和观察为依据外,要特别注意查阅前人已经做过的分析和研究,并以此作为分析结论的佐证。此外,在分析中总会有一些还没有完全搞清楚的问题,切不可草率地下结论,对于那些尚未确定或难以下结论的问题可根据实际情况进行具体说明。同时,如果断裂原因分析合理,引起断裂的原因清晰,为防止类似事件发生和改进产品质量,应对如何防止断裂提出明确的建议和具体的改进措施。

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教育出版社,1997.

[5]　李智博,张贺忠,郭建.圆钢拉拔断裂分析[J].金属热

处理,2006,31(4):82-83.

[6]　张存信,王茂林,陈玉如,等.碳氮共渗叶片磨削裂纹的

研究[J].金属材料与热加工工艺,1982(4):103-110.

[7]　陈灵,梁思祖.水泵壳压铸模开裂原因分析[J].金属

热处理,2006,31(11):99-101.

[8]　元清,李德林,元涛,等.SKD61钢模具早期失效原因

分析[J].兵器材料科学与工程,2004,27(6):58-61.

[9]　赖春雷,宋梅.大型电机轴锻件断裂失效分析[J].金

属热处理,2006,31(2):98-101.

[10]　彭彦宏,吕晓霞,陆有.差速器圆锥齿轮的失效分析

[J].金属热处理,2006,31(4):79-80.

[11]　王荣.30CrMo钢油管接头开裂原因分析[J].金属热

处理,2006,31(4):73-76.