1.断口微观分析的内容和方法

断裂件的断口经宏观分析之后，对断裂的性质、类型及致断原因等问题已有所了解。但对于许多断裂问题，特别是在特殊环境条件下发生的断裂，仅限于宏观分析还是不够的。其原因是：①断口的某些产物需要搞清楚才能确定断裂原因；②宏观断口形貌尚不能完全揭示出断裂的微观机制及其他细节。因此，为了进一步搞清楚这些问题，还应对断口做微观分析。其内容主要包括断口的产物分析及形貌分析两个方面。

（1）断口的产物分析 在特殊的介质环境下或高温场合断裂的零件，其断口上常有残存的与环境因素相对应的特殊产物，而这些产物的分析对于致断原因的分析，是至关重要的，例如：奥氏体不锈钢发生的氯脆断裂，其断口上必有Cl-；碳钢材料发生的碱脆断裂，其断口上必有Fe3O4；钢铁材料发生的硝脆断裂，其断口上必有NO3-；铜及其合金发生的氨脆断裂，断口上必有NH4+；氢化物形成的氢致断裂，其断口上必有氢化物。

在断口分析时，根据断口上的特殊产物，一般来说即可确定致断原因。

断口产物的分析又可分为成分分析和相结构分析两个方面。成分的确定可采用化学分析、光谱分析，以及采用带有能谱的扫描电子显微镜、电子探针及俄歇能谱仪等设备进行分析。产物的相结构分析常用X射线衍射仪与德拜粉末相机X射线衍射、透射式电子显微镜选区衍射及高分辨率衍射等方法。

（2）断口的微观形貌分析 目前用于断口微观形貌分析的工具主要是电子显微镜，即透射电子显微镜与扫描电子显微镜。

透射电子显微镜分析是对从断口表面复制下来的模型进行观察。它的优点是：分辨率高，成像质量好，不必破坏断口，故可进行多次观察。它的缺点是：不能直接观察断口表面而须制备复型，因此在分析时可能出现假象。另外，它的放大倍数太大，不适宜做低倍观察。

扫描电子显微镜的优点是：可以直接观察断口而无须制备复型。因而可以消除人为的假象；它的放大倍数可以从几十倍到几千倍连续变化，因而可以在一个断口上连续地进行分析。它的缺点是：分辨率低，成像质量不如透射电子显微镜好，对于大型断口需切成小块才能上机观察。

2.解理断裂

（1）解理断裂的特点 解理断裂是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生的一种穿晶断裂。其断裂的特点是：解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界面并严格沿着金属的结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸。常见金属的解理面见表3-7。

表3-7 常见金属的解理面

（2）解理断裂的微观形貌特征及断裂性质 利用扫描电子显微镜或透射电子显微镜对断口表面或其复型进行观察，解理断裂的微观形貌特征主要是河流花样及解理台阶，如图3-13所示。除此之外，还有舌状花样（见图3-14）、鱼骨状花样、扇形花样及羽毛花样，以及珠光体解理（见图3-15）等。通常只要有上述特征之一，即可确定解理断裂的性质。

（3）致断原因分析 导致金属零件发生脆性的解理断裂有材料性质、应力状态及环境因素等众多原因。

1）从材料方面考虑，通常只有冷脆金属才能发生解理断裂。面心立方金属为非冷脆金属，一般不会发生解理断裂。仅在腐蚀介质存在的特殊条件下，奥氏体钢、铜及铝等才可能发生此种断裂。

图3-13 解理断裂的微观形貌

a）河流花样 b）河流通过晶界时剧增

图3-14 舌状花样

图3-15 珠光体解理

2）零件的工作温度较低，即处在韧脆转变温度以下时会发生解理断裂。

3）只有在平面应变状态（即三向拉应力状态）下或者说零件的几何尺寸属于厚板情况时，才能发生解理断裂。

4）晶粒尺寸粗大。因为解理断裂单元为一个晶粒尺寸，粗晶使解理断裂应力显著降低，使韧脆转变温度向高温方向推移，故易促使解理断裂发生。

5）宏观裂纹的存在。裂纹顶端造成巨大的应力集中，并使零件的韧脆转变温度移向高温，均促使冷脆金属发生解理断裂。

除此之外，加载速度大及活性介质的吸附作用都促进解理断裂的发生。

（4）防止零件发生解理断裂的措施根据上述解理断裂致断原因的分析，可以得出其预防措施有以下几个方面：

1）消除或减小零件上的裂纹尺寸，避免过大的应力集中。

2）细化晶粒。

3）消除或减少金属材料中的有害杂质。如对于钢铁材料来说，主要有P、N、O₂等杂质，其中O₂的危害最大。这些杂质显著提高钢材的韧脆转变温度，易促使解理断裂。S的影响不大。S主要降低微孔断裂时的上阶能，而对韧脆转变温度影响不大。

4）采用双相钢代替单一的马氏体组织钢。例如：采用马氏体+奥氏体、马氏体+下贝氏体、马氏体+铁素体等双相钢代替单一组织的马氏体钢，有助于减少解理断裂倾向性。

5）如果采用上述措施仍不能彻底防止零件的解理断裂，则应更换材料，即采用抗低温性能更好的材料，直至采用非冷脆金属。

总之，防止解理断裂的基本出发点是降低零件的韧脆转变温度，使零件在韧脆转变温度以上的条件下工作。

3.准解理断裂

（1）准解理断裂的微观形貌特征 准解理断裂是淬火并低温回火的高强度钢较为常见的一种断裂形式，常发生在韧脆转变温度附近。关于准解理的形成机制，看法不一，有人认为准解理小平面也是晶体学解理面，它与解理断裂的机制相同，或者认为准解理断裂是一种解理裂纹与塑性变形之间的过渡型断裂机制。总的来说，准解理断裂的断口是有平坦的“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂。在对具有回火马氏体等复杂组织的钢材（如Ni-Cr钢和Ni-Cr-Mo钢等）的断裂失效分析时，应对这类断裂性质予以特别注意。

（2）准解理断裂性质的判别 在失效分析时，可以根据断口的微观电子图像特征来判定是否为准解理断裂。

1）在微观范围内可以看到解理断裂和微孔型断裂的混杂现象，即在微孔断裂区内有平坦的小刻面，或在小刻面的周边有塑性变形形成的撕裂棱的形貌特征，如图3-16所示。

2）小刻面的几何尺寸与原奥氏体晶粒大小基本相当，即断裂单元为一个晶粒大小。

3）小刻面上的河流花样比解理断裂所看到的要短，且大都源于晶内而终止于晶内。

图3-16 准解理断裂

4）小刻面上的台阶直接汇合于邻近的由微孔组成的撕裂棱上。

在断口的电子图像上出现上述特征时，即可判定为准解理性质的断裂。

（3）致断原因分析 造成准解理断裂的原因有以下几点：

1）从材料方面考虑，其组织必为淬火并低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。

2）零件的工作温度与钢材的韧脆转变温度基本相同。

3）零件的薄弱环节处于平面应变状态。

4）材料的晶粒尺寸比较粗大。

5）回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出，孪晶马氏体的中脊与微裂纹，以及较大的淬火相变应力等均使准解理初裂纹易于形成。

（4）防止零件发生准解理断裂的措施 从上述分析中可以看出，准解理断裂是高强度钢材淬火并低温回火后，在韧脆转变温度附近发生的一种特殊断裂形式。为了防止此类断裂，最有效的办法就是提高钢材的抵抗低温脆断的能力，即千方百计地降低钢材的韧脆转变温度（如细化晶粒，减少组织缺陷等），在这方面与预防解理断裂的措施是基本相同的。

4.准脆性解理断裂

（1）准脆性解理断裂的特点 光滑零件的解理断裂在宏观表现上一般是脆性的。但对于裂纹零件来说，常常碰到这种情况，在断口的微观分析时，观察到的断裂性质是解理的，但是在宏观断口上却可以看到剪切唇。此种解理断裂是在断裂应力大于材料的屈服强度的条件下产生的。从工程的意义上说，因其宏观变形量不大，也是一种宏观脆性的解理断裂，这种断裂称为准脆性解理断裂。

准脆性解理断裂具有很大的危险性。这是因为在一般室温条件下，如果零件上不存在裂纹，此类金属是不会产生宏观脆性断裂的，但对于存在裂纹的零件却很容易导致此种断裂。许多工程零件发生的重大工程事故（冷脆金属的低应力断裂），大都属于此种类型的断裂。完全脆性的解理断裂在工程上是很少见到的。

（2）准脆性解理断裂性质的判别 在对断裂件的断口进行微观形貌分析时，观察到解理型断裂和微孔型断裂的混合现象。但与准解理型的混合断裂不同之处在于，在断裂件中部的平面应变区为解理型断裂，在断裂件的周边平面应力区为微孔型的断裂。由此可以确定为准脆性解理断裂。

（3）致断原因分析 对于准脆性解理断裂产生的原因，可以从断裂力学的角度予以解释，如图3-17所示。

在平面应变区（见图3-17a），当裂纹顶点的应力S_y0=R_eL时，裂纹顶端附近的第一主应力（S_y）的应力分布如图3-17a中曲线1所示。此时裂纹顶点O处的金属开始屈服，但因其低于解理断裂应力（S_co），故即使有解理初裂纹的产生，因其不能通过晶界扩展而不能发生解理断裂。(www.daowen.com)

当外力进一步增加，裂纹顶端开始形成塑性区，其宽度为x₀′时，在平面应变条件下（零件的中部），塑性区内的应力分布为

其极值

即在弹塑性区的交界处，当满足S_ymax≥S_co时（应力分布如图3-17a中曲线2所示），此时O′点则具备解理断裂的应力条件，故初裂纹由此点起裂，扩展后导致解理断裂。但在零件截面的周边的平面应力状态区（见图3-17b），塑性区内的应力分布为S_y0=R_eL，也就是说各点的应力均小于解理断裂应力，故不能发生解理断裂。因而在零件的周边仍以微孔型的断裂方式形成剪切唇。

图3-17 准脆性解理断裂产生的力学条件

a）平面应变区 b）平面应力区

S_co—解理初裂纹通过晶界扩展的临界应力

S_y—垂直裂纹截面上的主应力

在上述情况下，由于在零件中部的平面应变区产生的解理断裂，必须首先形成一定的塑性变形区，而零件的周边又是以微孔型断裂而形成剪切唇，所以它不同于解理断裂应力小于材料屈服强度条件下的低温脆断。但从工程上讲，由于塑性区的尺寸很小，剪切唇也不足以阻止裂纹的扩展，断裂的宏观名义应力一般仍小于屈服强度，所以断裂仍属于宏观脆性的，断裂是瞬时进行的，故称为准脆性解理断裂。

（4）预防措施 从上述分析中可知，防止准脆性解理断裂的主要措施是减小零件中的裂纹尺寸，因为在无裂纹存在的情况下，零件本来是不会发生解理断裂的。也就是说，材料的选择还是合理的，零件的工作温度也并非过低，即并不是由于低温引起的。或者说，温度仅是一种影响因素而不是致断的根本原因。在一般情况下，不需要对材料提出过高的要求或更换新材料。

5.微孔型断裂

（1）微孔型断裂的微观形貌 微孔型断裂又叫微孔聚集型断裂，它是塑性变形起主导作用的一种延性断裂。微孔型断裂的微观电子形貌呈孔坑、塑坑、韧窝、叠波花样，如图3-18所示。在孔坑的内部通常可以看到第二相质点或其脱落后留下的痕迹，这是区别于其他断裂的主要微观特征。

（2）微孔型断裂性质的判别 按其加载方式，微孔型断裂可分为等轴型、撕裂型及滑开型三种类型（见图3-19）。微孔型断裂可以是沿晶型的，但多为穿晶型的断裂。

图3-18 微孔型断裂的微观形貌

图3-19 微孔型断裂的三种类型

a）等轴型 b）撕裂型 c）滑开型

孔坑的大小不仅与第二相质点的几何尺寸有关，而且更主要的是取决于参与孔坑形成的第二相质点间的距离大小。

孔坑的深浅取决于孔坑连接时附近金属的变形量；材料的塑性大，温度高及加载速度小，金属的塑性变形量大，微孔的深度加大（见图3-20a）。第二相质点的数量多或质点间距小，孔坑的几何尺寸小而浅（见图3-20b）。

图3-20 微孔型断裂孔坑的形态

在断口分析时，根据断口的微观电子图像上的上述特征，可以比较容易地确定此类断裂，同时还可以进一步确定外加载荷的类型、材料特点及第二相质点的有关性质。

微孔型断裂是一种延性断裂，但不能与宏观延性断裂等同起来。微孔型断裂的宏观表现有两种类型：一是宏观塑性的微孔型断裂（如光滑试件在室温拉伸时形成颈缩后发生的断裂）；另一类是高强度材料裂纹试件在室温拉伸时出现的宏观脆性的微孔型断裂。这两类断裂的微观断裂机制都是微孔聚集型的，但由于基体材料的性质不同，其宏观表现有很大的差别。从失效分析的观点出发，在考虑如何防止这两种断裂时，确有很大的差别。前者应通过提高材料的塑变抗力防止裂纹的形成；而后者则需要提高材料的断裂韧度，即通过阻止裂纹的形成及延缓裂纹的扩展来防止断裂的发生。在工程上，宏观脆性的微孔型断裂具有更大的危险性，对此类断裂要有更深入的了解。

（3）宏观脆性微孔型断裂的特点 宏观脆性微孔型断裂的微观电子形貌为细小、均匀分布的等轴型微孔，微孔的形成和连接时的塑性变形量很小。这种断裂的特点是由高强度材料的组织特点决定的。高强度材料的组织特点是在固溶强化的基体上弥散分布着细小的第二相质点，质点的平均间距很小。这种组织对于裂纹的敏感性是非常大的。也就是说，裂纹顶端的应力集中现象很严重。因此，断裂的名义应力低于材料的屈服强度，而其微观机制却是微孔聚集型的，由于微孔的形成和扩大连接所发生的变形量很小，所以在宏观上表现为典型的脆性断裂特征。

（4）宏观脆性微孔型断裂的预防措施 为了预防高强度材料裂纹件发生的微孔型断裂，主要是从材料学的角度出发，通过提高材料的断裂韧度加以解决。由上一章可知，增加材料的K_IC值，即可提高零件的承载能力或允许零件中存在较大的裂纹尺寸，从而有助于防止此类断裂。为了提高材料的断裂韧度，应尽量减小促使微孔形成的内在因素，其具体措施是：

1）纯化金属——减少有害杂质的含量。

2）使有害杂质以固溶状态存在。

3）球化异相质点并改变其分布状态。

4）改变强化相的性质。

5）发挥韧性相的作用。

6.沿晶断裂

（1）沿晶断裂的微观形貌特征 金属零件在应力作用下沿晶粒边界发生分离的现象称为沿晶断裂。按断口的微观形貌特征，沿晶断裂又可分为两大类（见图3-21）：一是沿晶的正向断裂，这类断裂断口的微观电子形貌反映了多面体晶粒的界面外形，呈典型的冰糖块状，晶粒表面完整、干净、无塑性变形痕迹；另一类是沿晶的延性断裂，这类断裂断口的微观电子图像上可见大量的、沿晶界分布的细小微孔及第二相质点。这表明断裂过程中沿晶界发生了一定的塑性变形，其断裂机制与晶内微孔型断裂是相同的，即在外力作用下，在晶界某些薄弱的地方，围绕着第二相质点首先形成显微孔洞，这些孔洞长大与连接后形成沿晶微裂纹，最后导致沿晶断裂。由于塑性变形仅限于晶界的局部地区，所以从宏观上看，此类断裂也多属脆性的断裂。

（2）沿晶断裂的判定 利用扫描电子显微镜或透射电子显微镜对新鲜断口或其复型进行高倍观察，断口表面呈冰糖块状或岩石状的多面体外形，有较强的立体感，这是由于金属晶粒是多面体形所致。由此即可确定此种断裂属于沿晶型的断裂。

利用金相分析法，观察裂纹的走向与晶界的关系也不难确定此类断裂。

（3）沿晶断裂的致断原因 沿晶断裂的致断因素多种多样。氢致损伤、应力腐蚀、蠕变、回火脆性、第二相析出脆性及热脆性、热疲劳等断裂均可能是沿晶型的断裂。在对断口进行微观分析时，按其断口形貌及产物的类型可将沿晶断裂细分为以下几种类型：

1）沿晶正向断裂。此类断裂的微观电子形貌是典型的冰糖块状，晶粒的多面体形状清晰、完整（见图3-21a）。典型的回火致脆断裂、金属的过热引起的粗晶脆断、蠕变断裂及富氧层引起的沿晶断裂等均具有此种形貌特征。为了进一步分清究竟是何种因素引起的断裂，还应做工艺分析、环境因素的分析及材质分析等。例如：根据工艺条件及晶界上存在大量的杂质元素P、S、Se、Sb、Te、Sn等，即可判为回火脆性的沿晶断裂。

2）沿晶的延性断裂。此类断裂的微观电子形貌是晶粒间界的表面上存在有大量的微孔花样（见图3-21b）。断裂是由沿晶析出的第二相塑性夹杂物（如MnS）在外力作用下，通过微孔的形成、扩大和相互连接引起的沿晶断裂。为了确定此类断裂的原因及预防措施，应对第二相质点的性质及沿晶析出的工艺条件做进一步分析。

图3-21 沿晶断裂断口微观形貌

a）沿晶的正向断裂 b）沿晶的延性断裂

3）脆性的第二相质点沿晶界析出引起的沿晶断裂。此类断裂的微观电子形貌是晶粒边界的表面上存在有大量的第二相质点及质点脱落留下的孔洞（见图3-22a）。此种断裂属于脆性的沿晶断裂，是由第二相的脆断及其与基体金属间的界面分离引起的沿晶断裂，几乎不发生塑性变形。例如：由网状碳化物、高合金钢中的γ相及K相等金属化合物、AlN引起的沿晶断裂，以及由过烧组织中晶界被熔化形成的脆性骨架引起的断裂。断裂原因的确定及预防措施的提出，需要对脆性相的性质进行分析。

4）晶界与环境介质交互作用引起的沿晶断裂。此种断裂的微观电子图像是在晶界表面上具有特殊的产物及形貌特征，如氢化物致脆（见图3-22b）、应力腐蚀、腐蚀疲劳等致脆断裂。分析产物的性质及形貌特征（如腐蚀产物的泥纹花样），并结合零件所处的环境条件，即可确定致脆的具体原因。

5）具有疲劳机制的沿晶断裂。在交变应力作用下，疲劳裂纹沿弱化的晶界扩展引起的断裂。微观形貌特征有时可见疲劳裂纹缓慢扩展的痕迹（见图3-22c），配合载荷的性质一般也不难确定。

（4）沿晶断裂失效的预防措施 预防沿晶断裂失效的措施通常有以下几点：

1）提高材料的纯洁度，减少有害杂质元素的沿晶界分布。

2）严格控制热加工质量和环境温度，防止过热、过烧及高温氧化。

3）减少晶界与环境因素间的交互作用。

4）降低金属表面的残余拉应力及防止局部三向拉应力状态的产生。

7.疲劳断裂

疲劳断裂断口微观形态请参见第5章疲劳断裂失效分析。

其他形态断口分析请参见本书相关章节和有关参考文献，在此不再赘述。

图3-22 几种性质的沿晶断裂形貌

a）沿晶断裂1（TEM二级复型，20Cr13对接焊叶片脆性损坏断口形貌，晶界上有条状析出物） b）沿晶断裂2（SEM二次电子像，镍基合金涡轮机叶片断口形貌，晶界上有“鸡爪”痕） c）沿晶断裂3（SEM二次电子像，镍基合金涡轮机叶片断口形貌，晶界面上有疲劳纹和微坑特征）