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断口分析技术及其在失效分析中的应用

1. 前言

断口是断裂过程的最真实、完整的纪录，从宏观到微观的断口分析可以揭示断裂过程中从裂纹的形核、长大到断裂的各个进程中主断裂面的受力情况、介质环境情况、材料制造情况、以及损伤过程等。

断口分析是通过肉眼观察，和借助显微分析仪器对断裂过程在断裂件上留下的痕迹进行的综合分析和检测，目的是通过分析揭示断裂的过程、断裂的性质和研究断裂机理。断口分析需要结合断裂件的材料组织结构特征和使用环境状况等方面的知识，才能得出正确的判断。

断口分析的三大作用：1 作为结构材料研究的重要内容之一，用于研究材料的断裂机理；2 断裂失效分析； 3 评价材料 。

断口分析分为宏观断口分析和微观断口分析两部分，二者必须相互结合。宏观断口分析主要是用肉眼或借助普通放大镜进行观察，从而分析裂纹的扩展方向、断裂的起源位置、断裂过程的载荷情况等断裂的宏观特征；微观断口分析需要借助光学和电子显微分析仪器进行观察和分析，通过对断口的微观形态、结晶学特征、残留元素成分等理化特征的分析，确定断裂的类型和断裂的机理。

断口分析是断裂失效分析的基础，它是建立在人们对各种材料和环境组合下得到的断口的宏观、微观特征和断裂机理研究的长期知识积累的基础之上的。

断裂失效分析是断口分析最重要的运用方面，是判明断裂失效原因的唯一途径，其作用是：1 判定事故责任；2 寻求改善和提高；（改进设计、完善检验措施、 改善使用条件；从而使装备的整体性能得到改进）3 为改善管理、预防事故的再次发生提供依据。

因为断口是断裂过程的真实记录，是第一手最可靠的证据，因此断口分析的判断正确与否成为断裂失效分析结论正确与否的关键。

由于工程上的材料和断裂过程千差万别，而且断裂事件发生后，断口常常会受到不同程度的污染和损坏，因此实物断口通常与我们在教科书上所见的不尽一样，甚至相去甚远，这使得工程上的断口分析变得相当复杂。常常能看见，对于同样的断口，不同人员得出不同判断的情况，往往是因为片面地生套书本所致。

2. 断口分析样品的制备

取样：最好采用手锯切割试样；采用砂轮切割要注意避免过热；采用线切割前要对断口进行保护；人工启开裂纹时最好将试样冷至材料低温脆性转变温度以下，但之后应及时烘干试样；

除油：一般情况下建议采用汽油或酒精，采用丙酮则发生二次污染的可能性较大。

除锈：除锈前应对断口进行腐蚀产物等的分析，以免清洗后损失该方面的信息。根据材料的成份和锈蚀状态选择清洗液。

对于不能现场取样的断口，可以采用火棉胶复型等办法得到断口形貌复形，和萃取断口残留物进行显微分析。采用复型最重要的是避免假象。

通常推荐的断口清理和除锈方法

3. 判断裂纹源和裂纹扩展方向的原则

在有放射状花样的情况下，放射方向是裂纹扩展方向，沿反方向可追溯到裂纹源；分叉裂纹分叉方向是裂纹扩展方向。

弧线形的贝纹状花样是裂纹扩展速度发生变化在断口上留下的痕迹，一般情况下弧线凸向为裂纹扩展方向；

断口的色泽可资参考，如氧化情况、腐蚀产物的厚度、疲劳断口的表面磨光情况等等；

对于装备中多个元件发生断裂的情况，主要根据低应力断裂还是大应力断裂来判断首断件，一般是低应力断裂件为首断件。

对于韧性断裂，可通过裂纹的走向、鼓包、壁厚减薄情况等判断起爆点。

应力状态的分析

4. 断口微观分析的技术方法

断口结晶学分析技术

电子通道花样分析技术；

蚀坑分析技术；

二面角分析技术；

5. 断口分析实例

起源于表面损伤的疲劳断裂

热处理缺陷（回火脆、脱碳）引起的疲劳断裂

白点、疏松等缺陷引起的断裂

应力腐蚀

腐蚀疲劳

持久

氢脆

安装操作引起的失效