裂纹断口分析技术与方法

1.裂纹断开与断口分析

（1）裂纹的断开与断口切取 在对裂纹断口分析前，必须人为地将裂纹断开，以获得需要的裂纹断口。有时为了实验室观察的需要，还要对断口进行选取，并切取断口。

在断开裂纹前，应做好相关的记录、测量和照相，特别是裂纹与相关结构的相对位置和表面的痕迹特征等，以保证裂纹断开后，仍能准确确定裂纹的位置、结构特点和受力状态等。

断开裂纹时，需注意保持断面的原始形貌特征不受到机械的和化学的损伤；断口及其附近区域的材料显微组织不能因为受热发生变化。具体实施时，应根据裂纹的位置及扩展方向来选择人为施力点，使试件沿裂纹扩展方向受力，使裂纹张开形成断口，而不会在断开过程中损伤断面。常用的裂纹断开方法有三点弯曲法、冲击法、压力法和拉伸法等。断开裂纹时，最好采用一次性快速断开方法，而不用重复的、交变的或分阶段处理的方法，以免断开时在断面上形成的特征与原始断裂特征混淆。对大型焊接结构件，如锅炉、飞机等，为便于运输和深入地观察分析，需将大型试件切割成小试样。常用的切割方法有砂轮切割、火焰切割、线切割和锯削等，对会产生高温的切割，切割位置应与裂纹保持一定的距离，并用适当的方法进行冷却，以防止裂纹附近的材料组织、性能因受热发生变化，断面特征产生化学损伤。

裂纹断口分析与断裂面断口分析的技术和方法均相同，适用于断裂面断口分析的方法和手段在裂纹断口分析中均可应用；两者的形貌特征和规律也相同。因此，裂纹的断口分析技术和方法可参考一般金属断裂面断口分析。

（2）金属断口分析方法 金属断口分析通常分为宏观断口分析和微观断口分析两种方法。宏观断口分析反映了金属断口的全貌，微观断口分析则揭示了金属断裂的本质，这两种分析方法具有不同的特点，应配合起来进行具体分析。

对金属断口进行宏观分析时，一般先用肉眼或低倍放大镜观察整个断口区域的概貌，然后再选择要对细节进行观察的部位，并逐渐增大放大倍数，以便仔细观察断口结构。通过宏观断口分析，大体上可以判断出金属断裂的类型（脆性断裂、韧性断裂或疲劳断裂），同时也可以找出裂纹源的位置和裂纹扩展的路径。

微观断口分析是指利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等仪器设备对断口进行微观观察和分析。扫描电镜具有视野广、景深好、放大倍数连续可调等优点，因此特别适用分析各类裂纹的性质。

另外，在断口分析时，依据断口上所残留的特殊产物，可确定致断的原因。目前断口产物的分析分为成分分析和相结构分析两个方面。成分分析常采用X射线荧光分析、光谱分析、质谱分析、电子探针、俄歇能谱仪、光电子谱仪等手段进行；产物的相结构分析常采用X射线衍射仪、电子衍射、高分辨率电子显微镜、场离子电子显微镜等方法。

2.断裂形式及断口形态

图8-42 金属材料的断裂形式分类

金属材料的断裂形式很多，因而断口的形态也很复杂，如图8-42所示。这里主要介绍与焊接裂纹有关的断裂形式及断口形态，把各类裂纹中常见的韧窝断裂、解理断裂、准解理断裂、沿晶断裂和氢致准解理断裂作简要介绍，其典型断口形貌如图8-43所示。

图8-43 ASTM4130钢不同条件下典型断口形貌

a）韧窝断裂（插销试验，剪切唇区） b）解理断裂（实焊接头，冲击断口放射区） c）准解理断裂（热模拟试验，粗晶区） d）沿晶断裂（插销试验，临界断裂应力时扩展区）

（1）韧窝断裂（Dimple Rupture，DR）韧窝断裂是金属在外力作用下，随着塑性变形的产生便形成显微空穴，或在析出物、夹杂物的颗粒上形成微孔，随应力的增大，微孔逐渐长大，直至断裂。在断口的表面上出现多个凹凸不平的小坑，即所谓韧窝（见图8-43a）。根据受力状态及材质的变形方式不同，韧窝可分为三种类型：等轴韧窝、剪切韧窝和撕裂韧窝。

（2）解理断裂（Cleavage Fracture，CF）解理断裂是金属在正应力作用下，由于晶内原子间的结合键破坏而造成的穿晶断裂。通常沿一定严格的晶面（解理面）发生，如体心立方晶格主要沿（100）晶面发生。一般来说，解理断裂是脆性断裂，但并不是绝对如此。解理断裂通常只在体心立方晶格和密排六方晶格的金属中发生，而面心立方晶格的金属一般不发生解理断裂。

由于材质和受力状态的不同，解理断裂的断口形态也多种多样，如解理台阶、河流花样、舌状花样、扇形花样等，其典型形貌如图8-43b所示。

（3）准解理断裂（Quasi-Cleavage fracture，QC）其断口形貌类似于解理断裂但又有区别，故称准解理断裂。准解理断裂与解理断裂一样，都是穿晶型的断裂，除具有脆性断口的特征之外，还有明显塑性变形的撕裂棱，如图8-43c所示。撕裂棱是由许多单独形核的微裂纹相互连接汇合而成，形成的过程如图8-44所示。准解理断口的特征是短程的河流状花样，常在局部地区形成裂纹，又在该地区短程扩展，形成大量短而弯曲的撕裂棱。有时在短程河流花样之间出现二次裂纹。

（4）沿晶断裂（Intergranular Frac-ture，IG）沿晶断裂是沿多晶体的晶粒界面彼此分离的一种开裂形式。晶界常常是杂质和合金元素偏析的地方，甚至形成连续的薄膜而导致脆化，再加上应力、环境和温度等外来因素，如三向应力、氢脆、应力腐蚀和热失塑等使晶界的结合力大为减弱，从而产生沿晶断裂。

图8-44 撕裂棱的形成过程

a）微裂纹形成 b）裂纹长大 c）形成撕裂棱

沿晶断裂一般多为脆性断裂，微观断口反映了晶粒多面体特征，其形貌具有典型的冰糖状，宏观上断口平齐，无明显塑性变形，表面呈晶粒状，如图8-43d所示。此种断口的形成，一方面因晶内强度较高不易滑移，应变易集中于晶界；另一方面，晶界又由于杂质元素或氢在晶界的积聚等各种原因导致的脆化，不能承受塑性变形而开裂。

对于某些金属材料（如铝合金）的沿晶断裂，还表现出较大的塑性，其断口除呈现沿晶断裂的特征之外，还有韧窝，故称为韧窝沿晶断裂。

（5）氢致准解理断裂（Quasi-Cleavage Fracture of Hydrogen Embrittlement，QC_HE）氢致准解理断裂是由氢引起脆化而导致开裂的。其断口根据含氢量的多少，出现沿晶、准解理、韧窝等类型，但大多数情况下以准解理为主。氢脆断裂的主裂纹面为（110），而解理面为（100）。两种开裂途径相汇合时，便形成了峰谷状的起伏花样。根据含氢量的多少和受力状态，裂纹的扩展途径可分为三种，即沿板条边界、横切板条和沿原奥氏体晶界。

以上简要介绍了焊接裂纹中常遇到的几种断口形貌。实际上还有更多类型的断口形貌，如疲劳断裂、液膜断裂等。由于多种因素的影响，在一个断口上常出现几种不同的混合断口形貌（DR＋QC＋IG），这一点在断口分析时应特别注意。

3.焊接裂纹的断口形貌

（1）热裂纹断口形貌 焊接热裂纹包括结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹。裂纹断口均为沿晶断裂，如图8-45所示。结晶裂纹的断口形态随着温度降低，断口形态逐渐平坦，可看到平行于柱状晶的残留液体痕迹。用电子探针对该区进行分析表明，该区多为碳化物、硫化物、磷化物等低熔点共晶物，如图8-46所示。焊缝中除出现热裂纹外，还有近缝区低熔点共晶引起的微裂纹和热影响区液化裂纹。从断口特征来看，都具有液状薄膜，游动于晶粒之间，当受力时还产生类似云雾状的塑性变形。

实际上，由于结晶裂纹形成时，晶界面上有连续液层，而裂纹形成后如拉伸应变持续增长，裂纹就会向晶间液层稍厚（即温度较高）的区域以及晶间液层少而不连续（即温度较低）的区域扩展。因此结晶裂纹断口的全貌是由具有不同特点的三个典型区域构成的，根据日本学者松田、中川等对凝固裂纹断口的划分，这三个典型区域分别是树枝状断口区（D区）、平坦状断口区（F区）及它们之间的树枝状与平坦状组成的混合断口区（D＋F区），如图8-47所示。

图8-45 热裂纹沿晶开裂断口形貌

a）焊缝金属填加适量稀土的断口形貌 b）焊缝金属无填加稀土的断口形貌(www.xing528.com)

图8-46 热裂纹断口表面的低熔点共晶物

a）AKOR 2钢液化裂纹表面的NbX共晶 b）03Cr19Ni11B钢液化裂纹表面的（Fe，Cr）2B-γFe共晶

c）17347-D钢液化裂纹表面的氮化碳共晶d）17347-D钢液化裂纹表面的Ti4S2C2共晶

裂纹表面的高温区是焊缝后结晶区，该区的浓度过冷度较大，树枝晶结构较发达，而开裂时晶间液层又较厚，所以由断口上可以看到开裂后液相继续沿生长着的树枝晶凝固的情况。这一区域表面凹凸不平，树枝晶结构明显，称为树枝状断口区（见图8-47a）。

裂纹表面的高温—低温中间区，在开裂时固相晶粒之间只有极薄的液层。这一区域的浓度过冷略低于焊缝后结晶区，树枝晶结构不甚发达而往往具有晶胞树枝晶结构。不甚发达的二次晶轴间薄薄的液层，在开裂后立即凝固于晶粒表面，因而这一区域裂纹断口表面也有凹凸不平的特点，但晶粒表面却相当平整光滑，称树枝状与平坦状混合断口区（见图8-47b）。

裂纹表面的低温区是焊缝先结晶区。这一区域晶体生长时二次晶轴不发达，晶体多为由平面晶生长形成或由晶胞束构成的柱状晶，柱状晶界面之间较平直。在开裂时这一区域结晶已基本完成，晶界面上只有少量分散存在的液相。此时晶间强度仍不够高，在拉伸应变作用下仍易开裂，但裂纹平面较平坦，称为平坦状断口区（见图8-47c）。

图8-47 结晶裂纹断口表面形貌

a）D区 b）D＋F区 c）F区

由于液化裂纹的形成与低熔点共晶间相的重熔液化或组分液化形成的晶间液膜有直接关系，所以液化裂纹的断口上有开裂后液相沿晶界面凝固的痕迹。由于热影响区晶界液化所形成的液相往往与基体成分相差很大，也不易形成很厚的液层，而且原奥氏体晶界面一般较平坦，所以液化裂纹断口上不易出现发达的树枝晶结构，而常常能观察到的各种共晶在晶界面上凝固的典型形态。

高温失塑裂纹断口亦呈晶界断裂形貌，与凝固裂纹断口中混合区相似，但无液相存在的痕迹。低倍下的高温失塑裂纹的断口平坦，可有较锐利的棱线，在较高的倍数下，可以看到裂纹表面上有塑性变形带及变形带内的韧窝状断口痕迹。

（2）冷裂纹断口形貌 冷裂纹断口形态比较复杂。它随金属材料的性能、强度、含氢量、拘束条件和焊接工艺变化。开裂的途径既有穿晶，也有沿晶，以及两种的混合。一般低合金高强度钢热影响区冷裂纹的断口形态主要有准解理（QC）、沿晶（IG）和少量韧窝（DR）。

焊接冷裂一般具有延迟的特征，因此冷裂的断裂也是分阶段进行的，冷裂纹的断口形态可分为三个特征区，即启裂区、扩展区（放射区）和终断区，与此对应的断口形貌也发生相应的变化。插销试验时，某些低合金钢焊接冷裂纹的启裂、扩展和最终断裂三个区的断口特征可归纳如图8-48所示。

图8-48中的横坐标表示从缺口根部开始，沿缺口横截面到插销中心的距离（r），纵坐标K₁表示在裂纹扩展时裂纹尖端的应力场强度因子。为简化起见，计算K₁时没有考虑裂纹尖端的塑性变形。K₁的计算采用了带有环形裂纹的圆柱试棒计算公式：

式中K₁——圆周裂纹圆柱试样的应力强度因子（N／mm ³²）；

D——圆柱外径（mm）；

d——裂纹所在截面的直径（mm）；

F——载荷（N）。

断口的形貌还受含氢量的影响，随含氢量的增加，断口形貌将由韧窝向准解理和沿晶发展。例如15MnV钢，当熔敷金属含氢量由0.94mL／（100g）增至7.1mL／（100g）时，就会由QC＋IG全部转为IG。因此，随钢种化学成分和熔敷金属中的含氢量不同，断口形貌也发生变化。通过试验，作为定性分析，钢种化学成分P_cm和［H］对冷裂纹扩展区断口形貌的影响如图8-49所示。

图8-48 冷裂纹三阶段的断口形貌

A—Q345（16Mn）［H］＝0.94mL／100g，σ＝550N／mm²B—14MnMoNbB［H］＝0.84mL／100g，σ＝380N／mm²C—Q390（15MnV）［H］＝0.94mL／100g，σ＝250N／mm²

（3）再热裂纹断口形貌 再热裂纹的断口特征比较明显，都是发生在焊接热影响区的过热粗晶部位，具有沿晶开裂的特征，其断口形态几乎都是IG。再热裂纹萌生在晶内变形能力不足而且晶界结合强度又低的条件下。晶内变形能力的降低是由于二次硬化元素的碳化物在晶内析出，导致的“二次析出强化”造成的。而再热过程中发生的晶界弱化与回火脆性类似，来自两方面的因素：一方面是由于P、S、Sb等杂质元素在晶界的偏析造成的脆化，另一方面是由于晶界析出碳化物造成的脆化。因此，在再热裂纹平坦冰糖状晶界断口表面上分布着大量的碳化物粒子。在有些情况下（如材料的韧性较好，使用的焊接热输入正常），在断口上虽主要是沿晶裂纹，但在各平台之间还出现少量的准解理裂纹或韧窝；同样，裂纹沿晶界扩展，断口表面密布的浅韧窝中均有碳化物粒子。

图8-49 P_cm和［H］对冷裂纹扩展区断口形貌的影响

（4）层状撕裂断口形貌 层状撕裂的明显特征为平行于板材表面发展的阶梯状裂纹。它是由平行于板材表面开裂的平台和大致与板面垂直的剪切壁连接而成。因此，这种裂纹的宏观断口具有明显的木纹状特征，在高倍显微镜下可以观察到断口平台上分布有大块夹杂物（或粒状夹杂物群），夹杂物之间为韧窝或撕裂棱，显示了一种特殊形式的低塑性破坏；至于相邻平台之间的剪切壁，多属受剪切应力的塑性断裂，因此在断口形态上多为剪切韧窝，也有时出现准解理裂纹，这决定于材质的强度和韧性。

产生层状撕裂的主要原因在于钢中夹杂物的数量、种类、形态及其分布。材质承受Z向拉应力时，塑性不足便造成层状撕裂。因此，断口形态也有明显特征。一般低合金钢层状撕裂的断口形态与冷裂纹的氢致准解理类似，但常会看到上、下平台区的断口均有较多的非金属夹杂物。当有Z向拉应力时，这些片状夹杂物都可看成是潜在的小裂纹。

（5）应力腐蚀裂纹断口形貌SCC的断口形态比较复杂，根据材质和腐蚀介质的不同，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂。而且断口的类型繁多，如山谷形、河流状、柱状骨架，以及解理台阶等。在扫描电镜下，其特征不甚突出（不如光镜下那样有明显特征）。另外，在SCC断口上都敷有不同程度的腐蚀产物，很难看清断口的真实形貌。对于一般低碳钢和低合金钢，SCC的断口形态相对比较简单，仅出现典型的沿晶开裂。在受腐蚀严重时，出现糖块状堆积。而奥氏体不锈钢SCC断口形态比较复杂，可能出现多种形态的断口。

SCC的断口从宏观上看，可大致分为裂纹扩展区（有氧化现象与腐蚀产物）与瞬时断裂区。阳极溶解型SCC的断口形貌，因受材料组织及环境介质的影响较为复杂，可有沿晶或穿晶形式，其特征因材料与腐蚀介质组合的不同而有差别。

奥氏体不锈钢的晶界SCC一般容易发生在热影响区等受过敏化过程的材料中，其机制仍然与敏化区晶间腐蚀相同，其断口形貌为冰糖状。奥氏体不锈钢的SCC中穿晶型为主要形式，根据腐蚀介质种类的不同，其断口上有羽毛状或扇形花样。台阶状的扇形花样相匹配的上下断口有的凹凸对应，有的为凹对凹、凸与凸相对应，前者形成机制类似解理河流的形成，是裂纹沿｛100｝面在扩展途中横切螺位错而形成的台阶；而后者可能是｛111｝滑移面的交叉线上堆积位错处，发生了局部腐蚀而形成的腐蚀隧道花样。

氢脆型SCC的断口形貌，根据材料与介质的各种组合情况、材料的强度、溶解氢的量以及裂纹前端应力强度因子K值的不同而各异，但其类型与氢脆断裂相似，可分为晶界断裂、准解理断裂和韧窝断裂。氢脆型SCC断口中的韧窝花样与一般情况下的韧窝相比，外观相同，但由于氢的参与，韧窝的尺寸较小。高强度材料的氢脆型SCC断口往往是以冰糖状沿晶断裂为主。穿晶扩展的氢脆型SCC断口上常见的是准解理花样。