sem的斷口分析

1、第三節(jié) SEM的斷口分析,在試樣或構(gòu)件斷口分析方面，掃描電子顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)已為人們所公認(rèn)。制樣簡(jiǎn)單：它不需要象透射電子顯微鏡那樣制備復(fù)型，既省事又不致在制備過(guò)程中引入假象。連續(xù)放大（5-10萬(wàn)）：可以對(duì)斷口進(jìn)行低倍(例如5倍左右)大視域觀察，某些感興趣的區(qū)域 (例如裂紋源)進(jìn)行高倍觀察分析，皿示斷口形貌的細(xì)節(jié)特征，揭示斷裂機(jī)理，如果儀器具有X射線能諧或波譜分析附件，還可以一步對(duì)組成相或某些環(huán)境介質(zhì)在裂紋產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程中的作用進(jìn)行分析

2、研究，那將更有助于揭示產(chǎn)生裂紋的原因。景深大；立體感強(qiáng)；層次豐富；下面主要介紹幾種典型斷口形貌及其掃描電子顯微鏡圖像特點(diǎn)，以利于分析這些斷口的斷裂機(jī)理。,幾種典型斷口形貌及其掃描電子顯微鏡圖像特點(diǎn),一、按實(shí)驗(yàn)方式劃分（應(yīng)力方式）拉伸斷口沖擊試樣斷口疲勞斷口二、按韌性、脆性分類韌性斷口脆性斷口,一、按實(shí)驗(yàn)方式劃分（應(yīng)力方式）,拉伸斷口沖擊試樣斷口疲勞斷口,1、拉伸斷口,1.1宏觀觀察（5× ）：三個(gè)區(qū)域

3、 纖維區(qū)：裂紋源形成區(qū)，有一定灰度放射區(qū)：裂紋擴(kuò)展區(qū)；裂紋擴(kuò)展方向：放射條紋破斷區(qū)（剪切唇）：最后破斷,1.2微觀觀察（400×以上 ）,纖維區(qū)：裂紋源形成區(qū) 大量韌窩（微坑）、撕裂棱（塑性變形的痕跡） 裂紋源形核：夾雜物、二相粒子、硬質(zhì)點(diǎn)放射區(qū)：裂紋擴(kuò)展 剪切的韌窩,1.3韌性斷口→性能,韌性好宏觀看：纖維區(qū)較大；

4、 纖維區(qū)灰度大； 放射區(qū)較小；微觀看：韌窩大且深 塑性變形充分,韌性差纖維區(qū)較?。簧踔翛](méi)有纖維區(qū)灰度??；甚至小亮點(diǎn)放射區(qū)較大；韌窩小且淺，甚至沒(méi)有塑性變形充分,微觀放大照片,2、沖擊試樣斷口,主要體現(xiàn)放射區(qū)，即裂紋擴(kuò)展區(qū) 人字型花樣韌性或脆性,沖擊試樣斷口,準(zhǔn)解理花樣,3、疲勞斷口,疲勞斷口，從宏觀上看

5、，疲勞斷口分成三個(gè)區(qū)城，即疲勞核心區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)。疲勞核心區(qū)：是疲勞裂紋最初形成的地方，一般起源于零件表面應(yīng)力集中或表面缺陷的位置，如表面槽、孔，過(guò)渡小圓角、刀痕和材料內(nèi)部缺陷，如夾雜、白點(diǎn)、氣孔等。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：是疲勞斷口的最重要特征區(qū)域。它一般分為兩個(gè)階段。第一階段，裂紋只有幾個(gè)晶粒尺寸，且與主應(yīng)力成45。，第二階段垂直于主應(yīng)力，它是疲勞裂紋擴(kuò)糜的主要階段。擴(kuò)展區(qū)斷口的主要特征：是存在疲勞紋，即一系列基

6、本上相互平行的、 略帶彎曲的、呈波浪形的條紋。一般每一條紋為一次載荷循環(huán)所產(chǎn)生，但一個(gè)載荷循環(huán)不一定都能產(chǎn)生一條紋;疲勞紋間距的寬度隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的大小而變。通常斷口上由許多大小、高低不同的小斷面所組成，每塊小斷面上疲勞紋是連續(xù)的、平行的，但相鄰斷面的疲勞紋是不連續(xù)的、不平行的，如圖所示。,疲勞斷口,,二、按韌性、脆性分類,典型韌性斷口典型脆性斷口()解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂沿晶斷裂,韌性斷口,韌性斷裂斷口：大量觀察表明

7、，微坑一般均形核于夾雜物、第二相粒子或硬質(zhì)點(diǎn)處，因它們與基體之間結(jié)合力較弱，在外力作用下便容易在界面發(fā)生破裂而形成微孔，然后逐漸長(zhǎng)大成微坑。掃描電子顯微鏡景深大，因此能夠清晰地顯示微坑底部的夾雜物或第二相粒子，從圖上可看出這類質(zhì)點(diǎn)與微坑幾乎是一一對(duì)應(yīng)的，說(shuō)明一個(gè)夾雜物或第二相粒子就是一個(gè)微坑的形核位置。微坑的形狀：有等軸、剪切長(zhǎng)形和撕裂長(zhǎng)形三種，如圖所示。 當(dāng)斷裂是由微孔聚集方式進(jìn)行時(shí)，其斷面上將出現(xiàn)微坑。按作用在金屬材料上的

8、應(yīng)力狀態(tài)，,韌性斷口,如果材料在普遍屈服的情況下發(fā)生斷裂，即韌性斷裂，其斷口一定是微坑聚集型的。但是，如果材料在未曾發(fā)生普遍屈服情況下發(fā)生斷裂，雖斷口兩側(cè)微區(qū)發(fā)生變形，存在大量微坑，就整個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)仍屬脆性斷裂。所以這樣的斷口形貌只說(shuō)明斷裂過(guò)程是按微坑聚集型的方式進(jìn)行的，它不是延性斷裂的同義詞。,韌窩（微坑）,,二.2.1解理斷裂,二.2.1.1解理斷口：穿晶斷裂：解理斷裂是金屬在拉應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷

9、裂。通常是沿著一定的，嚴(yán)格的晶面 (解理面)斷開(kāi)，有時(shí)也可以沿著滑移面或?qū)\晶面發(fā)生解理斷裂。脆性斷裂：一般說(shuō)解理是脆性斷裂，但并不意味著所有的解理斷裂都是脆性的，因?yàn)橛械倪€伴有一定程度的塑性變形。,二.2.1.2典型的解理斷口特點(diǎn):,解理臺(tái)階 河流狀花樣舌狀花樣,二.2.1.2.1解理臺(tái)階,從理論上說(shuō)在單個(gè)晶塊內(nèi)解理斷口應(yīng)是一個(gè)平面。但是實(shí)際晶體難免存在缺陷，如位錯(cuò)、夾雜物、·沉淀相等，所以實(shí)際的解趣面是一簇相互平

10、行的(具有相同晶面指數(shù))、位于不同高度的晶面。不同高度解理面之間存在著“臺(tái)階”。掃描電子顯微鏡觀察表明解理斷口上存在著許多“臺(tái)階”，由于“解理臺(tái)階”邊緣形狀尖銳，電子束作用體積接近甚至暴露于表面（θ角大，δ大 ），所以在掃描電子顯微鏡圖像上顯得邊緣異常的亮，如圖所示。,低溫Sn-Ti合金，解理脆,解理臺(tái)階,河流狀花樣的形成,二.2.1.2河流狀花樣,“河流狀花樣”是解理斷裂最重要的特征。在解理裂紋的擴(kuò)展過(guò)程中，眾多的臺(tái)階相互匯合便形成

11、河流狀花樣。它由“上游”講多較小的臺(tái)階匯合成“下游”。較大的臺(tái)階。 “河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致。擴(kuò)展方向：根據(jù)河流的流向，可以判定解理裂紋在微小區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展方向。對(duì)于實(shí)際金屬材料來(lái)說(shuō)，由于大多數(shù)是多晶體，存在著晶界和亞晶界，當(dāng)解理裂紋穿過(guò)晶界時(shí)將發(fā)生“河流”的激增或突然終止。這與相鄰晶塊的位向和界面的性質(zhì)有關(guān)。晶粒大小（晶界判定）：河流的其始與終結(jié)。,二.2.1.3舌狀花樣,也是解理斷裂重要特征之一。它的形成與裂紋沿孿晶-基體界

12、面擴(kuò)展有關(guān)。這種孿晶是由解理裂紋以很高速度向前擴(kuò)展時(shí)塑變只能以機(jī)械孿晶的方式進(jìn)行而在裂紋前端形成的，如圖所示，并常發(fā)生在低溫。由于“舌”的形狀關(guān)系，當(dāng)一側(cè)面向檢測(cè)器時(shí)，另一側(cè)背向；加上傾斜角度不一樣，因此在掃描電子顯微鏡圖像上，解理舌的一側(cè)顯得亮，而另一側(cè)則暗，如圖所示。,A3鋼，100O0C退火，在-l960C拉伸斷裂時(shí)產(chǎn)生的舌狀花樣斷口的二次電子像,舌狀花樣,二.2.2準(zhǔn)解理斷口,準(zhǔn)解理斷口：準(zhǔn)解理斷裂雖說(shuō)屬解理斷裂，但兩者又不

13、完全相同，因此它有解理斷裂變種的說(shuō)法。近期工作表明，準(zhǔn)解理斷口實(shí)質(zhì)上是由許多解理面組成的；斷口特征 ：許多短而彎曲的撕裂棱線條，由點(diǎn)狀裂紋源向四周放射的河流花樣，斷面上有凹陷和二次裂紋等，如圖所示。這種斷口首先在馬氏體回火鋼中發(fā)現(xiàn)。,準(zhǔn)解理斷口,微坑 小臺(tái)階 撕裂棱 波紋 剪切面 扇形面,準(zhǔn)解理斷口,二.2.2沿晶斷裂,沿晶斷裂斷口：沿晶斷裂(或晶間斷裂)指的是多晶體沿晶粒界面彼此分離。氫脆、應(yīng)力腐蝕、蠕變、高溫回

14、火脆性以及焊接熱裂紋等常發(fā)生晶間斷裂。通常沿晶斷裂總是脆性的。由于晶粒是多面體，因此晶間斷裂斷口的主要特征是有晶界刻面的冰糖狀形貌。然而，某些材料的晶間斷裂卻顯示很大的延性，斷口上除呈現(xiàn)晶間斷裂特征外，還有微坑。后者叫做晶間韌性斷裂。,氫脆,,氫脆,α-Fe 脫C,N；充氫氣,α-Fe 脫C,N；充氫氣晶界硬化， 晶內(nèi)軟化；晶界軟化， 晶內(nèi)硬化；均體現(xiàn)氫脆,氫脆（沿晶斷裂）,,SEM優(yōu)缺點(diǎn),特點(diǎn)：1、特別適

15、用于表面形貌觀察（尤其是斷口）； 立體感強(qiáng)，層次豐富，景深大2、分辨率較高，幾十Å ，甚至15Å 。（Å 為原子尺度）3、連續(xù)放大： 5× 至10萬(wàn) ×（甚至20萬(wàn) × ） 宏觀與微觀組織過(guò)渡、結(jié)合及對(duì)應(yīng)的好4、制樣簡(jiǎn)單：a 尺寸大小合適，15mm × 15mm （特殊25mm，35

16、mm，100mm）b 導(dǎo)電（避免電荷集中效應(yīng)）；不導(dǎo)電材料需噴C、Auc 清潔干燥（晾置15分鐘以上），無(wú)油污,SEM局限性,1、僅于表面形貌觀察； 結(jié)構(gòu)分析較差2、分辨本領(lǐng)趕不上TEM的原子尺度Å另、金相制樣注意：稍深點(diǎn)腐蝕（襯度好，起伏大），充分利用SEM的立體感強(qiáng)，層次豐富，景深大,Al-Si過(guò)渡區(qū)（激光重熔）,,Al-Si激光重熔前,,Al-Si激光重熔區(qū),,馬氏體,,馬氏體,