深入斷裂“現(xiàn)場”！掃描電鏡在金屬斷口分析中的應(yīng)用

國儀量子+

2024.3.13

掃描電鏡作為一種常用的顯微分析工具，可以對各類金屬斷口進(jìn)行觀察，進(jìn)行斷口類型判定、形貌分析、失效分析等研究。

什么是金屬斷口？

當(dāng)金屬在外力作用下斷開后，斷裂處會留下兩個相互匹配的斷面，這個斷面就叫做“斷口”。這個斷口的形狀和外觀，包含了金屬斷裂過程中許多重要的信息。

通過觀察和研究斷口的形態(tài)，我們可以分析斷裂的原因、性質(zhì)、方式、機理等，還能了解斷裂時的應(yīng)力狀況、裂紋擴展速率等細(xì)節(jié)。就像是一個"現(xiàn)場"一樣，斷口保留了整個斷裂發(fā)生的全過程。因此，對于研究金屬斷裂問題，觀察和分析斷口是非常重要的步驟和手段。掃描電子顯微鏡具有景深大，分辨率高的優(yōu)點，在斷口分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

掃描電鏡在金屬斷口分析中的應(yīng)用

金屬斷裂的失效形式多樣。按斷裂前的變形程度分類，可分為脆性斷裂、韌性斷裂、脆性和韌性的混合型斷裂。不同的斷裂形式會有特征的微觀形貌，通過掃描電鏡的表征可以幫助研究人員快速進(jìn)行斷口分析。

韌性斷裂

韌性斷裂是指構(gòu)件經(jīng)過大量變形后發(fā)生的斷裂，其主要特征是發(fā)生了明顯的宏觀塑性變形。宏觀形貌為杯錐形斷口或純剪切斷口，斷裂面呈纖維狀，由韌窩構(gòu)成。如圖1所示，微觀上其斷口特征為：斷裂面由一些細(xì)小的酒杯狀微孔窩坑構(gòu)成，通常稱為韌窩。韌窩是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)形核/長大/聚集，最后相互連接而導(dǎo)致斷裂后，在斷口表面所留下的痕跡。

圖1 金屬韌性斷裂斷口/10kV/Inlens

脆性斷裂

脆性斷裂是指構(gòu)件未經(jīng)明顯的變形而發(fā)生的斷裂。斷裂時材料幾乎沒有發(fā)生過塑性變形。宏觀上呈結(jié)晶狀，微觀上則包括沿晶斷口，解理斷口或準(zhǔn)解理斷口。如圖2所示，是金屬脆性-韌性混合斷裂斷口，在韌性斷裂區(qū)，能觀察到明顯的韌窩特征。在脆性斷裂區(qū)域，屬于沿晶脆性斷裂，是指斷裂路徑沿著不同位向的晶界所發(fā)生的斷裂。微觀上其斷口特征為：斷口呈現(xiàn)多個晶粒多面體形貌，晶粒明顯，且立體感強，晶界上多顯示光滑無特征形貌。當(dāng)晶粒粗大時呈冰糖狀，又稱冰糖狀斷口；當(dāng)晶粒細(xì)小時，斷口呈細(xì)小顆粒狀。

圖2 金屬脆性-韌性混合斷裂斷口/10kV/ETD

疲勞斷裂

材料承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時，引起的局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷的不斷地發(fā)展，使材料的力學(xué)性能下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)品或材料的完全斷裂，這個過程稱為疲勞斷裂。如圖3所示的金屬疲勞斷裂斷口，斷面在微觀范圍內(nèi)通常是由許多大小不同高低不同的小斷塊所組成。每一小斷塊上的疲勞條紋連續(xù)而平行，略帶彎曲呈波浪形，但相鄰小斷塊上的疲勞條紋不連續(xù)、不平行。疲勞條紋與裂紋擴展方向相垂直，并微微凸向裂紋前進(jìn)方向。每一條紋代表一次載荷循環(huán)，疲勞紋在數(shù)量上與循環(huán)次數(shù)相等，它們可以被計數(shù)并用于確定在最終失效之前發(fā)生了多少次裂紋擴展循環(huán)。

圖3.金屬疲勞斷裂斷口/15kV/ETD

國儀量子自主研制的掃描電鏡，功能完善、品質(zhì)可靠，不僅能為改善材料性能的研究提供可靠依據(jù)，同時也在生產(chǎn)工藝控制、新產(chǎn)品設(shè)計和研究等方面發(fā)揮了重要作用。

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掃描電鏡在金屬及復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用.PDF