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)點已為人們所公認。制樣簡單：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程中引入假象。連續(xù)放大（5-10萬）：可以對斷口進行低倍(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)進行高倍觀察分析，皿示斷口形貌的細節(jié)特征，揭示斷裂機理，如果儀器具有X射線能諧或波譜分析附件，還可以一步對組成相或某些環(huán)境介質(zhì)在裂紋產(chǎn)生和發(fā)展過程中的作用進行分析

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；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，以利于分析這些斷口的斷裂機理。,幾種典型斷口形貌及其掃描電子顯微鏡圖像特點,一、按實驗方式劃分（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、按實驗方式劃分（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)：裂紋擴展區(qū)；裂紋擴展方向：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)點放射區(qū)：裂紋擴展 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??；微觀看：韌窩大且深 塑性變形充分,韌性差纖維區(qū)較小；甚至沒有纖維區(qū)灰度?。簧踔列×咙c放射區(qū)較大；韌窩小且淺，甚至沒有塑性變形充分,微觀放大照片,2、沖擊試樣斷口,主要體現(xiàn)放射區(qū)，即裂紋擴展區(qū) 人字型花樣韌性或脆性,沖擊試樣斷口,準解理花樣,3、疲勞斷口,疲勞斷口，從宏觀上看

5、，疲勞斷口分成三個區(qū)城，即疲勞核心區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時破斷區(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，過渡小圓角、刀痕和材料內(nèi)部缺陷，如夾雜、白點、氣孔等。疲勞裂紋擴展區(qū)：是疲勞斷口的最重要特征區(qū)域。它一般分為兩個階段。第一階段，裂紋只有幾個晶粒尺寸，且與主應(yīng)力成45。，第二階段垂直于主應(yīng)力，它是疲勞裂紋擴糜的主要階段。擴展區(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)點與微坑幾乎是一一對應(yīng)的，說明一個夾雜物或第二相粒子就是一個微坑的形核位置。微坑的形狀：有等軸、剪切長形和撕裂長形三種，如圖所示。 當斷裂是由微孔聚集方式進行時，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，就整個構(gòu)件來說仍屬脆性斷裂。所以這樣的斷口形貌只說明斷裂過程是按微坑聚集型的方式進行的，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，嚴格的晶面 (解理面)斷開，有時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，因為有的還伴有一定程度的塑性變形。,二.2.1.2典型的解理斷口特點:,解理臺階 河流狀花樣舌狀花樣,二.2.1.2.1解理臺階,從理論上說在單個晶塊內(nèi)解理斷口應(yīng)是一個平面。但是實際晶體難免存在缺陷，如位錯、夾雜物、·沉淀相等，所以實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“臺階”。掃描電子顯微鏡觀察表明解理斷口上存在著許多“臺階”，由于“解理臺階”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。在解理裂紋的擴展過程中，眾多的臺階相互匯合便形成

11、河流狀花樣。它由“上游”講多較小的臺階匯合成“下游”。較大的臺階。 “河流”的流向與裂紋擴展方向一致。擴展方向：根據(jù)河流的流向，可以判定解理裂紋在微小區(qū)域內(nèi)擴展方向。對于實際金屬材料來說，由于大多數(shù)是多晶體，存在著晶界和亞晶界，當解理裂紋穿過晶界時將發(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?。ňЫ缗卸ǎ汉恿鞯钠涫寂c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、面擴展有關(guān)。這種孿晶是由解理裂紋以很高速度向前擴展時塑變只能以機械孿晶的方式進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，當一側(cè)面向檢測器時，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拉伸斷裂時產(chǎn)生的舌狀花樣斷口的二次電子像,舌狀花樣,二.2.2準解理斷口,準解理斷口：準解理斷裂雖說屬解理斷裂，但兩者又不

13、完全相同，因此它有解理斷裂變種的說法。近期工作表明，準解理斷口實質(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)。,準解理斷口,微坑 小臺階 撕裂棱 波紋 剪切面 扇形面,準解理斷口,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,特點：1、特別適

15、用于表面形貌觀察（尤其是斷口）； 立體感強，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 ×（甚至20萬 × ） 宏觀與微觀組織過渡、結(jié)合及對應(yīng)的好4、制樣簡單：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：稍深點腐蝕（襯度好，起伏大），充分利用SEM的立體感強，層次豐富，景深大,Al-Si過渡區(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,