乾貨！元器件故障分析—從斷口看斷裂

斷裂是什麼意思

在外載或環境作用下，由細觀結構缺陷（如微裂紋、微孔隙等） 萌生、擴充套件等不可逆變化引起的材料或結構宏觀力學效能的劣化稱為損傷。

機械損傷

通常分為彈塑性失穩、磨損、腐蝕、斷裂等，其中

斷裂

的危險性遠遠大於其餘幾種損傷，而

失效

往往是由於斷裂引起的。

斷裂

指材料受力時，源自相對位置發生了改變，當局部變形量超過了一定限度時，原子間結合力遭受破壞，使其出現裂紋，裂紋經過擴充套件而使材料斷開。材料斷裂後的斷裂面稱為

斷口

。從斷口可以獲得斷裂的相關資訊，為斷裂原因的分析提供有力的依據。

本文以斷口分類為出發點，重點向大家展示各類斷口的特點，並著重從形貌的角度向大家介紹斷口的特徵。

1

按服役條件

分一次性過載斷裂和疲勞斷裂

1.一次性過載斷裂

一次性過載斷裂指材料在大於其強度的條件下發生斷裂。

2.疲勞斷裂

指在交變載荷作用下，在某點或某些點產生區域性的永久性損傷，並在一定迴圈次數後形成裂紋、或使裂紋進一步擴充套件直到完全斷裂。

2

按斷口表面宏觀變形

分為韌性斷口、脆性埠、韌-脆混合斷口

脆性斷裂

在宏觀上物明顯的塑性變形，材料直接由彈性變形狀態過渡到斷裂，斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊。

韌性斷裂

在斷裂前金屬經受了較大的塑性變形，其斷口呈現纖維狀，灰暗無光。

韌-脆混合斷口

兼具韌性斷口和脆性斷口的特徵。

3

按斷裂路徑分類

分為

沿晶斷裂

與穿晶斷裂

1.沿晶斷裂

是指金屬材料中的裂紋沿晶界擴充套件而產生的一種斷裂。產生沿晶斷裂一般有3種原因：

（a）晶界上有脆性沉澱相。如果脆性相在晶介面上覆蓋得不連續，例如AIN粒子在鋼的晶介面上的分佈，將產生微孔聚合型沿晶斷裂；如果晶界上的脆性沉澱相是連續分佈的，則產生脆性薄層分裂型斷裂。

（b）晶界有使其弱化的夾雜物。如鋼中晶界上存在磷、硫、砷、錫、銻等元素。

（c）環境因素與晶界相互作用造成的晶界弱化或脆化，例如高溫蠕變引起晶界弱化，應力腐蝕導致晶界優先腐蝕等，均促使沿晶斷裂產生。

2.穿晶斷裂

時裂紋穿過晶粒內部擴充套件。穿晶斷裂可以是宏觀塑性斷裂，也可以是宏觀脆性斷裂。

微孔聚合型斷裂過程是在外力作用下，在夾雜物、第二相粒子與基體的介面處，或在晶界、相界、大量位錯塞積處形成微裂紋，因相鄰微裂紋的聚合產生可見微孔洞，以後孔洞長大、增殖，最後連線形成斷裂。用電鏡觀察到的斷口被稱為韌窩的微孔覆蓋著，又稱韌窩斷裂。韌窩是微孔的一半。韌窩有等軸型、切變型和撕裂型3種，其形狀受力狀態制約，參考韌窩形狀可估計造成斷裂時的應力狀態型別。穿晶斷裂（transgranular fracture）裂紋穿過金屬多晶體材料晶粒內部的一種斷裂。穿晶斷裂一般是韌性斷裂，材料斷裂前已經承受過大量的塑性變形；但也有可能是脆性斷裂。其斷裂機制包括剪下、解理和準解理斷裂。

4

按微觀形貌分類

分為解理斷口、韌窩斷口、疲勞斷口、沿晶斷口

解理斷口

解理斷裂

是在正應力作用產生的一種穿晶斷裂，即斷裂面沿一定的晶面（即解理面）分離。解理斷裂常見於體心立方和密排六方金屬及合金，低溫、衝擊載荷和應力集中常促使解理斷裂的發生。解理斷裂通常是宏觀脆性斷裂，它的裂紋發展十分迅速，常常造成零件或構件災難性的失效。

解理斷裂斷口

的輪廓垂直於最大拉應力方向。新鮮的斷口都是晶粒狀的，有許多強烈反光的小平面（稱為解理刻面）。解理斷口電子影象的主要特徵是“河流花樣”，河流花樣中的每條支流都對應著一個不同高度的相互平行的解理面之間的臺階。

韌窩斷口

韌窩斷口

是指在韌窩斷裂 （微孔聚集型斷裂） 的斷口上，覆蓋著大量尺寸不一的圓形或橢圓形顯微凹坑，這些凹坑 稱為 “韌窩“，韌窩是金屬塑性斷裂的主要微觀特徵。它是材料在微區範圍內塑性變形產生的顯微空洞，經形核、長大、聚集最後相互連線而導致斷裂後，在斷口表面上所留下的痕跡。韌窩的大小包括平均直徑和深度。影響韌窩大小的主要因素從材料方面講為第二相的大小、密度、基體的塑性變形能力、形變硬化指數等，從外界條件講與應力大小和載入速率有關。一般在斷裂條件相同時，韌窩尺寸越大，表示材料的塑性越好。

疲勞斷口

疲勞斷口

是指在交變載荷作用下，在某點或某些點產生區域性的永久性損傷，並在一定迴圈次數後形成裂紋、或使裂紋進一步擴充套件直到完全斷裂所產生的斷口。疲勞斷口的三要素：

1.疲勞源：

有點源、線源等分別，多遠合併往往形成臺階。

2.疲勞擴充套件區

：這是疲勞斷口的主體部分。不同的起源、受力情況，會形成不同的形貌，據此能夠推斷零件的受力過程。疲勞擴充套件區往往較光滑，並有疲勞弧線存在。

3.瞬斷區：

這是零件最後斷裂的部位。其斷裂形貌與一次性斷裂相同。

（a）疲勞斷口示意圖

（b）疲勞條帶典型照片

沿晶斷口

沿晶斷裂

是指金屬材料中的裂紋沿晶界擴充套件而產生的一種斷裂。當沿晶斷裂斷口形貌呈粒狀時又稱晶間顆粒斷裂。當金屬或合金沿晶界析出連續或不連續的網狀脆性相時，在外力的作用下，這些網狀脆性相將直接承受載荷，很易於破碎形成裂紋並使裂紋沿晶界擴充套件，造成試樣沿晶界斷裂。

斷口是記錄斷裂全過程的重要資料，對斷口的分析及研究一直是失效分析的重要環節。

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