导语

在你日常生活中，是否曾遇到钥匙一扭就断了，或是看到新闻中某座桥梁突然垮塌、飞机出现金属疲劳裂纹的问题？这些看似偶然的“断裂”事件，背后往往隐藏着材料性能的极限，以及我们对它认知的不足。金属，作为人类最广泛使用的工程材料之一，支撑着从家庭生活到高端制造的方方面面。但金属并不是不可摧毁的，尤其在特定的环境、载荷或使用条件下，它也会“猝不及防”地断裂。

断裂本身是一个物理现象，但从断裂的“伤口”——也就是断口中，我们可以获取大量有价值的信息。这种分析断裂表面、推断断裂原因的过程，就叫做断口分析。它是材料科学与工程技术中的“侦探工具”，帮助我们追踪事故根源、优化材料选择、提高产品安全性。

随着科学技术的发展，我们如今拥有从宏观观察到电子显微镜、从声学检测到人工智能识别的多种手段，可以从一个小小的断口中“读出”过去的使用历史、外力加载方向，甚至预判未来可能发生的问题。

因此今天小编整理了金属断裂与断口宏观、微观特征的基本概念，带你了解金属是如何断裂的、断裂后的断口能告诉我们什么、科学家和工程师如何通过这些信息重构事件真相，并展望断裂分析在工业和安全领域的深远意义。希望能够为材料力学性能检测人员分析断裂过程本质和断口特征提供相关的基础知识。

 

金属断裂的基本类型

金属断裂并非只有一种形式，就像人感冒可能是病毒感染，也可能是过敏反应一样，金属“断掉”的原因和方式也各有不同。了解这些断裂类型，就像为后续的断口分析打下基础。实践证明，大多数金属材料的断裂过程通常包括两个阶段：裂纹的形成（起源）和裂纹的扩展。在不同条件下，这两个阶段所涉及的微观机制、宏观表现、应力形式等各不相同。因此，科学家们从多个角度对金属断裂进行了分类，常见的五大类如下：

01按断裂前塑性变形程度分类

根据金属材料断裂前是否发生明显的变形，断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小，断裂可分为韧性断裂和脆性断裂两大类。

韧性断裂

韧性断裂又称为延性断裂或塑性断裂，其特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，断裂过程中吸收了较多的能量，一般是在高于材料屈服强度条件下的高能断裂。韧性断裂是指断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这是材料所受应力超过其抗拉强度时发生的。这种断裂是一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中需要不断地消耗能量，断裂面一般平行于最大切应力并与主应力大约成 45°角。用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩张和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。由于韧性断裂前发生明显的塑性变形，它将预先引起人们注意，因此一般不会造成严重事故。图1所示为某枪管典型韧性断裂的实物照片。

图1 某枪管典型韧性断裂的实物照片

韧性断裂的预防主要依赖于合理控制材料的成分与组织、优化结构设计以降低应力集中，并避免过载使用。常见措施包括选用高纯净度、细晶粒的高韧性合金，减少夹杂和第二相颗粒；结构上应避免尖角和突变，采用圆滑过渡设计；制造过程中通过热处理消除残余应力，并在关键部位加强表面强化；同时，在服役过程中控制载荷水平，避免超载或异常冲击，确保材料始终工作在其安全塑性范围内。

脆性断裂

脆性断裂是一种突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。图2所示为某机关枪管脆性断裂的实物断口照片。历史上曾发生过大量脆性断裂事故，如美国油船脆性断裂沉没、澳大利亚大铁桥断毁、法国核电站压力容器和英国核电站大型锅炉爆炸等，都是由脆性断裂而造成的严重事故。

脆性断裂一般具有如下特点：

1)脆性断裂是一种突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆。 

2)脆性断裂时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度。 

3）脆性断裂的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始的。 

4）温度降低，脆性断裂倾向增加。匀脆性断裂的断口平齐而光亮，且与正应力垂直，断口上常呈人字纹或放射花样，如图3所示

图2 某机关枪管脆性断裂的断口照片

图3 放射花样的脆性断口

通常脆性断裂前也发生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％则为脆性断口，这种材料称为脆性材料；反之为延性材料。由此可见，材料的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来确定的。条件改变，材料的韧脆断裂行为也会改变。

脆性断裂的预防应从提升材料韧性和降低应力集中入手。关键措施包括：选用韧脆转变温度低的材料，或确保材料服役温度高于其韧脆转变点；细化晶粒以提高断裂韧性；避免材料中存在尖锐缺口或裂纹源，结构设计上应减少应力集中；在加工与焊接过程中控制冷却速率，防止组织脆化；必要时进行热处理或回火处理以改善脆性；同时，应避免在高应变速率或低温环境下施加高载荷，从而降低突然断裂的风险。

02按断裂过程中裂纹扩展所经的途径分类

多晶体断裂时，依据裂纹扩展的路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂两类，该分类着眼于裂纹在金属内部传播时“走哪条路”，图4为穿晶断裂与沿晶断裂示意图。

图4 穿晶断裂与沿晶断裂的示意图

 穿晶断裂

从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。而沿晶断裂则多是脆性断裂。沿晶断裂是由于晶界上有一薄层连续或不连续的脆性第二相或夹杂物破坏了晶界连续性所致，也可能是杂质元素向晶界集聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。金属在高温下，多由穿晶断裂转化为沿晶断裂。沿晶断裂的宏观断口呈冰糖状，如图5所示。但是如果晶粒很细，则肉眼无法辨认出冰糖状形貌，此时断口一般呈结晶状，颜色较纤维断口明亮，但比纯脆性断口要灰暗些，因为它们没有反光能力很强的小剖面。穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。

图5 冰糖状沿晶断口

穿晶断裂的预防应侧重于提高晶粒内部的抗裂纹能力与抑制裂纹萌生机制。常见措施包括：优化合金成分与热处理工艺，提升晶粒强度与均匀性，减少脆性相、析出相或夹杂物等裂纹萌生源；细化晶粒以增强晶粒间的变形协调性；通过加工控制晶体取向（织构）以降低滑移集中；避免高应力集中或循环载荷作用，特别是在滑移系活跃的取向中；在关键部位进行表面强化（如喷丸）以引入压应力，延缓穿晶裂纹的萌生与扩展。

沿晶断裂

沿晶断裂的特点是裂纹沿晶界扩展，大多数是脆性断裂。沿晶断裂是由晶界上的一薄层连续脆性的第二相、夹杂物破坏了晶界的连续性而造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等大都是沿晶断裂。

沿晶断裂的预防关键在于增强晶界的强度与稳定性，防止晶界弱化。主要措施包括：优化合金成分，减少对晶界有害的元素偏析（如硫、磷）并添加有益元素（如硼、锆）以强化晶界；控制热处理工艺，防止晶界析出脆性相或形成连续薄膜；避免长期高温服役以抑制晶界空洞与蠕变损伤；在腐蚀环境中应采取防护措施（如表面涂层、钝化处理）防止晶界腐蚀；同时，应降低材料服役中的拉应力或残余应力，减少裂纹在晶界萌生和扩展的驱动。

03按应力类型及断面与应力方向的关系分类

这种分类方式从力学角度出发，关注的是材料断裂时受到的主导应力类型，以及裂纹面（断面）相对于应力方向的空间关系。不同的应力作用方式会导致裂纹以不同形式扩展，断裂的模式、断口形貌和危险程度也随之改变。

开口型断裂

定义：

应力垂直于裂纹面，沿法向拉开裂纹。

是最常见也是最危险的一种裂纹扩展模式。

特点：

断裂主要由**拉应力（正应力）**引起；

裂纹尖端张开，有明显的“张裂”；

裂纹传播方向通常垂直于主应力方向。

应用实例：

拉伸试验中的金属试样断裂；

飞机蒙皮、桥梁主梁等结构件开裂。

断口特征：

脆性材料中表现为解理或准解理断口；

延性材料中表现为杯锥状韧窝断口。

滑移型断裂

定义：

应力作用平行于裂纹面、垂直于裂纹前沿，导致面内剪切滑移。

特点：

主导应力为面内剪应力；

裂纹两侧发生相对滑动；

不易发生于纯金属，更常见于脆性材料或复杂受力结构中。

应用实例：

岩石断层滑移、工程中螺栓孔附近的剪切裂纹；

板材冲击、连接件剪切失效。

断口特征：

可见平行滑移痕迹；

有时伴随微型台阶或局部撕裂。

撕裂型断裂

定义：

应力沿裂纹面且平行于裂纹前沿，导致面外剪切撕裂。

特点：

主导应力为面外剪应力；

裂纹两侧沿前沿方向反向剪切，造成螺旋式开裂；

在复杂三维受力中出现较多。

应用实例：

厚板或厚壁管在扭转载荷下的断裂；

涡轮叶片在高速运转中出现边缘裂纹。

断口特点：

通常呈螺旋扭曲形貌；

裂纹扩展方向难以预测，破坏性强。

混合模式断裂

在实际工程中，绝大多数断裂都不是单一模式，而是由两种或三种基本模式复合作用形成的“混合断裂”

04按载荷性质及应力来源分类

金属断裂的发生离不开应力的作用。不同的载荷类型会在材料中引发不同的应力状态，导致不同形式的断裂过程。根据载荷的作用方式、持续时间、变化规律以及应力的来源，可将金属断裂分为以下几类：

静载断裂

定义：

材料在恒定或缓慢变化的外部载荷作用下发生的断裂。载荷作用时间较长，但载荷本身不发生剧烈变化，断裂一般是一次性失效。

力学机制：

应力超过材料的极限强度（如抗拉强度、剪切强度）；

局部应力集中处发生微裂纹萌生；

微裂纹扩展形成宏观裂纹并失稳扩展至断裂。

断裂类型：

若材料韧性较高 → 延性断裂；

若材料脆性较强或温度较低 → 脆性断裂。

微观特征：

延性断裂：大量韧窝（微孔聚合）；

脆性断裂：准解理面、沿晶面、海贝纹等。

应用与实例：

金属构件超载拉断；

材料在高应力集中区域发生静态破坏；

锚固结构、支撑梁在负载长期未释放时断裂。

冲击断裂

材料在短时间内受到剧烈载荷冲击，造成应力急剧上升，通常发生在毫秒级时间尺度内，导致材料瞬时失效。

特点：

载荷具有高应变速率；

材料在此状态下的行为不同于静载（通常脆性增强）；

易造成裂纹瞬间失稳扩展。

力学机制：

动载加载速率高，材料来不及塑性缓冲；

动态应力集中导致局部破坏；

释放过程中伴有弹性应变能释放，断裂剧烈。

测试方法：

夏比冲击试验（Charpy impact test）；

Izod冲击试验；

动态断裂韧性试验（如动态K_IC、CTOD测试）。

断口特征：

光亮、平整、脆性特征明显；

无明显颈缩或塑性变形。

工程实例：

钢轨在低温环境下被撞击破裂；

工程车辆的钢构件在碰撞中发生脆性断裂；

航空器在鸟击或碎片打击下损伤失效。

疲劳断裂

材料在受到低于断裂强度的交变应力作用下，发生的脆性断裂，称之为疲劳，常可见疲劳条带（或称疲劳辉纹）的典型特征。

应力特征：

应力循环形式多样：完全反复、对称循环、不对称循环；

应力幅值、平均应力、载荷比（R = σ_min/σ_max）均影响疲劳寿命；

大量循环 → 裂纹起始 → 稳态扩展 → 瞬时断裂。

微观机制：

局部滑移带（Persistent Slip Bands, PSBs）在晶粒内反复形成；

位错积累导致微裂纹在滑移带交汇处萌生；

裂纹扩展与晶粒取向、环境和加载频率密切相关。

类型划分：

高周疲劳（N_f > 10⁴）：弹性主导，低应力循环；

低周疲劳（N_f < 10⁴）：塑性应变显著，常伴有宏观形变；

超高周疲劳（>10⁷）：裂纹源转移至材料内部（如夹杂物诱导）。

断口特征：

裂纹源清晰（往往位于缺口、孔边、焊缝等部位）；

海滩纹（疲劳条带）记录裂纹扩展过程；

最终瞬断区呈延性或脆性断口。

工程实例：

飞机铆钉周围的裂纹；

风电叶片主轴断裂；

铁路车轮轮缘疲劳失效。

蠕变断裂

定义：

材料在高温（通常 >0.4 Tₘ，Tₘ为熔点）和恒定应力的长期作用下，因原子扩散与晶界滑移等机制而产生时间相关的永久性变形和最终断裂。

应力条件：

应力水平可能远低于屈服强度；

但高温使扩散与滑移加速，导致晶界空洞形成与连接。

蠕变机制（分阶段）：

初始阶段：蠕变速率递减；

稳定阶段：线性缓慢蠕变（主阶段）；

加速阶段：空洞聚集，晶界裂纹形成 → 断裂。

断口特征：

晶界沿线扩展；

可见大量空洞（微孔）、沿晶断裂特征；

多伴随厚壁材料的鼓包或鼓肚现象。

工程实例：

汽轮机叶片、燃气轮机热段元件；

核电站管道、高温换热器；

航空航天用高温合金部件。

应力腐蚀断裂

定义：

在拉应力（包括残余应力）与特定环境介质（如Cl⁻、NaOH、H₂S）共同作用下形成的沿晶界或穿晶裂纹，属于典型的环境致裂现象。

成因机制：

材料表面产生微裂纹；

腐蚀介质沿裂纹尖端进一步破坏钝化膜；

应力集中加剧裂纹尖端扩展 → 微裂纹稳定生长 → 失稳断裂。

类型细分：

阳极溶解型 SCC（如不锈钢在Cl⁻中）；

致脆化型 SCC（如高强钢在H₂环境）；

缺口敏感性材料更容易发生 SCC。

断口特征：

沿晶或穿晶断裂路径；

常可观察到树枝状裂纹形貌；

裂纹从表面凹陷、划痕、焊缝边缘等部位起始。

工程实例：

不锈钢储罐在含氯水中发生断裂；

核电站辅助设备管件断裂；

航空用铝合金在海洋环境中腐蚀裂纹。

05按静载下断裂的机制分类

按静载下断裂的机制，断裂类型又可分为剪切断裂与解理断裂两大类。

剪切断裂

剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面滑移而造成的断裂。它又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形或刀尖形，这是由纯粹的滑移流变所造成的断裂。常用的工程金属材料一般产生微孔聚集型断裂，如低碳钢室温下的拉伸断裂，这类断裂是通过微孔形核长大聚集而使材料分离的。

剪切断裂的预防应着重于减小剪应力集中和提高材料的抗剪强度。主要措施包括：优化结构设计，避免薄弱截面和急剧几何变化，尤其在受剪构件中如键槽、螺栓孔等部位应采用圆滑过渡；选用具有良好剪切韧性和强度的材料；通过合理热处理改善材料的组织均匀性，防止析出脆性相导致局部失效；加工过程中控制缺口、划痕等表面缺陷的形成；在高剪载荷条件下设置冗余设计或加固支撑结构，以延缓局部失效向整体断裂扩展。

解理断裂

解理断裂是金属材料在一定条件下（如低温），当外加正应力达到一定数值后以极快速度沿一定的结晶学平面产生的穿晶断裂，该结晶学平面被称为解理面。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。各种材料、各种晶体构造的解理面和主要滑移面见表1。

表1 各种材料、各种晶体构造的解理面和主要滑移面

由表1可见，只有体心和密排六方金属才产生解理断裂，面心立方金属不发生解理断裂。这是因为只有当滑移带很窄时，塞积位错才能在其端部造成很大的应力集中而使裂纹成核，但是面心立方金属易产生多系滑移，使滑移带破碎，尖端钝化，应力集中下降。所以，从理论上讲面心立方金属不存在解理断裂。但面心立方金属在非常苛刻的条件下也可能产生解理破坏。

通常解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形，所以解理断裂与脆性断裂不是同义词，前者指断裂机制，后者则指断裂的宏观形态。除了上述的断裂分类方法外，根据断裂面的宏观取向与最大正应力的交角，断裂方式又可分成正断型和切断型两种。若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂。常见于解理断裂，或塑性变形约束较大的场合，例如平面应变条件下的断裂。断裂面取向与最大切应力方向一致，而与最大正应力约呈45°时，则为切断型断裂。常发生于塑性变形不受约束或约束较小的情况，例如平面应力条件下的断裂、拉伸断口上的剪切唇。

综上所述，金属材料的断裂分类及其主要特征见表2。

表2 金属材料的断裂分类及其主要特征

解理断裂的预防应重点在于抑制裂纹沿晶体特定晶面低能路径的快速传播。主要措施包括：细化晶粒以增加裂纹扩展路径的绕行阻力（根据Hall–Petch关系），降低裂纹直线传播的几率；避免材料在低温、高应变速率或三轴拉应力状态下服役，确保使用温度高于其韧脆转变温度；控制合金元素和热处理工艺，减少脆性相析出或偏析；在结构设计中降低应力集中，采用圆角过渡；同时，通过残余压应力引入（如喷丸）可有效提升裂纹萌生阻力，延缓解理破坏的发生。

06受力状态和环境介质分类

由于零件受力状态和周围环境介质不同，断裂的特点也不相同，从而又可将断裂分为静载断裂（拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂）、冲击断裂、疲劳断裂等。根据环境不同，又可分为低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀和氢脆断裂、磨损和接触疲劳断裂等。

 

断口分析

零件断裂后的自然表面称为断口。由于金属材料中裂纹总是沿着阻力最小的路径扩展，所以断口一般也是材料中性能最弱或应力最大的部位。断口分析是通过现代的宏、微观分析手段，对试样或零件断裂后的破坏表面形貌进行观 测分析，了解材料断裂模式及特征，分析其断裂机理及与材料性能的关系。断口形貌根据分析时所采用的手段不同、观察的范围不同，一般分为宏观断口与微观断口两类。宏观断口反映了断口的全貌，而微观断口则揭示了断口的本质，各有特点，应互相配合分析。

分析宏、微观断口时，一般主要包括以下六方面：

1、断口的颜色

依据断口表面有无氧化色彩可以判断机件服役温度的高低；依据有无腐蚀产物的特殊色彩可以判断腐蚀类型和程度；依据有无冶金夹杂物的特殊色彩可以判断冶金因素的作用；依据疲劳断口各区光亮程度可以判断疲劳源的位置。

2、断口的表面粗糙度

依据断口的表面粗糙度可以判断断裂机件的受力大小和定性地评定材料的晶粒大小与裂纹扩展速率；依据断口上是否存在反光小刻面及其数量，可以判断金属材料的冶金质量、杂质相的多少。

3、断口的花纹

如果宏观上可见疲劳弧线或微观上可见疲劳条带，则为疲劳断口；依据在疲劳断口有无台阶，可判断交变应力的大小；如果有放射状的撕裂棱或人字纹花样，则是判断脆性材料或高速加载的断裂特征；如果宏观断口呈纤维状或长毛绒状，则是延性断裂的特征。

4、断口边缘的特征

从断口边缘的特征可以判断疲劳源的位置；从断口唇边的情况，可以判断机件的应力状态；唇边的大小可以判断材料塑性变形的程度。

5、断口的位置

根据断口在构件中的位置，分析受力形式、应力集中程度及环境特征等，进而帮助分析断裂的性质和原因。

6、微观断裂形貌与特征

例如，韧窝形状和大小、解理台阶、河流花样、滑移带、疲劳条带数量和宽度、氧化物性质及厚度、夹杂物形状和尺寸、晶粒尺寸等。

通过上述断口分析，研究和评定下列内容： 

1)确定断裂类型。脆性断裂还是延性断裂；穿晶断裂还是沿晶断裂；静载荷断裂还是交变载荷断裂；空气环境断裂还是腐蚀环境断裂；室温断裂还是高温环境断裂等。 

2）确定裂纹源位置。 

3）揭示微观结构与性 能的关系。

01断口的基本分析方法

1．宏观断口分析方法

宏观断口分析是用肉眼、放大镜、低倍实体显微镜，通过观察断口表面的颜色、表面粗糙度、宏观形貌特征和宏观变形痕迹等，来确定断裂的性质、断裂源的位置、裂纹扩展的过程和方向、受力状态和环境介质作用等情况，从而初步分析断裂的性质及原因。在宏观断口分析中可以使用低倍照相器 （0.5x一20x）和低倍实体显微镜 （4 x-100x), 其主要作用是观察和拍摄整个断口的宏观形貌特征，可以初步分析判断材料断裂的基本性质和全过程，为进一步放大观察和深入分析提供线索。进行宏观断口分析时，由于断口表面较粗糙，为获得良好的成像效果，拍摄时多采用单光源斜照明，倾斜角一般为 30°-45°。为防止断口凸凹悬殊的地方明暗反差太大，产生失真，可增加亮度较低的辅助光源，其效果更佳。 

2． 微观断口分析方法

微观分析是在宏观分析的基础上，利用其他分析工具观察分析断口的微观形貌，进一步探讨裂纹形成与扩展的过程和产生的原因，揭示材料结构与力学行为之间的关系。只有宏观分析与微观分析相结合，才能对材料的力学行为有更深入、更全面的认识和了解。用于断口微观分析的主要分析工具有光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和能谱仪等。它们各有特点，在断口分析中应相互配合使用。光学显微镜在断口分析中是不可缺少的重要设备。它主要用于观察断口的形貌特征、局部的微观形貌、断口剖面特征等。由于光学显微镜的放大倍数和景深都十分有限，且断口本身又极为不平整，这给光学显微镜观察断口带来了不可克服的困难。

扫描电子显微镜（SEM）与光学显微镜和透射式电子显微镜相比具有以下优点：

1)聚焦景深很大，可以研究粗糙的样品表面，获得清晰的图像。 

2）放大倍数可在几倍到十万倍之间连续观察。 

3)可观察三维特征，图像清晰、立体感强。 

4）样品制备方法简单，可直接观察断口，不需制作复型，避免由复型带来的假象等。 

5)如果与能谱仪配合使用，则可直接定量地探测样品表面微区元素种类和含量。 

6）一般分辨力可达纳米量级。 

透射电子显微镜 （TEM）的分辨力比SEM高，但透射型电子显微镜不能直接观察断口，需制取金属薄膜或复型，不能得到连续图像，观察部位与实际断口面上的位置或方向很难对应起来，并且不能从很低的倍数开始观察。

3．断口的保护 

保护断口清洁和不受损伤是断口分析的重要环节。如果断口表面受到外来机械损伤或化学腐蚀，就破坏或掩盖了原始的断口表面形貌特征，直接影响断口分析的质量和准确性，甚至会导致错误的结论。因此断裂的试样或零件，如果不立即进行断口表面检测，就应尽可能快地将断口存放和保护起来，防止环境污染及意外损伤。

在实验室里存放断口的最好方法是将断口直接储存在干燥器中或放在含有干燥剂的塑料容器内。例如从现场提取断口，应在搬运前将断口表面覆盖一层干净、不含绒毛的软布，如果断口表面有松散附着物，为防止失落，应提前将附着物取下，保存好以待分析。对于需长途运输或长期保存的断裂试件，除可与硅胶同装入塑料袋封存外，还常用表面涂层保护。表面涂层应既能防腐蚀又易于被清洗掉，常用的有高质的防锈油或丙烯清漆。 

醋酸纤维素纸（简称塑料纸或AC纸）已成功用来保护大多数断口表面。塑料纸需用丙酮软化，然后用手指或橡皮擦将软化的一面紧紧地压附在断口表面。除净塑料纸必须把样品 放人丙酮中长时间浸泡，用毛刷或用超声波清洗。

从断裂试件上切取分析样品时，不应损伤断口。如果采用火焰切割时，应防止热影响及熔化的金属溅及断口表面；如果用锯或砂轮片切割，应采用干切，或先用塑料纸粘在断口上，用胶布固牢后再切割。

在接触断口过程中，用手指触摸断口表面以及用坚硬器械接触断口或把匹配断口对合一起都是不允许的。前者将使水汽和盐粘在断口表面上造成化学腐蚀；后者会使断口产生机械损伤。

4．断口的清洗 

暴露于不同环境的断口表面，一般附有污物以及腐蚀或氧化物，在进行断口分析前必须予以清除。但是如果断口表面的附着物对断口的分析有作用时，在进行断口清洗前，要注意进行断口表面的附着物的分析。清洗断口表面一般采用以下几种清洗技术： 

1)用干燥空气吹或用柔软毛刷清洗。 

2)用有机溶剂清洗。如用丙酮、乙醇 浸泡，主要用于除去油污，把样品放入装有溶剂 的烧杯中长时间浸泡或用超声波清洗几分钟能得到较满意的效果。 

3）复型剥离法。用塑料纸反复粘贴，再加超声波清洗，其效果令人满意。 

4）洗净剂清洗。选择的清洗液只侵蚀掉断口表面的沉积物，而不会损伤样品的断面基体。 

5)阴极清洗法。采用上述清洗方法仍不能清洗干净时，如断口表面存在较厚的腐蚀性产物（如腐蚀疲劳试验样品）时，可采用阴极清洗法。阴极清洗是一个电解过程，将清洗 的样品作为阴极，不锈钢板作为阳极。清洗钢铁材料断口的电解液是10%NaOH水溶液，电流密度为l0A/dm2，电解时间依锈蚀程度而定，一般为5一8min。电解过程完成后，样品迅速用水冲洗，并放入沸腾的10％柠檬酸水溶液中用软毛刷清洗干净，然后用水冲洗并放入无水酒精中，最后吹干保存在干燥器内。 

6)化学清洗。用弱酸或弱碱性溶液浸泡或刷洗，由于该方法可能腐蚀断口表面基体，因此只是在使用上述清洗方法后，其效果不好的情况下才采取的一种化学浸蚀清洗方法。去除铝合金断口表面的腐蚀产物可用200mL正磷酸＋80g铬酸＋800mL水溶液，在室温下清洗 2一10min。钢铁材料断口样品可用以下溶液清洗：(P50％一100％正磷酸水溶液，溶液可加 热清洗；(18.4mL盐酸（6mol/L)+0.2g六甲撑四胺＋81.6mL水，在室温下使用。经过上述处理的样品应立即放入稀释的Na2CO3（碳酸钠）或NaHCO3（碳酸氢钠）溶液中冲洗，然后再用蒸馏水、酒精清洗，吹干后保存在干燥器内。

02断口的宏观形貌特征

静载荷下断口的宏观形貌特征

1．光滑圆柱试样的拉伸断口

光滑圆柱拉伸试样的韧性断口，一般呈纤维状，由纤维区、放射区、剪切唇区三个区域组成，即所谓断口特征的三要素，如图6所示。

图6 光滑圆形拉伸试样 断口的宏观形貌

2．缺口圆柱试样的拉伸断口 

带缺口的圆柱试样，由子缺口处的应力集中，裂纹直接在缺口或缺口根部产生。其纤维区沿圆周分布。裂纹将从该处向试样内部扩展。若缺口较钝，则裂纹仍可首先在试样中心形成。但由于试样外表受到缺口的约束而大幅度抑制了剪切唇的形成。图7为缺口圆柱试样拉伸断口形貌示意图和实际的宏观断口照片。图7中最终断裂区一般较其他部位的断口表面要粗糙得多。

图7缺口圆柱试样拉伸断口形貌示意图和实际的宏观断口照片

由于试样或构件在缺口处的应力集中，约束增大而造成的脆断，称为缺口脆性。若缺口试样的裂纹以不对称的方式由缺口向内部扩展时，断口形态较为复杂。其宏观断口示意图如图8a所示，其初始阶段可能是纤维状的，第二阶段则可能是放射状的。当初始阶段与第二阶段相交接时，它便停止发展。图8b所示为缺口圆柱试样以不对称方式扩展的宏观断口照片，图中放射线及最终破断区明显可见。

图8 缺口圆柱试样拉伸裂纹不对称扩展的断口宏观形貌图

3．矩形试样的宏观断口 

无缺口的矩形拉伸试样，其断口和圆柱试样一样，也有三个区域。但是由于试样的几何形状不同，所以断口形态也不同。正方形试样的裂纹源位置与试样表面相对称，其纤维区呈圆形。但矩形扁平试样的中央纤维区变成椭圆形，而放射区则变为 “人字形”花样。这是由于试样几何形状的改变，使裂纹主要沿宽度方向扩展的缘故。人字形花样的尖端指向裂纹源。最后破坏区仍为剪切唇区。这种断口的示意图如图9所示。

图9矩形拉伸试样断口示意图

试样厚度对断口形貌有很大的影响。当试样厚度减少时，剪切唇区所占面积增大，放射区缩小。对于相对薄的板试样，其断口是全剪切的，这就是平面应力条件下造成的切断型断口。实验室使用的带缺口的板试样，其缺口有单边切口或双边切口，也有开在试样表面的中心穿透的切口或不穿透的切口。由于缺口的存在，裂纹源的位置发生了改变，一般都在缺口处产生。图10所示为单边缺口矩形试样及表面中心不穿透切口试样拉伸断口形貌的示意图。

图10 单边缺口矩形试样及表面中心不穿透切口试样拉伸断口形貌的示意图

影响平板试样断口三个区相对比例的因素主要是材质、板厚及温度。材料越脆，板厚越大，温度越低，其纤维区及剪切唇区越小，放射区越大。反之，则纤维区及剪切唇区增大，放射区减小，甚至出现全剪切断口。实际构件的断口，其人字纹并不完全是直线状的，而是弯曲的，如图11所示。它是由一系列从板的中心向外发射的撕裂棱线所组成的，人字纹的顶点是裂纹源，人字的两撇表示裂纹扩展的方向。人字纹花样是脆性断裂的最主要宏观特征。由于大多数实际构件，其断 面多属矩形板材，如焊接船体、储油罐等断口常出现人字纹，因此首先找出人字纹，然后顺着人字纹方向寻找裂纹源，这是事故分析的重要方法。

图11 矩形拉伸试样的实际断口形貌

冲击断口的宏观形貌特征

一般来说，在拉伸断口中出现的三个区域，也都在冲击断口中出现。首先在缺口附近形成裂纹源，然后是纤维区、放射区及剪切唇区，剪切唇区沿无切口边的其他三侧边分布。纤维区同放射区或剪切唇区相连接的边界常呈弧形。冲击断口的另一特征是，由于在摆锤的冲击下，V形缺口侧受拉应力，不开缺口的另一侧受压应力，在整个断面上受力方向不同，所以当受张应力的放射区进入受压区时可能消失，而重新出现在纤维区。于是出现了图12所示的放射区两侧同时存在纤维区的断口形貌。若材料的塑性足够好，则放射区完全消失，整个截面上只有纤维区及剪切唇区两个区域。

图12 冲击试样断口宏观形貌图

断口上二次出现纤维区的主要原因是，当裂纹进入压应力区时，压缩变形对裂纹的扩展起着阻滞的作用，使扩展速度显著降低。温度对冲击断口各区所占面积的影响很大。随着试验温度的降低，纤维区面积陡然下降，而放射区面积陡然上升，材料由延性迅速转变为脆性。此种转变温度称为脆性转变温度。工程上用不同的方法及标准来确定它，以便作为衡量零件或构件在工作条件下是否安全的一种尺度。

疲劳断口的宏观形貌特征

典型的疲劳断口按断裂过程分为三个区域，即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。图13所示为某直升机旋翼轴颈首扣螺纹处断裂的全貌和疲劳断口。图13b中清晰地显示了三个区域：光滑细腻的疲劳源区、显现贝纹状花纹的疲劳裂纹扩展区和呈纤维状的瞬时脆性断裂区。

图13 某直升机旋翼轴颈首扣螺纹处断裂的全貌和疲劳断口

沿晶断裂的宏观形貌特征

晶界的存在，本来是使金属材料强化的重要因素之一。但在某些情况下，晶界会变成独特的薄弱源，使裂纹沿晶界扩展，导致沿晶断裂。沿晶断裂总是与材料的某些力学性能明显降低（如A,Z,K,KIc等）相联系。沿晶断裂的产生一般与热处理规范、外界环境及应力状态有关，如热处理引起的过热脆性断裂和回火脆性断裂；环境因素引起的应力腐蚀与氢脆断裂；由于高温及应力共同作用而产生的蠕变断裂等，大多数情况下都属于沿晶断裂。

沿晶断裂多属脆性断裂，断口常呈所谓“冰糖状”形态。图15所示为18CrNiWA 钢的冰糖状断口。

图15 18CrNiWA钢的冰糖状断口

实际构件断口的宏观分析

以上主要介绍了几种常见的典型宏观断口，但实际构件受力状态复杂，断裂原因也是多方面的，因此宏观断口形貌也比较复杂。譬如，在交变应力作用下会产生疲劳断裂，宏观断口上常围绕疲劳源区形成一些同心圆，称为“贝纹线”，它是疲劳断口的主要宏观特征；又如，由于氢分子聚合而造成的氢脆断裂，在宏观断口上出现雪片状的“白点”。在观察宏观断口时，必须首先寻找这些特征，以确定断裂性质。

1．断口特征的判据 

分析实际构件的宏观 断口时，主要从以下几方面分析其特征与性质。 

(1)观察断口是否存在放射花样或人字纹 

(2）观察断口是否存在弧形线

(3）观察断口的粗糙程度

(4）观察断口的光泽与颜色

(5）观察断口与最大正应力方向的交角

2. 裂纹源的确定

实际构件或试样的裂纹源，一般根据试样几何形状、应力状态、宏观断口特征来确定。 

1)对于圆形截面零件或试样由于过载引起的断口，其纤维区常常是裂纹源所在的位置。而放射花样逆指向纤维区或裂纹源具有圆环脊状花样的纤维区，其裂纹源总是在最内层的中心区。 

2）对于矩形或板状构件，顺着人字纹顶尖所指的方向或放射花样逆向追溯到裂纹源和纤维区。3) 对于缺口试样，裂纹源产生于缺口根部，而且呈现多源，因此首先应在断口的缺口径向边缘处寻找裂纹源。 

4）对于疲劳断口，疲劳源总是起始于缺口、沟槽、孔角等几何形状不连续的应力集中处，以及材料内部的夹杂、空洞等缺陷处。当零件经表面强化或其他镀层处理后，裂纹源会出现在材料的次表面上，因此首先应在断口上寻找上述易出现裂纹源的区域，然后根据断口上的一些特征花样，如放射花样、贝纹线等来确定裂纹源的具体位置。 

5）疲劳断口表面若有贝纹线，则沿着贝纹线发展的逆向，可找到疲劳源。若断口上还有放射区，则沿着放射花样的逆向，可追溯到疲劳区并确定疲劳源的位置。裂纹源位置确定后，裂纹扩展的宏观方向即可随之确定。一般情况下，指向源区的反方向就是裂纹宏观扩展方向。例如，放射线发散方向、与疲劳弧线相垂直的放射状条纹的发散 方向等。从微观上来判断，与疲劳条带相垂直的方向及扇形或羽毛状花样的发射方向即为疲劳裂纹局部扩展方向等。

03疲劳断裂的微观形貌特征

疲劳裂纹扩展断口的微观形貌特征

疲劳裂纹扩展可分为两个阶段，其复型照片如图16所示。第I阶段：当疲劳裂纹的核心一旦在试样表面滑移带或缺陷处（如夹杂物、刀痕等）、 晶界上形成后，立即沿滑移带的主滑移面向金属内部伸展，此滑移面的取向大致与正应力约呈45°角。第I阶段裂纹总是沿着最大切应力方向的滑移面扩展。第I阶段：裂纹按第I阶段扩展方式扩展一定距离后 （约10-1mm量级），将改变方向，沿与正应力相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展产生重大影响。

图16 疲劳裂纹扩展两阶段的复型照片

1．疲劳裂纹扩展第I阶段的微观形貌特征

第I阶段的疲劳裂纹扩展的宏观形貌特征可分为两种类型。第一类为平面状断口。由于该阶段的裂纹严格地沿晶粒内某一滑移面扩展，因此断口非常平坦光滑，而且这种平断口往往具有很强的反光能力。第二类为平行锯齿状断口。这是由于裂纹沿着两组互不平行的【111】滑移面扩展造成的。其微观特征随不同的合金有所不同，以Mar-M200镍基高温合金为例，可能出现的微观特征主要表现如下： 

1)类似于解理断裂的河流、台阶等花样。对镍基高温合金疲劳断口观察发现，有类解理小刻面。图17所示为Mar-M200镍基高温合金疲劳断口上的解理刻面。其中，图17a中的裂纹起始于临近表面的金属碳化物夹杂处（图中A点处），扩展了很短一段距离后（图中B点处），裂纹呈放射状向四周扩展，形成扇形台阶。 

2）滑移线是第I阶段断口的又一特征。断口上可见许多细小的、平行的并与台阶呈60°交角的滑移线，裂纹自左上向右下方向扩展，如图17b所示。

图17 粉末高温合金疲劳裂纹扩展第 I阶段的微观形貌特征

2．疲劳裂纹扩展第II阶段的微观形貌特征

疲劳裂纹扩展的第II阶段断口的基本微观特征是疲劳条带。疲劳条带是判断疲劳断裂的基本依据，凡在断口中发现疲劳条带时，可判断为疲劳断裂。但反过来，如果在断口上未发现疲劳条带时，并不能断定是非疲劳断口，这是由于并不是在所有的合金和所有条件下疲劳条带都呈现相互平行的规则形态。合金、应力水平、环境的不同，条带的形态会有很大差别。典型的疲劳条带形貌如图18所示。铝合金、碳钢、钛合金、耐热 钢的疲劳条带有时很明显，但超高强度钢、铸造耐热合金及高应变低寿命疲劳中，疲劳条带并不十分明显。

图18 典型的疲劳条带形貌

疲劳条带的基本特征归纳如下： 

1)疲劳条带是一系列基本上相互平行的条带，略带弯曲，呈波浪形。这些条带在不同的条件下可以是凸出于断面的埂上，也可能是凹陷于断面内的沟槽，条带的方向与裂纹局部 扩展方向垂直。疲劳条带通常要在高倍显微镜下才能观察到（如x1000倍）。 

2)每一条疲劳条带代表一次载荷循环，每条疲劳条带表示该载荷循环下裂纹尖端的位置。疲劳条带在数量上与循环次数相等。 

3）疲劳条带的间距（或宽度）是应力强度因子范围△K的函数，随△K的增加而增加。 

4）疲劳裂纹并不是总在一个平面上扩展，而经常是在多个大小不等、方向有别、高低不一的小平面上同时扩展。每一个小平面上的疲劳条带连续且平行，但相邻小平面上的疲劳条带是不连续、不平行的，当这些小平面汇合时就形成一棱边。5)断口两侧断面上的疲劳条带基本相对应。 

6)疲劳条带形成的必要条件是疲劳裂纹尖端必须处于张开型的平面应变状态。所以只有当疲劳断口与疲劳载荷张开应力相垂直时，才能观察到疲劳条带。

近门槛值扩展区断口的微观形貌特征

近门槛值扩展区的裂纹扩展速率为10-7mm/周 ，其行为受力学、材料和环境等因素的影响很敏感。图20所示为300M钢（美国牌号相当于40CrNi2Si2MoVA）等温淬火状态在不同应力比R条件下的宏观断口照片，在门槛区存在明显的磨蚀氧化沉积物，而且随应力比R的增加，氧化膜厚度减小，当R二0.7时氧化膜消失。这表明裂纹闭合效应在起作用。图21所示为300M钢在近门槛扩展区的一组典型的断口微观形貌照片。观察表明，无论是等温淬火状态还是油淬状态，在近门槛区的断口表面光滑细腻，并显示磨蚀和氧化物的痕迹；断口的微观形貌的主要特征是存在一定数量的解理小刻面，等温淬火状态为穿晶小平面，如图21a所示，油淬状态为沿晶小刻面，如图21b所示。

图20 300M钢近门槛扩展区的宏观断口照片

图21 300M钢在近门槛扩展区的微观断口照片

腐蚀疲劳断口的微观形貌特征

腐蚀疲劳是在交变应力与腐蚀介质共同作用下的结果，所以在断口上往往可观察到腐蚀破坏的特征，同时也可以观察到疲劳破坏的特征。图23所示为2024铝合金腐蚀疲劳小裂纹断口的一组微观形貌照片（3.5%NaCI水溶液）及2A01铝合金在海洋环境中的沿晶断裂形貌特征。一般来说，腐蚀疲劳断口与空气环境的疲劳断口相比，具有以下特征：

1)断裂的宏观表面一般颜色灰暗，无金属光泽；对腐蚀严重的材料，断口表面呈现明显的腐蚀坑或腐蚀氧化沉积物。 

2)裂纹一般起源于表面腐蚀损伤处，如腐蚀坑、腐蚀斑，如图23a所示。 

3)疲劳源与扩展区一般有腐蚀产物沉积，如图23b所示。 

4）断裂扩展区具有较明显腐蚀特征，如腐蚀坑、干涸状花样等，如图23c所示。 

5）沿晶断裂是腐蚀疲劳断口的重要微观特征，如图23d所示。

图23 腐蚀疲劳断口的微观形貌特征

04应力腐蚀与氢脆断口
应力腐蚀断口的形貌特征

金属构件在静载拉应力和特定腐蚀环 境共同作用下所导致的脆性断裂为应力腐蚀断裂，其断口的形貌特征主要有： 

1)应力腐蚀断裂是脆性断裂，即使是延性极好的材料，产生应力腐蚀断裂时同样也是脆性断裂。其断口平齐、与主应力垂直、没有明显的塑性变形，断口形态呈颗粒状。 

2）应力腐蚀是一种局部性腐蚀，裂纹常被腐蚀产物所覆盖，从外表很难观察到。 

3)应力腐蚀的断口特征比较复杂。它与材料的晶体结构、合金成分、热处理状态、环境介质、温度及应力状态有关；它既可呈脆性断口，有时也可看到延性断口，断裂方式既可是晶界型，也可是沿晶型。

氢脆断口的形貌特征

氢脆断口具有典型的脆性断裂特征：断口平齐，存在放射状的棱线或呈颗粒状。其微观断口形貌随着氢含量、合金成分、晶粒度、应力大小和应变温度等的不同而变化。氢脆断口最基本的微观形貌是沿晶断裂（见图27)，有时也可观察到解理断裂及局部韧窝断裂。

图27 300M钢冲氢试样延迟断口特征

“白点”是氢脆断口形貌的另一重要特征，如图27所示。白点有两种类型。一种是在钢件中观察到纵向发裂，在其断口上则呈现白点。这类白点多呈圆形或椭圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈白色，所以又叫作“雪斑”或“发裂白点”。如图28a所示，这种白点实际上就是一种内部微细裂纹，它是由于某种原因致使材料中含有过量的氢所造成的。另一种白点呈鱼眼形，它往往是某些以材料内部的宏观缺陷 （如气孔、夹渣等） 为核心的银白色斑点，其形状多为圆形或椭圆形。圆白点的大小往往同核心的大小有关，即核心越大，白点也越大。图28b所示为以焊接缺陷 （气孔）为核心的鱼眼形白点。