断口学的发展及微观断裂机理研究..docx

断口学的发展及微观断裂机理研究??2011-10-27 23:15:24|??分类：?默认分类|举报|字号?订阅钟群鹏XX 　赵子华　　张　峥(北京航空航天大学???? 材料科学与工程学院,北京100083)钟群鹏,男,1934年10月生,浙江省上虞市人,汉族。现为北京航空航天大学材料学院教授,博士生指导教师,机械装备失效分析预测预防研究所所长,中国工程院院士。研究方向主要为材料的韧脆转变理论,压力容器失效分析和弹塑性安全评估技术,断口物理数学模型和定量反推分析,机械装备失效分析诊断预测预防理论、技术和方法。摘要　从宏观到微观、从定性到定量、从断裂失效的断口分析到机理研究的断口学,阐述断口分析在断裂失效(事故) 分析中的地位和作用,介绍断口分析的内容及其依据、基本技能和方法,着重说明断口学的发展和微观断裂机理的研究。关键词　断裂失效分析　断口分析　断口学　微观机理1 　引言断口是试样或零件在试验或使用过程中断裂后所形成的相匹配表面。断口学是研究断口的形貌、性质,进而分析断裂类型和断裂方式(有时统称为断裂模式) 、断裂路径、断裂过程、断裂性质、断裂原因和断裂机理的科学。从16 世纪开始,人们就开始对断口形貌进行研究[1 ] 。1722 年de Reaumur 报导了借助显微镜研究金属断口的方法,在他的经典著作中,把钢铁断口归纳为七种类型[2 ] 。在19 世纪的断口学研究中,比较重要的工作有, 1875 年Percy 描述了六种断口形貌的一般类型[3 ] ;1878 年之后的几年中,Adolf Martens[4 ] (马氏体就是用他的名字来命名的) 把断口技术和金相技术结合起来研究材料的性质;1885 年,Johann Augustus Brinell(布氏硬度的创始人) 讨论了热处理以及碳的状态变化对钢的断口形貌的影响[5 ] 。由于对金相学的过分重视,当时很多知名的冶金学者认为微观断口形貌是既不准确又无用处的,因此在进入20 世纪很长的一段时期里,显微断口学还是被人们忽视的。直到1944 年Carl A. Zapffe 定义了断口学中具有十分重要意义的名词“断口形貌学”(fractography) 之后[6 ] ,断口分析才进入了一个快速的发展时期。同时期,Zapffe 把光学显微镜应用到断口形貌的观察上,对断口学的发展有着深远的意义。随着透射电子显微镜和扫描电子显微镜在断口形貌观察上的应用,断口学的研究有了质的飞跃,从此断口学的研究进入了全新的发展阶段,使得断口分析成为失效分析必不可少的手段。电子断口学给出脆性断裂解理花样的确切解释,发展了新的疲劳断裂模型,并提出了微孔聚集的韧性断裂微观机理。2 　断口分析在断裂失效( 事故) 分析中的地位和作用2. 1 　断裂失效分析的重要性据统计,在工业技术发达国家每年因工程系统的失效造成的损失约占国家生产总值的5 %～10 %[7 ] 。如果正确应用已有的技术进行失效预防,大约有一半的损失是能够避免的。1982 年,美国商业部所属的国家标准局和Battelle Columbus 实验室向国会提交的一份调查报告中指出,美国因断裂和防止断裂而付出的总代价是每年1 190 亿美元,约为国民经济总产值的4 %。1991 年,欧共体委托欧洲结构完整性协会对欧洲12 个国家多个行业因断裂造成的经济损失进行调查,报告指出,如果每年投入2 亿美元用于断裂和防止断裂研究,潜在的经济效益为每年800 亿美元[8 ] 。可以看出,在工程系统的各类失效中以断裂失效最为主要,危害也最大。因此,分析断裂失效(事故) 的模式、原因和机理是非常必要的。2. 2 　断裂失效分析的依据断裂失效分析可分为残骸分析、参数分析和资料分析。残骸分析是直接证物分析,包括断口分析、裂纹分析、痕迹分析等。参数分析是间接的分析,包括力学、环境、材料性能等参数的分析。资料(案例) 分析是参考已有案例进行分析,包括统计、综合和专家系统等分析。2. 3 　断口分析在断裂失效( 事故) 分析中的作用2. 3. 1 　“断口”的重要性“断口”是断裂失效(事故) 最主要的残骸,是断裂失效(事故) 分析的主要物证。在有些断裂故障分析中,裂纹痕迹有时是不存在的或找不到的;当然把裂纹打开就是断口,此时裂纹分析实际上就变成了断口分析。因而“, 断口”分析在断裂失效(事故)分析中是十分重要的。2. 3. 2 　“断口”的全息性“断口”记录了从裂纹萌生、扩展直到断裂的全过程,它具有全信息生。“断口”可以说是断裂故障的“第一裂纹”,而其他裂纹可能是第二甚至第三生成的,第一与第二裂纹的模式、原因和机理有时是相同的,有时是不同的,也就是说裂纹有可能只记录了断裂后期的信息;因此断口分析在断裂事故分析中具有“核心”的地位和作用。2. 3. 3 　“断口”有时具有唯一