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
