微诊断™ | 高分子材料开裂形貌唯象分析 | 塑料过载破坏常见的断裂形式有哪些？①

近期在微诊断™微谱失效分析平台的“微诊断—高分子材料失效分析”直播中，有观众朋友询问是否有高分子材料断面分析的专门书籍。

通用高分子材料（通用塑料和通用橡胶）往往作为壳体、非主要承载构件、小型连接件，其断面形态学的研究，鲜见专门的著作。

相比于通用高分子材料，金属材料以及纤维增强塑料（玻璃钢）的失效分析均有大量的公开出版的研究著作。

这是材料工程学不同发展阶段决定的。金属材料往往作为主要的承载构件，失效问题对生产和生活影响巨大，学界做了深入和彻底的研究；而从属于高分子材料门类的纤维增强塑料，由于在航空航天领域有着非常广泛的应用，其失效问题的研究往往是针对航空航天科学做出的重大研究成果。

在产品轻量化、小型化的当下，在电子信息技术、器件与模组、小型系统中，通用高分子材料占有重要的地位，其失效问题受到产业界越来越多的重视。

微诊断™微谱失效分析平台，是微谱通过微观成分分析、材料表征、性能测试、缺陷定位、可靠性验证等手段，为材料、电子元器件及模组、PCB/PCBA、系统及总成等领域提供综合解决方案的失效分析平台。因常年研究有机材料、高分子材料的失效问题，关于塑料和橡胶断裂的形态学研究方面也有很多总结。基于工业企业研究人员的需求，我们会逐步推介这部分的研究工作，用于交流。

本次专题，主要聚焦一些塑料的断面形式、以及形态学的分析，而不去深挖失效的深层次原因，如：材料受到环境腐蚀，材料分解、降解、水解，材料成分与比例不恰，材料某种成分与接触材料成分相互作用的影响。对于通用橡胶属于韧性材料，其断面的形态与塑料有明显差异，相关的介绍放在下一专题。

图1-1为某尼龙材质吊具的断面，为T字形带加强筋，在图1-2筋板位置内部1号区域，可见密集细小银纹和由内向外放射状分布的卷曲变形，根据断面整体的裂纹传递方向，可知图1-2中筋板上白色虚线区域为断裂起始点。

观察剩余断面的形貌，以银纹和河流纹为主（图1-3红色箭头所指方向）。破坏顺序为材料1号区域先发生过载开裂，受到持续载荷，裂纹一次性贯穿材料剩余断面。

图1-1 某尼龙材质吊具的断面

图1-2 断裂面1号区域的放大形貌图图1-3 断裂面2、3号区域的放大形貌图

图2-1为聚碳酸酯制件落球冲击断面。在Cc区域（参考图2-2），受到冲击载荷时，该位置过载、变形、韧性开裂。但Cc区域的开裂无法使冲击能完全释放，随即裂纹以脆性断裂的形式持续扩展，贯穿材料。

图2-1 聚碳酸酯制件落球冲击断面

图2-2 断裂起始处的冲击变形区域

图3-1中Aa区域，裂纹从左下角向右上角传递，沿此方向，依次可见脆性断裂（细小银纹）、脆性-韧性断裂结合（红色虚线标识的河流状裂纹）、韧性断裂（白色虚线标识的卷曲裂纹）。裂纹从脆性向韧性过渡，材料受到的剪切破坏能在开裂过程中被逐渐释放，此间为材料初期受力破坏的形貌。韧性区域后的裂纹是后期综合受力的结果。

图3-1 PC/ABS通孔开裂面脆-韧过渡

图4-1为聚甲醛材质C字形卡圈的断裂面，卡圈在使用载荷下，疲劳开裂发于卡圈内侧，产生疲劳辉纹，形成初始裂纹。当塑料发生初始开裂后，承载能力下降，继而脆断。

图4-1 聚甲醛材质C字形卡圈的断裂面

如下案例，仅通过断面分析来呈现塑料件的断裂过程。断面分析是高分子材料失效分析的第一步，也仅仅是第一步，高分子材料失效原因较为复杂，需要充分分析材料成分、接触材料和环境对塑料开裂的贡献，才能从根源上把握材料开裂的原因，真正解决问题。

图5-1 样品拆解后的照片

图5-2 样品断面的光学显微照片

图5-2是样品断面的光学显微照片，照片中所示A、B、C、D不同区域的SEM照片见图5-3~图5-6。

图5-3 区域A的SEM照片

图5-4 区域B的SEM照片

图5-5 区域C的SEM照片

图5-6 区域D的SEM照片

图5-3所见断面A区域呈现疲劳辉纹的形貌特征，提示：此位置受交变载荷产生疲劳破坏，该位置在产品应用中反复受力。B、C、D区域断面主要呈现脆性破坏的形貌。

图5-8 疲劳断裂方向示意图

起始的疲劳破坏如图5-7所示。根据断面形貌，疲劳破坏产生的断裂区域如图5-8中白色虚线所标识。

以上是本期主要介绍的塑料开裂面的形貌特征，后期还将分批介绍塑料、橡胶的其他开裂特征。

微谱已积累多年的失效分析技术经验，并建立了完善的谱图数据库，可为产品在研发生产、储存运输、终端使用过程中发生的失效提供专业性解决方案,如有相关需求，欢迎详询！