深入断裂“现场”！扫描电镜在金属断口分析中的应用

2024-03-13 17:20:09, CIQTEK 国仪量子技术（合肥）股份有限公司

扫描电镜作为一种常用的显微分析工具，可以对各类金属断口进行观察，进行断口类型判定、形貌分析、失效分析等研究。

什么是金属断口？

当金属在外力作用下断开后，断裂处会留下两个相互匹配的断面，这个断面就叫做“断口”。这个断口的形状和外观，包含了金属断裂过程中许多重要的信息。

通过观察和研究断口的形态，我们可以分析断裂的原因、性质、方式、机理等，还能了解断裂时的应力状况、裂纹扩展速率等细节。就像是一个"现场"一样，断口保留了整个断裂发生的全过程。因此，对于研究金属断裂问题，观察和分析断口是非常重要的步骤和手段。扫描电子显微镜具有景深大，分辨率高的优点，在断口分析领域得到了广泛应用。

扫描电镜在金属断口分析中的应用

金属断裂的失效形式多样。按断裂前的变形程度分类，可分为脆性断裂、韧性断裂、脆性和韧性的混合型断裂。不同的断裂形式会有特征的微观形貌，通过扫描电镜的表征可以帮助研究人员快速进行断口分析。

韧性断裂

韧性断裂是指构件经过大量变形后发生的断裂，其主要特征是发生了明显的宏观塑性变形。宏观形貌为杯锥形断口或纯剪切断口，断裂面呈纤维状，由韧窝构成。如图1所示，微观上其断口特征为：断裂面由一些细小的酒杯状微孔窝坑构成，通常称为韧窝。韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核/长大/聚集，最后相互连接而导致断裂后，在断口表面所留下的痕迹。

图1 金属韧性断裂断口/10kV/Inlens

脆性断裂

脆性断裂是指构件未经明显的变形而发生的断裂。断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。宏观上呈结晶状，微观上则包括沿晶断口，解理断口或准解理断口。如图2所示，是金属脆性-韧性混合断裂断口，在韧性断裂区，能观察到明显的韧窝特征。在脆性断裂区域，属于沿晶脆性断裂，是指断裂路径沿着不同位向的晶界所发生的断裂。微观上其断口特征为：断口呈现多个晶粒多面体形貌，晶粒明显，且立体感强，晶界上多显示光滑无特征形貌。当晶粒粗大时呈冰糖状，又称冰糖状断口；当晶粒细小时，断口呈细小颗粒状。

图2 金属脆性-韧性混合断裂断口/10kV/ETD

疲劳断裂

材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂。如图3所示的金属疲劳断裂断口，断面在微观范围内通常是由许多大小不同高低不同的小断块所组成。每一小断块上的疲劳条纹连续而平行，略带弯曲呈波浪形，但相邻小断块上的疲劳条纹不连续、不平行。疲劳条纹与裂纹扩展方向相垂直，并微微凸向裂纹前进方向。每一条纹代表一次载荷循环，疲劳纹在数量上与循环次数相等，它们可以被计数并用于确定在最终失效之前发生了多少次裂纹扩展循环。