金属材料,在各种产品中使用,通常由于其周围环境而断裂。欧宝官网开户只有在观察材料和准确分析断口表面后,才能确定断裂原因。
在汽车、航空航天和其他安全非常重要的行业中,所使用的材料是确保产品质量的基本组成部分。
在本节中,介绍了冶金失效分析方法以及断口形态和断口表面的特征。本节还介绍了使用4K数字显微镜解决传统显微镜在冶金失效分析中遇到的问题的例子。

金属断口的断裂形态及冶金失效分析中存在问题的解决方法

金属断口表面揭示的断裂原因

从家用电器、玩具到基础设施和设备,钢铁、铜和铝合金等金属材料被广泛应用于各种产品中。欧宝官网开户
人们正在不断研究新的高性能材料,主要用于汽车和航空航天工业。由于需要减少产品的尺寸和重量,同时增加其刚性和性能,这些研究变得非常必要。欧宝官网开户在汽车、飞机、船舶、铁路车厢、载人飞船等领域,金属材料的断裂可能会危及生命,因此需要严格的材料选择和基于强度计算的安全设计。

在选择金属材料时,要对这些材料的应力进行各种材料试验。
典型的测试方法如下。

机械测试:
拉伸试验、弯曲试验、压缩试验、剪切试验、蠕变试验、磨损试验等。
硬度测试:
压痕硬度试验、动态硬度试验
化学测试:
腐蚀试验

通过材料试验和断口学,分析断裂原因和材料性能,以选择或改进材料。

断口的类型

断口学通过结构观察来研究金属材料是如何断裂的(断裂表面图案或断裂形状),通过考虑材料、制造方法、形状和使用条件等各个方面来估计主要原因。在观察断裂表面结构的几种方法中,以下是金属材料断口学的主要方法。

肉眼观察

宏观观察是一种分析方法,例如,使用肉眼、低倍率放大镜和立体显微镜。这种观察可以很容易地在裂缝发生的地方进行,并用于根据裂缝的类型、滩痕的存在等大致区分原因。然而,仅凭宏观观察还不足以详细研究骨折是如何发生的。

显微观察

显微观察通过使用光学显微镜和扫描电子显微镜(sem)观察断裂表面的结构来研究微观特征。通过这种观察,您可以通过捕捉裂缝表面的各种特征(如韧窝和条纹图案)来详细研究裂缝形状。

显微观察
使用4K数码显微镜显微镜观察海滩痕迹

金属材料的断裂模式

断裂类型分为韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂和环境断裂。对每一种图案进行宏观和微观观察,以调查断裂的原因。下面描述了每种裂缝类型的概述和裂缝表面的总结。

韧性断裂

韧性断裂是在许多金属材料中观察到的一种断裂模式,在断裂发生之前,它表现出较大的变形,如拉伸和缩颈。通过构造观察,可以看到以下特征和详细的裂缝形态。

断裂面特征
肉眼观察:
剪唇,暗灰白色
显微观察:
微孔,等距韧窝(拉伸断裂),拉伸韧窝(剪切断裂)

脆性断裂:

脆性断裂是一种断裂模式,其中裂纹迅速扩展,同时显示出很少的塑性变形。随着开裂的进行,断裂表面周围不发生塑性变形。一般来说,在正常使用的情况下,许多钢材料都会发生脆性断裂。在许多情况下,断口表面由准解理断口组成,这种断口在位于极冷环境中的大型热处理钢和一般结构钢上观察到。

断裂面特征
肉眼观察:
银白色反光,人字形(快速穿晶断裂),放射状扩展裂纹
显微观察:
准解理断口面、河流状、颗粒状断口、复杂断口

疲劳断裂

疲劳断裂是一种断裂模式,其中裂纹在重复载荷下逐渐进行。据说机械结构上70%以上的断裂类型都属于这种类型。
断裂材料的外观没有表现出类似脆性断裂的拉伸和缩颈,但在显微观察下显示出明显的塑性变形。
与其他裂缝类型的表面相比,裂缝表面通常是光滑的,滩痕是一个宏观特征。从这些海滩痕迹的外观,你可以看出裂缝是从哪里开始的,以及从哪个方向开始的。
作为一种微观特征,通常观察到一种称为条纹的条纹图案。这种条纹图案垂直于裂纹的方向,据说容易发生在铝合金和铜合金上,而不容易发生在黑色合金上。

断裂面特征
肉眼观察:
滩痕、棘轮痕(应力集中的几个点)、鱼眼(断裂起点)、放射状扩展裂纹
显微观察:
条纹(与应力循环相对应)、二次裂纹、无特征的摩擦痕或断裂

环境断裂

环境断裂是指在腐蚀环境下,随着裂纹的发展而发生的断裂形态。因此,即使在极小的外部应力下,这种断裂也可能发生。
典型的环境断裂为氢脆和应力腐蚀开裂。

氢脆
氢脆也被称为延迟断裂,通常在钢材料上观察到。这种现象是由于氢进入材料而引起的。这种情况通常发生在材料制造过程中,如焊接和电镀,以及使用环境中的腐蚀反应中。
应力腐蚀开裂
这种开裂常发生在以奥氏体不锈钢为材料的事故中。特别是在有C1-离子的使用环境中,容易发生穿晶断裂。另一方面,晶界断裂发生在除不锈钢以外的材料中,如纯铜、黄铜和铝合金。
断裂面特征
氢脆
宏观分析
银白色的反光
显微分析
颗粒状骨折,毛发痕迹
应力腐蚀开裂
宏观分析
部分反射,生锈/变色
显微分析
颗粒状断裂,羽毛状
高温断裂
宏观分析
- - - - - -
显微分析
颗粒状断裂,凹陷,下沉

冶金失效分析中存在的问题及解决方法

如前所述,通过对裂缝表面的观察,不仅可以通过宏观观察,还可以通过微观观察,更详细地研究裂缝形态,了解裂缝产生的原因和条件。在许多情况下,显微镜和扫描电子显微镜(sem)用于微观观察,但它们在冶金失效分析中存在几个问题。

通过使用我们的4K数字显微镜,您可以解决这些问题,并以高清晰度捕捉各种断裂模式,以确保更可靠的分析。
本节介绍使用KEYENCE公司VHX系列超高清4K数字显微镜解决冶金失效分析问题的实例。

用常规显微镜观察
用4K数码显微镜观察

去除金属断口表面的眩光

显微镜的常规问题

金属断口表面的不规则反射会产生眩光,这有时会使观察裂纹变得困难。不清楚的观察可能导致不准确的分析,因为忽略了开裂。

使用VHX系列4K数码显微镜

眩光去除功能可以抑制不必要的反射,使您可以清楚地捕捉到金属断裂表面上的微小裂纹。

正常的
去除眩光后

即使是凹凸不平的金属断口,也能充分聚焦整个目标

显微镜的常规问题

金属材料的断裂表面一般是三维的。为了观察断裂表面上许多不规则的每一个特征,你需要反复调整焦点,导致分析需要大量的时间。另一个问题是,基于整个目标图像的综合观测是不可能的。

使用VHX系列4K数码显微镜

实时深度组合功能可以将整个金属断口表面聚焦。该功能不仅减少了反复调整焦距所需的时间,还使您能够观察和评估裂缝表面上存在的许多复合特征。

正常的
深度构图后

不考虑角度和阴影,分析细节

显微镜的常规问题

金属断口表面的不规则性不仅使焦点难以调整,而且还会根据角度改变阴影。因此,确定照明条件很困难,也需要大量的时间。在某些情况下,仅通过在单一光照条件下捕获的图像数据也很难解释裂缝模式。

使用VHX系列4K数码显微镜

多光源观测图像的比较

使用多照明功能,一键自动捕捉全向照明数据,可以选择最适合结构观察的图像。
即使在您选择或导出捕获的图像后,每种照明条件下的图像数据仍然保存在您的PC上,并且可以回收。

正常的
多功能照明图像

清晰的观察,甚至细微的图案的微小形状

显微镜的常规问题

一些金属断口表面可能有细微的断裂模式。在这种情况下,断口成像需要大量的时间,而且对比度可能太低,无法进行正确的观察。

使用VHX系列4K数码显微镜

光学阴影效果模式是一种新的观察方法,结合了专门设计的高分辨率HR镜头、4K CMOS图像传感器和照明,分析不同照明下捕获的图像的对比度。
这种方法可以清晰地观察到金属断口表面细微的不规则现象。不规则信息也可以显示在不同的颜色组成光学阴影效果模式图像与颜色信息。

传统(50 x)
光学阴影效果模式图像(50倍)

使冶金失效分析更先进、更有效

如上所述,VHX系列高清4K数字显微镜可以轻松查看传统显微镜和sem无法很好地观察到的金属断口表面。

由于VHX系列可以大大减少冶金失效分析所花费的时间,您可以提高质量改进周期和研发的速度,与使用传统的显微镜或扫描电镜相比,可以实现更高的工作效率。此外,VHX系列使您能够回忆以前的图像数据,因此您可以使用过去的趋势和比较来选择和改进材料。

VHX系列配备了许多其他先进功能,可以成为更有效的断口和结构观测的强大合作伙伴,这是成为研发领域领导者所必需的。如需更多产品信息或查询,请点击下面的按钮。