探討材料中裂紋的分析方法論文
廣義的裂紋是指破壞材料連續(xù)性的缺陷，這種缺陷具有一定的深度、寬度和長(zhǎng)度、成直線或曲線分布于材料內(nèi)部或表面， 嚴(yán)重影響材料的各種性能，如力學(xué)性能、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能等。裂紋的尺寸、數(shù)量和形貌等特征對(duì)材料物理性能和力學(xué)行為的影響一直備受關(guān)注，人們希望通過(guò)研究裂紋的產(chǎn)生原因、擴(kuò)展方式和擴(kuò)展速度與材料性能的關(guān)系，來(lái)預(yù)測(cè)工件使用壽命。但現(xiàn)有研究中尚缺少系統(tǒng)的裂紋分析方法。本文較系統(tǒng)地介紹了材料中裂紋的分析方法。
1 實(shí)驗(yàn)方法
分別選取帶有裂紋的Cr2O3涂層和高溫工具鋼X38CrMoV5(AISI H11)樣品，先肉眼觀察裂紋外觀特征，再按裂紋走向截取樣品，其中橫向和縱向分別截取。磨拋后利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡分別觀察裂紋的形貌和分布，以及裂紋周圍的微觀組織結(jié)構(gòu)。再利用圖像分析軟件ISI 8.0 分析照片中裂紋的長(zhǎng)度、角度、面積、節(jié)點(diǎn)數(shù)。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析裂紋特征參數(shù)，建立裂紋形態(tài)特征與材料性能的關(guān)系。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 裂紋定性分析
裂紋的定性分析通常包括宏觀檢查、裂紋源分析、材質(zhì)檢驗(yàn)和裂紋微觀分析。宏觀檢查是裂紋分析的基礎(chǔ)，用于判斷材料中是否存在裂紋，除通過(guò)肉眼直接外觀檢查和敲擊測(cè)音外， 還可用無(wú)損探傷法檢測(cè)裂紋。當(dāng)裂紋極為細(xì)小時(shí)，可借助光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡來(lái)判斷微裂紋的存在。裂紋源常分布在由于工件形狀或材料缺陷引起的應(yīng)力集中部位。材質(zhì)檢驗(yàn)包括化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能，及其他性能測(cè)試。微觀分析用于了解裂紋的性質(zhì)、擴(kuò)展機(jī)制、形成原因和影響因素，主要包括形態(tài)特征分析和分布特征分析。裂紋的形態(tài)特征包含裂紋形狀和張開(kāi)度。其中張開(kāi)度指裂紋開(kāi)口寬度與裂紋深度之比。裂紋的分布特征分為分散分布、方向性分布，放射狀分布和網(wǎng)絡(luò)狀分布。微觀裂紋分析應(yīng)該確定裂紋分布是穿晶的，還是沿晶的，主裂紋附近有無(wú)微裂紋和分枝，以及晶粒狀態(tài)、大小等特征;分析裂紋附近是否存在碳化物或非金屬夾雜物，它們的形態(tài)，大小、數(shù)量及分布情況;裂紋兩側(cè)是否存在氧化和脫碳現(xiàn)象; 產(chǎn)生裂紋的表面是否存在加工硬化層或回火層; 裂紋源及擴(kuò)展路20μm 20μm(a) 網(wǎng)絡(luò)狀裂紋(b) 相鄰“原胞”圖3 Cr2O3涂層熱處理后表面裂紋形貌Fig.3徑周圍是否有過(guò)燒組織、魏氏組織、帶狀組織，以及其它形式的組織缺陷。根據(jù)裂紋的形態(tài)、分布以及裂紋周圍組織可以確定裂紋源、擴(kuò)展路徑、開(kāi)裂方式及影響因素。
2.2 裂紋定量分析
由于材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、材質(zhì)不均勻性、受力不均勻性， 以及環(huán)境因素的影響都將引起斷口裂紋形態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜。故進(jìn)行定量分析時(shí)，需選取具有代表性的裂紋圖像， 必要時(shí)應(yīng)對(duì)視場(chǎng)中出現(xiàn)某種特征次數(shù)進(jìn)行幾十個(gè)或更多的統(tǒng)計(jì)。利用圖像分析軟件輔助分析裂紋特征，使裂紋的定量分析更方便、易操作。目前，材料中裂紋尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義，為了系統(tǒng)分析裂紋形態(tài)，現(xiàn)將裂紋特征參數(shù)分別進(jìn)行定義。描述裂紋嚴(yán)重程度的參數(shù)： 裂紋長(zhǎng)度密度和面積密度分別指單位面積上的裂紋長(zhǎng)度和面積。為了研究裂紋的擴(kuò)展方向， 定義裂紋角度為裂紋主方向與所選取的參考方向的夾角。再利用一些拓?fù)鋵W(xué)特征參數(shù)描述網(wǎng)絡(luò)狀裂紋的特征。其中，“原胞”相鄰數(shù)是指在網(wǎng)絡(luò)狀裂紋中，與某一個(gè)“原胞”第一層相鄰的“原胞”數(shù)目。裂紋節(jié)點(diǎn)是指兩條或兩條以上裂紋線的交點(diǎn)， 而節(jié)點(diǎn)密度是指單位面積中裂紋節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
裂紋的長(zhǎng)度密度最大， 但其面積密度卻最小。因此， 在研究中需要選擇合適的參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)裂紋對(duì)材料性能的影響。分析裂紋角度時(shí)， 可選定裂紋參考方向與圖像縱軸方向平行， 利用圖像分析軟件獲得每條裂紋夾角。再以裂紋角度為極角，以該夾角的裂紋數(shù)占裂紋總數(shù)的百分比為極軸繪制裂紋角度極圖， 便于觀察裂紋角度的分布情況裂紋在各個(gè)方向上分布較均勻，裂紋具有明顯的方向性分布。
從裂紋萌生至穩(wěn)定狀態(tài)，裂紋的'相鄰“原胞數(shù)”主要為5、6 和7，平均值接近6。除了熱疲勞裂紋網(wǎng)絡(luò)未成熟時(shí)之外(如熱循環(huán)周次較低)，相鄰“原胞數(shù)”的出現(xiàn)頻率p(n)都服從準(zhǔn)正態(tài)分。隨著熱疲勞試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)這些拓?fù)鋵W(xué)特征參數(shù)將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。因此，可根據(jù)這些拓?fù)鋵W(xué)特征參數(shù)來(lái)評(píng)估工件在高溫環(huán)境中的服役時(shí)間和剩余壽命。
總之，對(duì)裂紋特征參數(shù)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，是建立裂紋形態(tài)特征與材料性能關(guān)系的有效手段。通過(guò)裂紋的定量分析可了解材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，以及預(yù)測(cè)工件的使用壽命等。
3 結(jié)論
根據(jù)裂紋分析的目的和要求， 可以從宏觀到微觀， 從定性到定量選擇某幾個(gè)方面進(jìn)行分析。裂紋分析方法可用于金屬材料、氧化物涂層、溶膠凝膠法制備的薄膜和陶瓷釉中產(chǎn)生的裂紋分析。通過(guò)裂紋分析可以獲得材料產(chǎn)生裂紋的原因、裂紋的擴(kuò)展方式和速度，從而建立裂紋與材料性能和壽命的關(guān)系。
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