所有产品中使用的金属材料,总有一天会因使用或周围环境而破损。观察金属材料,正确捕捉断裂面进行分析(断口分析),才能确定破损原因。
尤其是在汽车、航空航天等安全性极为重要的领域,材料品质可以说是产品品质保障/改善的基础。
下面我们将说明金属材料断口分析的方法、破坏样式和断裂面的特征。并且介绍使用4K数码显微系统解决传统显微镜断口分析中课题的案例。

金属断裂面破坏样式和断口分析的课题解决

金属断裂面的破损原因

从家电产品、玩具到工业、基础设施的设备/装置,钢铁、铜、铝合金等金属材料广泛应用于各种产品。
其中,以汽车行业和航空宇宙相关领域为中心,对新高功能材料的研究近年来逐渐盛行。其背景在于兼顾以节能化、制造/加工低成本化为目的的小型化、轻量化、高刚性的要求等。在汽车、飞机、船舶、铁路车辆、载人航天飞船等领域,金属材料的破损伴随着关乎人命的风险,因此需要基于强度计算的严格选材和安全设计。

在选定金属材料时,会对应力进行各种材料试验。
代表性的试验方法如下。

机械性试验:
拉伸试验、弯折试验、压缩试验、剪切试验、蠕变试验、磨损试验等
硬度试验:
挤压硬度试验、动态硬度试验
化学性试验:
腐蚀试验

需要通过对金属材料因上述材料试验或产品出厂后的使用而破损的金属材料断裂面进行组织观察(断口分析),实施破坏原因调查和素材基础特性调查,从而评估、选定或改善材料。

断口分析的种类

在断口分析中,通过组织观察来调查金属材料是如何损坏的(断口样式或破坏形态),从材质、制造方法、形状、使用状况等各种角度进行考察,推测主因。虽然有多种断裂面的组织观察方法,但金属材料的主要断口分析方法如下。

宏观观察

通过肉眼、低倍率放大镜或立体显微镜等进行分析。在发生破损的现场简单易行的方法,在根据破坏种类和有无贝纹线等来区分大致原因时使用。但是,仅通过宏观观察无法详细调查是如何破损的。

微观观察

微观观察是使用光学显微镜或扫描电子显微镜(SEM)等,通过断裂面的组织观察来调查微观特征。通过捕捉韧窝和条纹图案等各种各样的断裂面特征,可以详细调查破坏样式。

微观观察
用4K数码显微系统进行贝纹线的微观观察

金属材料的破坏样式

破坏样式(破坏形态)分为“延性(塑性)破坏”、“脆性破坏”、“疲劳破坏”和“环境破坏”。通过分别进行宏观观察和微观观察,可以观察断裂面的特征,调查破损原因。下面对各种破坏样式的概要和断裂面的要点进行说明。

延性破坏(塑性破坏)

延性(塑性)破坏是在许多金属材料中都能看到的破坏样式,在破坏之前,能看到伸长和颈缩等大的变形。在组织观察中,可以看到以下特征和详细的破坏样式。

断裂面的特征
宏观观察:
剪切唇(剪切破坏、最终断裂部)、微弱的灰白色
微观观察:
等轴韧窝(拉伸破坏)、伸长韧窝(剪切破坏)、波纹图案(滑移面破坏)

脆性破坏:

脆性破坏是指几乎看不到塑性变形,裂纹高速传播的破坏。裂纹传播时,断裂面周边不伴随塑性变形。一般很多钢铁材料会在通常使用过程中受到脆性破坏。这种断裂面多数情况下是由“准解离断裂面”构成的,在大型调质钢和零下几十摄氏度环境中的一般结构用钢等中都能看到。

断裂面的特征
宏观观察:
银白色的耀眼反射、人字纹(山形花纹:穿晶型急速破坏)、裂纹的扩展方向呈放射状线条
微观观察:
准解离断口、河流花样、结晶状断口、复杂断口

疲劳破坏

疲劳破坏是指反复受到荷载后,裂纹逐渐扩展的破坏,据说机械构造物的破坏样式有七成以上是这种疲劳破坏。
破损材料的外观因为看不到伸长和颈缩,所以看起来像脆性破坏,但在微观观察中,可见明显塑性变形。
与其他破坏样式相比,断裂面多平滑,可以看到“贝纹线(贝壳状图案)”这一宏观特征。通过贝纹线的样态可以知道破坏开始的部位和裂纹的扩展方向。
此外,“条纹”图案是具有代表性的微观特征。与裂纹扩展方向垂直的条纹图案,据说容易在铝合金和铜合金等中产生,不容易在铁系合金中产生。

断裂面的特征
宏观观察:
贝纹线(贝壳状图案)、棘轮花样(多个应力集中处)、鱼眼(破坏的起点)、裂纹的扩展方向呈放射状线条
微观观察:
条纹(与应力循环对应)、条纹状图案(不与应力循环对应)、二次裂纹、擦痕或无特征断口

环境破坏

环境破坏是指腐蚀性环境导致裂纹扩展而产生的破坏。因此,外部应力极小时也会产生破坏。
代表性的环境破坏有“氢脆性”和“应力腐蚀开裂”。

氢脆性
也称“延迟破坏”,多见于钢铁材料。由于氢侵入材料而导致脆化的现象,代表性案例有在焊接、电镀等部件的制造工序中有氢侵入,以及由于使用环境中的腐蚀反应而侵入。
应力腐蚀开裂
多发生于以奥氏体不锈钢为材料的事故中。特别是在有C1-离子的使用环境中多会发生穿晶型破坏,而除了不锈钢以外,纯铜、黄铜、铝合金等会发生沿晶型破坏。
断裂面的特征
氢脆性
宏观分析
银白色的耀眼反射
微观分析
结晶状断裂面、发纹
应力腐蚀开裂
宏观分析
部分反射、生锈变色
微观分析
结晶状断口、羽毛状花纹
高温破坏
宏观分析
微观分析
结晶状断口、韧窝、缩孔

断口分析中的课题与解决

如前所述,在断裂面的观察中,除宏观观察外,再通过微观观察可以更加详细地调查破坏样式,了解破坏的原因和情况。微观观察多使用显微镜或扫描电子显微镜(SEM)等,但在金属材料的断口分析中存在几个课题。

运用新光学技术、视觉系统(CMOS)、图像处理技术的“4K数码显微系统”可以解决这些课题,高精细地捕捉各种破坏样式,让断口分析更加准确。
下面将介绍基于基恩士的超高精细4K数码显微系统“VHX系列”的断口分析课题解决案例。

用传统显微镜观察
用4K数码显微系统观察

去除金属断裂面的光晕

传统课题:使用显微镜时

金属断裂面的漫反射会产生光晕,有时难以观察裂纹。有时会因看不清楚而导致看漏裂纹,从而造成分析错误。

引进4K数码显微系统“VHX系列”后

“消除光晕功能”能够抑制不必要的反射,因此可以清晰地捕捉金属断裂面的细微裂纹。

普通
消除光晕后

凹凸不平的金属断裂面也能整体全幅对焦

传统课题:使用显微镜时

金属材料的断裂面在多数情况下是立体的。为了分别观察断裂面上多个凹凸处的特征,需要多次调整焦距,因此分析需要花费大量时间。此外,无法通过整体图像进行综合性的观察也是一大课题。

引进4K数码显微系统“VHX系列”后

“实时深度合成”功能可以对整个金属断裂面进行对焦。除了可以缩短多次对焦的时间外,还能观察和评估断裂面上存在的多种复合性特征。

普通
深度合成后

不受角度、阴影影响分析细节

传统课题:使用显微镜时

金属断裂面的凹凸形状不仅难以对焦,而且阴影的投射方式还会随着角度而变化,因此很难确定照明设定的条件,还要花费大量时间。此外还有单一照明条件下的图像数据难以说明破坏样式的案例。

引进4K数码显微系统“VHX系列”后

通过全方位多功能照明比较观察图像

使用按下按钮即可自动获取全方向照明数据的“全方位多功能照明功能”,可以选择适合进行组织观察的图像。
此外,即使在选择、导出拍摄的图像后,各照明条件的图像数据也会保存在计算机上。只需简单的鼠标操作,即可调用不同照明条件的图像。

普通
全方位多功能照明图像

浅色图案的细微形状也能清晰显示

传统课题:使用显微镜时

有些金属断裂面的破坏样式图案可能较淡。在这种情况下,断口分析需要花费较长时间,因对比度过低,可能无法很好地观察。

引进4K数码显微系统“VHX系列”后

新观察方法“Optical Shadow Effect Mode”,组合了专为此种情况设计的高分辨率HR镜头、4K CMOS和照明,借助多方向的照明分析拍摄的位移(对比度)。
因此可以清晰观察金属断裂面上的浅色微小凹凸。此外也可以在Optical Shadow Effect Mode图像中合成颜色信息,用不同颜色区分显示凹凸信息。

传统设备(50×)
Optical Shadow Effect Mode图像(50×)

断口分析的高度化和高效化

如上所述,使用高精细4K数码显微系统“VHX系列”,可以轻松观测传统显微镜和SEM无法清晰观察的金属断裂面。

由于能够大幅缩短此前金属材料断口分析所花费的时间,因此可以加快品质改善周期和R&D,在作业效率上与传统显微镜和SEM拉开巨大差距。此外,因为能够保留正确捕捉金属断裂面特征的图像数据,所以可以通过过去的倾向和比较来顺畅地选定、改善材料。

“VHX系列”还配备了许多其他新功能,实现了高水准断口分析和组织观察的高效化,是以R&D带领时代的强力合作伙伴。如需了解详细内容,欢迎点击下列按钮,下载查阅产品目录或随时咨询。