裂纹检测与分析方法

在材料制造、零部件加工以及构件的服役过程中都有可能会形成和产生裂纹。它是一种常见的缺陷形式，对构件的安全运行会造成相当程度的危害。但是，裂纹的形成原因往往较为复杂，包括零部件设计上存在使用性或工艺性的不合理、选材不当、材质问题、制造工艺不当以及服役和维护过程中造成的各种损伤等原因。因此，通过一定的方法和技术对构件中产生的裂纹进行分析研究，确定产生裂纹的原因，防止工程结构发生灾难性失效事故，成为工程领域中一个非常重要而又具有重大工程意义的课题。

对于这一类工程问题，就需要对裂纹进行检测与分析，一般包括以下几方面的内容：通过采用适当的无损检测技术检测出构件中可能存在的裂纹，对其进行定性、定量表征及评价（称之为裂纹的宏观检测分析）；根据裂纹在构件中所处的位置及其应力状态，结合加工工艺和使用条件找出裂纹产生的原因（称之为裂纹部位的力学分析）；若需要再采用合适的方法对裂纹进行微观分析，包括光学金相分析和电子金相分析，进一步确定裂纹性质和产生原因（称之为裂纹的微观检查分析）。因此，既可以对在役构件进行损伤分析，为构件的完整性评估提供依据，也可以为失效构件的事故诊断提供有力的支持。

检测与分析是一项非常复杂而又细致的工作，需要从原材料的冶金质量、材料力学性能、零部件加工工艺及过程、服役条件以及裂纹宏观、微观特征等方面进行综合分析，涉及多门学科（如材料学、机械制造、力学等）和多种技术方法，如无损检测、失效分析技术、力学性能试验和化学分析等。

1.裂纹的宏观检测分析

无论是材料制备、零部件制造还是服役和维修中的构件，检测材料中存在的宏观缺陷或裂纹是一项必不可少的程序。通常由无损检测来实现和完成。

到目前为止，无损检测方法已有十多种，根据物理原理可将其分为射线检测、电学方法检测、磁粉检测、声学方法检测、微波与介电测量检测、光学方法检测、热学方法检测、渗透检测及渗漏检测等。根据特点和应用范围的不同，每种检测方法应用在不同的领域中。值得一提的是，这些无损检测技术并不是万能的，它们都有各自的局限性，所以在很多情况下有可能需要采用两种或两种以上的检测方法来检查缺陷。本节介绍五种常规无损检测方法及它们在裂纹检测分析中的应用情况。

（1）光学方法检测 主要有目视检测和内窥镜检测。

最为常用也是最为简单的是目视检测方法。目视检测是应用最早的一种无损检测技术，它是指用肉眼或借助于光学仪器对构件表面进行观察或测量的一种无损检测方法。它适用于从原材料到构件使用寿命结束的整个过程的材料检查。目视检测的原理简单，检测快速、方便，而且较少受到被检构件材质、结构、位置、形状与尺寸等的影响，所以其检测结果直观、可靠、重复性好，被广泛应用于原材料、成品的检查以及服役构件的定期与非定期检查中。

另一种检测方法是内窥镜检测。它是利用内窥镜对肉眼不能直接观察到的构件表面进行观察检测的一种无损检测技术。它是一种远程目视检测技术，常被用于检测肉眼无法直接观察到的工件表面，已被广泛应用在航空航天、汽车、船舶、核工业、压力管道等工业领域。

（2）射线检测 射线检测在工业应用领域中已形成了完整的技术系统，一般分为射线照相检验技术、射线实时成像检验技术、射线层析检测技术和辐射测量技术。

射线检测的基本原理是在射线穿过待测构件的过程中由于构件的成分、密度及厚度等的不同使得它对射线产生不同的吸收或散射特性，据此可以判断出存在于待测构件中的内部缺陷。

由于射线检测可应用于各种材料特别是放射性材料的检测中，对被检构件没有特殊要求，其检测结果的显示非常直观并可长期保存，所以被广泛应用在航空航天、兵器、造船、核工业、电力、石油化工等工业领域。特别是对于铸件和焊接件的检验，其检测结果通常可作为质量评定的重要判定依据。

（3）渗透检测 渗透检测是除目视检测以外应用最早的无损检测方法，除表面多孔性材料外，几乎所有材料的表面缺陷都可用它进行检测，是目前最常用的表面无损检测方法，已被广泛应用于航空航天、船舶、石油化工、电力、金属加工业等领域。

渗透检测是利用溶有荧光染料或着色染料的渗透液对窄狭缝隙具有良好的渗透性的特点，将它施加在构件表面，在毛细现象作用下渗入到材料的表面缺陷中，经过渗透清洗除去附在构件表面的多余渗透液，并经干燥处理用显像剂使存在于表面缺陷中的渗透液在毛细现象作用下重新吸附在构件表面，从而形成显示出缺陷的痕迹。在黑光或白光下观察，可发现缺陷处呈现黄绿色的荧光或以红色显示，据此来评价缺陷的性质及其尺寸。

（4）磁粉检测 磁粉检测是一种检测铁磁性材料表面和近表面不连续性的有效方法，适用于从原材料到构件使用寿命结束整个过程的材料检查。

在原材料的生产过程中，可用它检测材料的固有不连续性，如金属凝固所产生的非金属夹杂和裂纹等缺陷。在材料加工如锻造、铸造、轧制、挤压等一次加工阶段以及机械加工、研磨、电镀、热处理等二次加工阶段，可用于检测这些过程所产生的不连续性，如锻件折叠、轧制发纹、铸件缩孔与夹杂以及淬火裂纹、研磨裂纹、切削裂纹等。在构件焊接过程中，可用于检测与焊接相关的表面或近表面不连续性，如裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、夹杂物等。在构件服役过程中，可用于检测构件由于疲劳、过载、应力腐蚀等载荷和环境作用而引起的裂纹。

由于它具有简单、快速、廉价的特点，检测不受构件形状和大小的限制，检测结果的显示直观，对工件表面的细小缺陷也有较高的检测灵敏度，目前已被广泛应用于航空航天、石油化工、电力、船舶、汽车等工业领域的重要零部件的表面质量检验。但是，它只限于对铁磁性材料表面或近表面缺陷的检测，而且检测灵敏度随缺陷埋藏深度的增加而迅速降低，所以它往往只能检出深度不超过1mm的缺陷，这使得它的应用受到了一定程度的限制，此时需要采用涡流检测和渗透检测等方法。

（5）超声波检测 超声波检测一般是指利用超声波与待测构件相互作用所产生的反射、透射和散射波，检测构件的宏观缺陷和测量结构几何特性等的无损检测技术。

超声波检测最大的优点是能综合给出内部缺陷的性质、位置、取向、埋藏深度及尺寸等参量，这是其他无损检测方法所不能比拟的。其次，它适用于金属、非金属和复合材料等构件的无损检测，对最危险的平面型缺陷的检测灵敏度高，检测设备对人体无害，便携式的设备适合于在车间、野外和水下等现场检测和对构件进行在役检查，检测成本低廉。

超声波检测的不足之处在于目前还无法对材料缺陷给出精确的定性和定量表征，而且它对构件的形状复杂性有一定限制，对构件的表面粗糙度也有所要求。受限于其检测特点，它对表面缺陷的检测灵敏度比磁粉检测和渗透检测的要低，但仍可以用于检测表面裂纹的深度。

综合来看，超声波检测是目前应用最为广泛的一种检测方法。

2.裂纹部位的力学分析及材质检测

（1）裂纹部位的力学分析 主要是对裂纹部位进行受力分析。

裂纹是否形成取决于某点处的应力状态和材料强度这两个因素的综合作用效果，所以裂纹经常会在容易引起应力集中的地方形成，如构件截面尺寸发生突变、孔槽边缘和尖锐棱角处等。特别是在材料缺陷处，由它所形成的界面降低了材料强度，同时产生了应力集中现象。当该点处的最大拉应力大于材料强度时，材料缺陷处容易成为裂纹源。因此，在一般情况下裂纹产生有两个条件：一是存在拉应力；二是材料组织中存在缺陷。其中，拉应力既可以是构件在外加载荷作用下产生的，也可以是在构件制造或加工过程中所产生的残余应力。

在采用无损检测确定出裂纹所处的部位，并对构件进行准确的力学分析确定裂纹部位的应力状态之后，就可以初步判断出裂纹产生的原因是与拉应力有关还是由材料缺陷引起的。如果裂纹不是萌生在构件的应力集中处，那么裂纹所处位置必然与材料的缺陷和/或内应力的作用有关系。

因此，在通过力学分析完成初步判断之后还必须结合材料的加工工艺和使用条件，从裂纹附近的微观组织特征甚至是断口特征等方面进行综合分析，找出降低材料强度和/或引起材料内应力的原因，从而最终确定出裂纹产生的本质原因。

（2）裂纹部位的材质检测 主要包括力学性能、化学成分等的检测。

在分析裂纹原因的过程中有可能还需要对产生裂纹的构件做全面的常规力学性能检测，因为它可以帮助确定裂纹形成原因是否与构件的力学性能降低有关。但由于难以在有限尺寸的构件上取出足够数量且有代表性的试样，所以对构件进行全面的力学性能检查往往不太现实，而较为广泛采用的方法是采用硬度试验来初步判断材质与工艺是否正常。虽然硬度检验的测试方法简便，不会破坏构件的完整性，而且由于硬度值与其他力学性能指标之间存在一定的对应关系，常将硬度作为一种性能指标，但是硬度并不能反映材料的韧性，所以仅靠硬度检验并不能全面判断构件材料的热处理质量。

材料的化学成分不仅决定了材料的微观组织与力学性能，而且与构件的热加工工艺合理性也密切相关。因此，如果在材料设计时存在选材错误、材料化学成分中出现冶金质量问题等，就可能会在构件中产生工艺裂纹和使用裂纹。同时，构件在服役过程中可能会承受与应力腐蚀或腐蚀疲劳等失效模式有关的腐蚀性环境作用，导致在裂纹表面产生腐蚀产物。此外，构件中的使用裂纹还有可能与各元素的含量及其偏析分布有关。因此，有必要借助电子探针等分析测试手段对裂纹起始部位进行化学成分的微区分析及微量分析。除此之外，对构件的工艺流程、工艺参数、构件形状及工艺条件进行分析也是必不可少的，因为原材料中的缺陷或加工过程中出现的缺陷都有可能会引起构件在服役过程中产生裂纹并由此导致断裂事故。

3.裂纹的微观检查分析

主要分为光学金相分析和电子金相分析。通常包括以下几方面的内容。(www.xing528.com)

1）裂纹的形态特征。观察裂纹是以穿晶还是沿晶开裂的方式存在于材料中的，主裂纹附近有无微裂纹及分枝。

2）裂纹附近区域的晶粒度。检查裂纹处及其周围材料的晶粒度有无显著变化，是否出现粗化、细化或是大小极不均匀的情形，晶粒是否变形，裂纹与晶粒变形的方向是否一致。

3）碳化物与夹杂物。检查裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂，确定它们的形态、大小、数量及分布情况，裂纹源是否萌生在它们的周围，确定裂纹的扩展方向。

4）氧化与脱碳。检查裂纹两侧是否存在氧化或脱碳现象，有无氧化物和脱碳组织出现。

5）加工硬化层和回火层。检查裂纹表面是否存在白色的加工硬化层或回火层。

6）材料组织状态。检查裂纹萌生处及其扩展路径附近的材料中是否存在粗大的过热组织、魏氏组织、带状组织以及其他形式的异常组织。

一般来说，通过检查金相组织和晶粒度等，可以确定裂纹的萌生部位、热加工质量等，也能定性确定出材料的受力情况。例如：由于过热、过烧引起的锻造或热处理裂纹，其晶粒往往粗大，而且在晶界处伴随有析出物析出；而如果材料中的局部应力超过了材料的强度极限，由此产生的裂纹在萌生处往往会存在明显的塑性变形痕迹；此外，裂纹表面附着物对裂纹分析也有一定的参考意义。

4.裂纹形成原因综合分析

确定裂纹源的可能位置、判断裂纹的可能走向、分析裂纹周围及裂纹末端的情况，以便于对裂纹进行宏观检测、微观分析以及裂纹部位的力学分析和材质分析，然后将所得结果进行综合分析，从而确定出裂纹性质、萌生位置及形成原因。

（1）裂纹源位置分析 寻找裂纹源是裂纹分析的核心问题，也是首要问题，因为裂纹源是引起构件失效的关键部位。一旦弄清楚了裂纹源的情况，就能确定出裂纹的形成原因，为今后的裂纹预防方法提供依据。

要确定裂纹源，首先要分析裂纹形成的先后顺序，常用的方法有：T形法、分叉法、变形法和色泽法。综合利用这四种方法分析构件，判断其主、次裂纹。对于脆性裂纹，经常采用T形法和分叉法来判别主裂纹；对于韧性裂纹，常采用变形法来判别主裂纹；对于引起环境断裂的裂纹，常采用色泽法来判别主裂纹；对于疲劳裂纹，常采用裂纹的宏观和微观形貌特征来判别裂纹源位置和裂纹的（局部）扩展方向。如果有时主裂纹遭到损坏，而由于次生裂纹的微观形貌特征与主裂纹的相同，甚至比主裂纹的还要明显，此时可以对次生裂纹进行分析。例如，可用次生裂纹判明是沿晶扩展还是穿晶扩展，还可以用T形法分析主裂纹及主裂纹源区，也可采用机械法将次生裂纹掰开，在扫描电镜下观察次生裂纹的断口以取得可靠的判断依据。

在分析裂纹的宏观形貌特征时，裂纹源位置的确定可以基于如下几点考虑：放射花样的放射中心指向裂纹源；人字纹顶点指向裂纹源；纤维区中心为裂纹源；从剪切唇的对侧寻找裂纹源；在构件表面缺口处寻找裂纹源；疲劳断裂的裂纹源在同心圆圆心处；应力腐蚀裂纹源在表面腐蚀产物集中处；氢脆断裂裂纹源在表层下面。

裂纹的形成取决于应力状态和材料强度的相互竞争关系，下面从应力分析与材料自身的情况两个方面来分析裂纹源的位置。

1）由“应力”引起的裂纹。对于由“应力”引起的裂纹，首先将构件分为两类：一是由于结构设计不合理造成应力集中的，或是由于结构紧凑需要而使得构件几何形状存在易引起应力集中的尖锐凹角、凸边或缺口等的构件；另一类是结构设计合理的构件。

根据材料学和弹性力学知识，第一类构件在制造过程和使用过程中会产生应力集中现象。例如，在淬火时由于这些部位冷却条件差、冷却速度较小，所以热应力较小，而组织应力的方向则决定了构件淬火后的总应力方向，但它一般总是使构件表层表现为拉应力状态，使得淬火后的表层容易形成裂纹。实际上，在构件上截面尺寸相差较大的部位都有可能会由于冷却速度差异较大而使得组织应力较大，加上自身的应力集中作用而容易在这些地方形成淬火裂纹。

对于第二类构件，裂纹有可能会萌生于应力最大处，或有随机分布的特点。此时需要对构件进行详细的应力分析，才能判断裂纹起裂的真正原因。例如：对于承受单向弯曲疲劳的构件，它的疲劳裂纹一般萌生于受拉力一边的最大应力处；对于承受双向弯曲疲劳的构件，其疲劳裂纹则一般起源于受拉力两边的最大应力处。

2）由“强度”引起的裂纹。由“强度”引起的裂纹实质上是指由材质原因引起的裂纹，一般来说材料中缺陷的存在是不可避免的，它们会破坏材料的连续性，降低材料的强度和韧性，而且在它们周围会造成很大的应力集中，导致构件在较低的应力水平下也可能会产生裂纹，所以材料缺陷是危害结构安全运行的重要因素。

如果裂纹源是在材料缺陷处或在其周围，那么一般可以找到作为裂纹源的缺陷特征。例如：对于由砂眼引起的疲劳开裂，在构件表面或在断口附近的截面上可找到砂眼；对于由切削刀痕引起的疲劳开裂，疲劳裂纹源沿着刀痕分布；对于由残余缩孔引起的锻造裂纹，裂纹是从缩孔开始向外扩展并沿纵向开裂的。此外，虽然偏析一般情况下并不会破坏金属的连续性，但却能使金属材料的力学性能变得不均匀，并造成某些薄弱环节，所以偏析也有可能成为裂纹源。因此，可以通过分析位于裂纹源上及其附近区域的缺陷来确定裂纹的形成原因。

（2）裂纹走向分析 在材料中裂纹扩展也是由应力状态和材料强度决定的，将确定裂纹走向的准则称为应力原则和强度原则。

1）应力原则。一般情况下，材料发生脆性断裂、应力腐蚀断裂和疲劳断裂时，裂纹扩展方向都垂直于主拉伸应力方向。而韧性材料在平面应力情况下承受扭转载荷时，裂纹扩展方向通常平行于切应力方向。如塔形轴在承受疲劳载荷作用时，疲劳裂纹在其凹角处萌生，并沿与主应力垂直方向扩展而不是与轴线垂直，从而形成所谓的碟形断口，裂纹的实际扩展方向与主应力线基本上是保持垂直的，符合上述应力原则。当然，如果在材料局部某些区域存在不符合的情况，则必然是由于材料缺陷所引起的，这可归结于下面的强度原则。

2）强度原则。强度原则是指裂纹总是沿着最小阻力方向即材料的薄弱环节或缺陷处扩展。一般情况下，如果材质比较均匀，起主导作用的是应力原则，裂纹扩展方向与应力原则所确定的保持一致。如果材质存在明显的不均匀性，此时强度原则将主导裂纹的扩展。因此，如果按应力原则扩展的裂纹，在扩展途中突然发生转折，显然这是由于遇到了材料内部的缺陷，此时往往能在转折处找到缺陷的痕迹或证据。

如果应力原则和强度原则所确定的裂纹扩展方向是一致的，那裂纹必然是沿着它们一致的方向扩展。例如，对于表面硬化的齿轮或滚动轴承的滚柱等零部件，如果按应力原则进行，构件沿硬化层和心部材料的过渡层（即界面）处的应力主要是平行于界面的交变切应力和交变张应力；同时，由于界面处材料强度急剧降低，按照强度原则裂纹则将沿界面扩展。因此，构件往往会发生沿界面的剪裂和垂直于界面的撕裂。

虽然裂纹的宏观分析非常重要，必不可少，是整个裂纹分析的基础，但是宏观分析往往难以解决裂纹的形成机制、原因以及各种影响因素的作用。为此，还需要对裂纹进行微观分析，主要是分析裂纹的微观扩展方式是穿晶、沿晶还是混合型的，具体以哪种形式进行则取决于在某种特定条件下晶内强度与晶界强度的相对比值。

分析裂纹微观走向的方法除了普通的金相分析外，还可采取断口磨面金相法。它是指直接磨削断口的表面（注意不能将断口完全磨掉），凭借未磨尽的凹坑形状和磨面上微裂纹特征来判断裂纹是以穿晶还是沿晶形式扩展。穿晶裂纹和沿晶裂纹有各自的微观特征。对于穿晶裂纹，在断口磨面上凹坑和微裂纹的形状圆凸、光滑。而对于沿晶裂纹，它们则呈晶粒状、有棱角的多边外形和有棱角的、较为平直的沿晶小裂纹。

一般情况下，应力腐蚀裂纹、氢脆裂纹、回火脆性裂纹、磨削裂纹、焊接热裂纹、热疲劳裂纹、过烧引起的锻造裂纹、铸造热裂纹、蠕变裂纹、热脆裂纹等都是沿晶界扩展的裂纹。疲劳裂纹、解理断裂裂纹、淬火裂纹、焊接冷裂及其他韧性断裂裂纹都是穿晶裂纹。当裂纹遇到亚晶界、晶界、硬质点或其他组织与性能不均匀区域时，裂纹扩展方向往往会发生改变。所以晶界能够阻碍裂纹的扩展，这也是常采用细化晶粒的方法来提高材料力学性能（如疲劳寿命）的原因所在。

需要特别指出的是，淬火裂纹的形成原因有所不同，它是由于冷却速度过大或构件的截面突变等原因而引起的裂纹，既可以是沿晶的，也可以是穿晶或混合型的。一般情况下，因过热或过烧引起的淬火裂纹是沿晶的，并具有晶粒粗大等组织特征；因冷却速度过大或其他因素引起应力集中而产生的淬火裂纹则是穿晶或混合型的。

（3）裂纹周围及裂纹末端分析 如果裂纹源位于构件表面或内部缺陷处，一般都能找到作为裂纹源的材料缺陷。如果裂纹不起源于构件缺陷处，且按应力原则扩展，但是当裂纹前沿附近存在缺陷时，裂纹就会发生转折，而在转折处可发现缺陷痕迹。

对于在高温下产生的裂纹，或虽是在室温附近产生的但在随后工序中构件被加热到高温的裂纹，在其周围会存在氧化和脱碳的痕迹，这种情况要注意与氧化物夹杂开裂的裂纹进行区别。要区分这两种情况，一方面要结合构件的工艺流程进行分析，另一方面则要对裂纹周围情况进行仔细的金相分析。一般说来，凡是由夹杂引起的裂纹，在裂纹附近的基体上总能找到与裂纹无关的夹杂，且由于这种夹杂是由冶炼带来的，它会随材料一起发生塑性变形而具有明显的变形特征。而由裂纹氧化而成的夹杂，它是靠原子扩散与置换作用形成的，所以不可能显示出前一类裂纹中夹杂的变形特征，它以颗粒状分布在裂纹两侧。

由此可见，对裂纹周围情况进行分析，可以判断裂纹经历的温度范围和构件的工艺历史，从而找出产生裂纹的具体工序，所以分析裂纹周围的情况是十分重要的内容。其实，它还包括对裂纹两侧的形状耦合性进行对比。例如，在金相显微镜下，淬火裂纹和疲劳裂纹虽然裂纹走向弯曲，但通常裂纹两侧形状是耦合的，但是发裂、拉痕、磨削裂纹、折叠裂纹及变形后的裂纹等，其耦合特征则不明显。因此，也常将裂纹两侧的形状耦合性作为判断裂纹性质的参考依据。

对于裂纹末端的情况，疲劳裂纹末端一般是尖锐的；淬火裂纹是尖锐的，且两侧金相组织与其他部分无任何区别，不存在氧化和脱碳痕迹；铸造热裂纹末端圆秃，往往具有龟裂外形，裂纹沿原始晶界延伸，内侧一般有氧化和脱碳现象；磨削裂纹末端圆秃，一般细而浅，呈龟裂或较有规则排列，裂纹附近组织一般与其他组织无显著区别，但有时有可能有微量氧化脱碳现象；发纹和折叠裂纹末端一般均呈圆秃。因此，裂纹末端情况也可以作为综合分析判断裂纹性质和原因的参考依据。