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非金属材料的SEM断口形貌与失效分析 DOI: 10.1361 / 15477020421773

本文分析了从本科和研究生12年的断裂学和失效分析课程中收集的SEM断裂图。所有被研究的非金属材料(玻璃、塑料、FRP和木材)都是在受控条件下断裂的,因此断裂主要是由拉伸、扭转、单向弯曲、反弯疲劳和冲击等一种加载方式造成的。借助体视显微镜和扫描电镜,分析了各试样的断口特征,得到了大范围放大后的断口形貌。裂纹扩展的特征和方向与引起断裂的加载方式有关。通过本研究,编制了主要断裂模式、微观机制、微观断裂特征和加载条件之间的相关关系。在失效分析过程中,特别是在对断裂原因知之甚少的情况下,这种相关性对于正确解释断裂特征是非常宝贵的。


关键词:失效分析,纤维增强塑料,断口成像,玻璃,非金属材料,塑料,扫描电子显微镜,木材



介绍

非金属材料的断裂是一个非常复杂的课题,许多描述断裂机制和由此产生的断裂特征的优秀书籍已经写过(参考文献1-3)。本文的目的是提供一套从12年的本科生和研究生水平的扫描电镜断面图实验课程汇编的说解性断面图。研究的金属材料包括玻璃、塑料、FRP和木材。学生在日常生活中熟悉了这些常见材料的破损物品后,便对这些研究表现出了浓厚的兴趣。

过程

每一种材料,通常以小杆的形式,都是在受控条件下断裂的,因此断裂主要是由于一种加载方式。这些模态包括拉伸、扭转、单向弯曲、反向弯曲疲劳和冲击。为了进行比较,每种材料至少采用三种不同的模式进行断裂,以便能够将特征断裂特征与每种加载模式进行关联。最初使用放大40倍的立体显微镜来评估主要的宏观断裂特征。特别值得注意的是裂纹萌生和最终断裂的位置以及阻缩

 

各断口面上裂纹扩展方向的最小值。这一信息是无价的选择区域,以更详细地审查使用SEM。

因为几乎所有的非金属材料都是不导电的,所以必须在每个样品被切割到适合扫描电镜(大约1厘米高)的尺寸后,用超声波清洗,并在铝片上镀银。只有30纳米厚的黄金涂层提供了所需的导电率,以防止充电,但又没有厚到失去断口表面细节(参考文献4)。

然后使用日立S-450扫描电镜在15或20 Kv的工作电压下对样品进行评估。虽然较高的电压使分辨率略有提高,但由于样品导热性差,也会导致样品局部升温。在几个例子中,20千伏特的加热效应被认为是纤维运动,而在观察FRP样品时,也被认为是塑料中粗糙断裂特征的平滑。在一个案例中,疲劳条纹在几秒钟内从视线中消失了。使用15kv就避免了这些问题。

金相的玻璃

首先讨论玻璃断裂问题

转载来自微观结构科学、21卷,金相表征材料的行为,Proc.六分之二十年度科技。会议的国际社会金相,C.R.布鲁克斯和核磁共振Louthan, Jr .) ed。国际社会金相,哥伦布,俄亥俄州和ASM国际,1994年,页121 - 134。

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表1玻璃断裂外观

它们的微破裂特征和通常的加载条件见表2 (Ref 9-13)。这个表格是一个简化,现实中的裂缝可能会因为几种失效模式同时运行而更加复杂。某些延展性热塑性塑料特有的一个有趣的微断裂特征是形成小纤维或薄膜,这些小纤维或薄膜由聚合物链束拉伸而成


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把太妃糖。图5 - 7中高密度聚乙烯(HDPE)分别在冲击、拉伸和扭转作用下断裂,可以清楚地看出这一特征。由于在这个过程中消耗了相当多的能量,这种纤维或薄膜的拉伸可以产生较高的延展性(塑性变形)和高韧性。

表2塑料的断裂特征断裂方式韧性微观机制剪切、撕裂

断裂模式

韧性

脆性

疲劳

微机械

剪切,撕裂

疯狂, 分裂

疯狂,疲劳裂纹生长,快速骨折

微帧功能

带长纤维的剪切带

镜像区, 黑客, 河流模式,

疲劳裂纹中的条纹


或电影在 45° 强调

在方向上与短纤维的热潮

地区;快速骨折可能



压力

是延展或脆性

负载条件

剪切负载,应变率低,

冲击载荷,低温

重复、周期性或


蠕变, 没有压力提升器

压力提升器

振动应力


在FRP上的载荷由刚性(高弹性模量)玻璃纤维弹性支承。塑料基体起到保护玻璃纤维的作用,在单个玻璃纤维断裂时重新分配负载,并使其变钝

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初期开裂。在大多数FRP断裂情况下,玻璃纤维采用表1所示的一种断裂模式,而塑料基体采用表2所示的一种断裂模式(文献14-18)。

试验的FRP材料为1毫米厚的玻璃纤维板,由直径7.5微米的长玻璃纤维成束排列在聚酯基体中。图11和图12显示了弯曲骨折的受拉面。注意聚酯断口表面的脆性河纹。在图12中,可以看到在基体中由于玻璃纤维的拉出而形成的孔。拉出是由于玻璃纤维和聚酯基体之间的界面结合相对较弱。图13显示了单个玻璃纤维断裂的末端,并显示了从复合弯曲和扭转玻璃棒预期的相同曲面。

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