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前言：失效过程是客观存在的事实，一个断口一旦形成，就一定有一个已经存在的主要原因或理由等待被发现，所谓失效分析工作就是还原或无限接近其真相。

文章内容较长，超过4000字，希望通俗易懂又不失专业逻辑来描述呈现，有时间的朋友可以一口气读完，没有足够时间的建议关注或收藏后慢慢阅读。

1 断口是断裂过程忠实的记录者

深夜，工程师小方做了一个梦，白天百思不得其解的一个42CrMo轴断口突然开口说话了，方工，方工，你猜我是谁？我是疲劳断口，虽然我们断口家族的出现是人们所不愿看见的，但是我们生来也是有用的，我们清楚的记录了断裂的全过程，只是这种记录不是语言，是三维画像，表现出来就是断口形貌。你是否听说过失败乃成功之母，我想说失效也是找到改进方向的必由之路，是开启设计优化的良方，是提高产品竞争力、赢得客户信任的机会。我们断口一族虽然是千人千面，但是有着清晰的门派之分，要想认识我们，先从分类说起，纲举目张之后做事才能势如破竹，进而做到犹如庖丁解牛一样游刃有余。胸中有丘壑，眼里有众生相，分析如有神助，缘何？无它，唯手熟尔。梦醒，得解。

2 断口观察分为宏观和微观观察

断口要从宏观和微观两个方面评估，二者相辅相成。宏观断口一般用眼睛直接观察或者借助于体视显微镜和低倍数放大镜观察，可以识别断口的初步特征，比如裂纹源的位置推断，可参考“常见断口上判断裂纹源的实用方法”、脆性还是韧性、是否有疲劳条带、断口是否有腐蚀产物、磨损情况如何、整体的产品形状结构如何、断口周围是否存在其它裂纹等等。对于微观断口观察，一般借助于扫描电镜进行观察，可以观察到例如解理断口、韧窝断口、疲劳断口、准解理等，是对断口放大几百倍，几千倍之下观察的结果。

宏观观察到的韧性和脆性断口的主要区别是塑形变形和剪切唇，具有这两个特征的是韧性断口。微观区分韧性和脆性主要是韧性有韧窝，脆性有解理，沿晶等。微观韧性可能表现为宏观脆性，比如铸造铝合金断口，所以描述韧性和脆性的时候一定要加上观察前提，是宏观还是微观。

其实断口分析没有那么难，学习断口最最重要的基本功是先学习拉伸和冲击断口，那么对于一个待分析的断口，可以说不是韧性就是脆性，学会下面几张图的内容和背后的理论就可以对大部分断口做宏观观察了。对于韧性中等的材料，在其拉伸和冲击断口上一般会存在三个区域，如下图所示，分别是纤维区、放射区以及剪切唇。这三个区在我们分析失效断口时会以不同组合出现或者单个出现。看断口的基本功就是了解这三个区的基本形貌以及其所代表的理论含义。

图1 典型拉伸韧性断口（有明显颈缩，剪切唇）

图2 典型冲击断口（有纤维区、放射区、剪切唇）

— 纤维区：裂纹形成及缓慢生长区，通常对应微观形貌为韧窝，属于材料的韧性断裂，呈粗糙的纤维状，所以称为纤维区。

–放射区：是纤维区的裂纹生长达到一定临界尺寸时，裂纹开始快速扩展形成的快速扩展区，通常可以理解为半韧性断裂区，或者脆性断裂区，呈放射线特征，所以称为放射区，放射方向与裂纹的扩展方向平行，所以放射线的逆指向位置（或者称为放射线的汇聚位置）就是裂纹源位置，这一点非常重要，经常可以用来寻找裂纹源，非常实用。

–剪切唇，剪切断裂区，通常代表断裂过程的最后阶段，也可以称为瞬断区，通常也为纤维状特征，但是其断裂面与拉伸主应力呈45°角倾斜，微观形貌可以看到具有方向性的撕裂韧窝，也是代表韧性断裂特征。

以上三个区是否会同时出现，出现后每个区的大小、位置、形态等随着材料的强度、所受应力状态、材料及工艺过程缺陷、环境介质和温度等不同而出现不同的变化，但万变不离其宗。例如，如果材料强度高、脆性大，放射区增加，纤维区缩小，甚至可能就全部是放射区，反之，会是全部的纤维区。

3 断口宏观观察要点

断口的宏观观察结果通常可以识别到断裂的大部分隐藏信息，作为一个断裂的见证者，断口不会说话表达，但是断口详细真实记录了断裂的过程，失效分析工程师的工作就是与断口进行“交流对话”。对断口专业耐心的观察，是失效分析的首要步骤，也是一个失效分析成功的关键所在，我经常和同事讲，拿到断口先盯着看十分钟，每看一遍，你都会有不一样的发现，有点类似于读书百遍其意自现的意思，有些情况下，有经验的工程师通过肉眼观察宏观断口就可以得出结论也不夸张，这当然是需要建立在对断裂理论的深入了解和大量实践案例的基础上。

3.1 从光泽度进行宏观断口观察，根据断口表面的粗糙度和反光特性判断：钝的无光泽的断口是韧性断口，原因是微观粗糙引起漫反射。亮的反光的断口是脆性断口，可能是解理或沿晶，当沿晶断口的样品晶粒度很粗时，会出现石状宏观断口特征。

图3 脆性断口，裂纹源位于下方正中间位置（放射条纹汇聚位置为裂纹源）

图4 脆性断口，从放射线汇聚位置可以推断红色椭圆型区域为裂纹源

3.2 宏观观察疲劳断口：如果可以看到贝纹线或者叫疲劳条带肯定就是疲劳断口了（这里有必要说明一下，宏观描述疲劳断口的纹路可以用贝纹线或者疲劳条带，微观描述疲劳断口应该用疲劳辉纹，经常看到有的工程师会混用）。那还有一种情况就是如果看不到贝纹线呢？如果可以看到疲劳起源，疲劳扩展以及最后瞬断区三个明显的分区，即使看不到贝纹线也可以定性为疲劳断口，当然如果再确认一下实际受到交变应力就更可以明确了。疲劳断口的瞬断区肯定是粗糙凹凸不平的，但如果这个区域出现反向疲劳条带，很可能误判疲劳弧线的方向，导致疲劳源位置找错，要注意。

图5 上图为一张轴的旋转弯曲疲劳断口，上下两个红色的椭圆标记区域分别为两处裂纹源，裂纹生成后均向圆心扩展，然后在黄色椭圆内汇合形成最后的瞬断区。另外，从以上断口还可以解读出断裂应力的大小，瞬断区所占整个断口的面积相对较小，说明断裂过程中受到的力较小，反之，则较大。相对上面的主源（主源即扩展区更大）而言，瞬断区在主源与圆心连线的左侧，可以推测该轴实际运行的主要方向或全部方向是逆时针旋转。因为裂纹沿着旋转方向的反方向扩展会更快一些。

图6 上图一张特殊的容易误判的疲劳断口，但是注意反向疲劳条带（贝纹线），虽然疲劳条带的弧形指向红色椭圆区域，但是椭圆区域并不是裂纹源（通常来说，疲劳条带指向的位置就是裂纹源），因为椭圆形区域内的微观形貌是韧窝特征（有些断口是需要宏观和微观观察结合着下结论的），而裂纹的起源一般不会是韧窝特征的。当然，这只是其中一个判据，另外也结合这个是轴类零件，当出现在过渡R角位置大的应力集中时，会沿圆周方向形成多个疲劳源，这是另一个判据，篇幅有限，这里就不再展开了，大家了解存在反向疲劳概念就可以，实践中多加留意。

4 微观断口观察要点

微观断口的分类通常是韧窝断口形貌、解理断口形貌、沿晶断口形貌、准解理断口形貌、疲劳断口形貌。其中韧窝、解理和大部分疲劳断口都属于穿晶断口。

韧窝的机理是微裂纹起源于夹杂物或第二相颗粒，然后以滑移的方式在滑移面扩展。解理断口的机理是沿解理面扩展。孪生是另一种变形机制，但通常只能提供有限的塑性变形。有些裂纹在沿解理面扩展时与孪晶相遇，会形成舌状花样，也是脆性断裂的特征。

图7 典型疲劳断口微观特征（疲劳辉纹明显可见），之所以是等间隔的纹路，是因为疲劳断口是在周期性的交变应力下逐步扩展形成的，每一个交变循环会让裂纹往前扩展一个纹路

图8 典型韧窝断口特征，之所以是韧窝形状，是因为材料在受到拉应力时，内部会在夹杂物或者第二相颗粒位置形成小的孔洞，之所以形成小的孔洞是因为夹杂物或第二相与周围基体材料的塑性变形性能不同，导致在拉伸的时候产生应变不同步，不同步的变形到一定程度自然会产生缝隙和孔洞。很多小的孔洞扩大与周围的孔洞相连就形成了上图的韧窝断口。材料正常就应该这么断裂。

图9 典型解理断口特征，解理断口的名称来源于断裂发生时，是沿着晶格的特定晶面进行扩展的，特定的晶面称为解理面。解理面是低指数面，也可以理解为材料中屈服强度最低的晶面或原子结合力最弱的晶面或原子间距最大的晶面。发生解理开裂也需要一些触发因素，比如温度、载荷速率、约束条件、晶粒尺寸等。

图10 上面这个断口也比较典型和有意思，红色椭圆区域可以看到明显的铸态枝晶形貌，这是一个典型的铸造疏松缺陷在扫描电镜下观察显示。

图11 上面这个断口表面灰蒙蒙的，看起来不是很干净的那种断口，是因为断口在形成之后经历过高温加热，导致断口表面被高温氧化了，如果做垂直断口面的金相组织，大部分情况是可以看到沿着断口面的灰色氧化物层的（后续会专门写一篇淬火裂纹的文章，淬火裂纹的主要特征就是断面氧化物），这个信号有时候非常重要，可以帮助我们准确定位裂纹发生的具体工艺，因为裂纹形成后经历了高温，那么比如说至少可以排除使用过程中产生裂纹的可能性了（如果使用过程中没有高温）。

5 零件为什么会发生不同形式的断裂呢

比如常见的韧窝特征代表韧性断裂，解理特征代表脆性断裂，疲劳断裂或者氢脆断裂也是代表脆性断裂，为什么是这种断裂，而不是另外一种断裂方式呢？这个和工件的自身材料性能和产品质量、形状尺寸、使用环境、受力条件等有关。具备什么样的条件，就会形成什么样的断口，分析断口切记不要生搬硬套，要尊重客观规律，尊重发生条件。

塑性断口是自然拉伸形成，通常来说，除非是设计故意得让某个低成本零件作为易损替换件断裂，否则都希望工件在断裂前发生明显塑性变形，这样有足够的时间可以被发现并且避免突然断裂造成破坏损失。

解理脆性断裂的形成条件：低温环境（材料在低温下会变脆）、大应变速率、应力集中引起三向应力，裂纹前端位错滑移受阻，阻碍塑性变形的进行，从而促进脆性断裂。

疲劳断裂的形成条件：需要有交变应力，高周疲劳寿命通常与材料强度有关，而低周疲劳通常与材料塑性有关，具体问题还要具体分析，然后重点关注疲劳源，疲劳源可能是材料的夹杂物缺陷、加工刀痕、点腐蚀坑、铸造缺陷、尺寸应力集中点等等。

最后，断口分析的学习和任何其它知识一样，需要多看、多思考、多实践，另外还需要辩证思维和随时推翻自己先前做出的结论的勇气，因为随着新的试验结果或者新的背景信息的呈现和提供，分析的结论可能会不同。所以要不断提高自己的认知水平，做到毋意、毋必、毋固、毋我。修身养德在通往技术高阶之路上也是必不可少的，与君共勉。