非金屬材料的SEM斷口形貌與失效分析 DOI: 10.1361 / 15477020421773
本文分析了從本科和研究生12年的斷裂學和失效分析課程中收集的SEM斷裂圖。所有被研究的非金屬材料(玻璃、塑料、FRP和木材)都是在受控條件下斷裂的，因此斷裂主要是由拉伸、扭轉、單向彎曲、反彎疲勞和沖擊等一種加載方式造成的。借助體視顯微鏡和掃描電鏡，分析了各試樣的斷口特征，得到了大范圍放大后的斷口形貌。裂紋擴展的特征和方向與引起斷裂的加載方式有關。通過本研究，編制了主要斷裂模式、微觀機制、微觀斷裂特征和加載條件之間的相關關系。在失效分析過程中，特別是在對斷裂原因知之甚少的情況下，這種相關性對于正確解釋斷裂特征是非常寶貴的。
關鍵詞:失效分析，纖維增強塑料，斷口成像，玻璃，非金屬材料，塑料，掃描電子顯微鏡，木材
介紹
非金屬材料的斷裂是一個非常復雜的課題，許多描述斷裂機制和由此產生的斷裂特征的優秀書籍已經寫過(參考文獻1-3)。本文的目的是提供一套從12年的本科生和研究生水平的掃描電鏡斷面圖實驗課程匯編的說解性斷面圖。研究的金屬材料包括玻璃、塑料、FRP和木材。學生在日常生活中熟悉了這些常見材料的破損物品后，便對這些研究表現出了濃厚的興趣。
過程
每一種材料，通常以小桿的形式，都是在受控條件下斷裂的，因此斷裂主要是由于一種加載方式。這些模態包括拉伸、扭轉、單向彎曲、反向彎曲疲勞和沖擊。為了進行比較，每種材料至少采用三種不同的模式進行斷裂，以便能夠將特征斷裂特征與每種加載模式進行關聯。最初使用放大40倍的立體顯微鏡來評估主要的宏觀斷裂特征。特別值得注意的是裂紋萌生和最終斷裂的位置以及阻縮
各斷口面上裂紋擴展方向的最小值。這一信息是無價的選擇區域，以更詳細地審查使用SEM。
因為幾乎所有的非金屬材料都是不導電的，所以必須在每個樣品被切割到適合掃描電鏡(大約1厘米高)的尺寸后，用超聲波清洗，并在鋁片上鍍銀。只有30納米厚的黃金涂層提供了所需的導電率，以防止充電，但又沒有厚到失去斷口表面細節(參考文獻4)。
然后使用日立S-450掃描電鏡在15或20 Kv的工作電壓下對樣品進行評估。雖然較高的電壓使分辨率略有提高，但由于樣品導熱性差，也會導致樣品局部升溫。在幾個例子中，20千伏特的加熱效應被認為是纖維運動，而在觀察FRP樣品時，也被認為是塑料中粗糙斷裂特征的平滑。在一個案例中，疲勞條紋在幾秒鐘內從視線中消失了。使用15kv就避免了這些問題。
金相的玻璃
首先討論玻璃斷裂問題
轉載來自微觀結構科學、21卷,金相表征材料的行為,Proc.六分之二十年度科技。會議的國際社會金相,C.R.布魯克斯和核磁共振Louthan, Jr .) ed。國際社會金相,哥倫布,俄亥俄州和ASM國際,1994年,頁121 - 134。
表1玻璃斷裂外觀
它們的微破裂特征和通常的加載條件見表2 (Ref 9-13)。這個表格是一個簡化，現實中的裂縫可能會因為幾種失效模式同時運行而更加復雜。某些延展性熱塑性塑料特有的一個有趣的微斷裂特征是形成小纖維或薄膜，這些小纖維或薄膜由聚合物鏈束拉伸而成
把太妃糖。圖5 - 7中高密度聚乙烯(HDPE)分別在沖擊、拉伸和扭轉作用下斷裂，可以清楚地看出這一特征。由于在這個過程中消耗了相當多的能量，這種纖維或薄膜的拉伸可以產生較高的延展性(塑性變形)和高韌性。
表2塑料的斷裂特征斷裂方式韌性微觀機制剪切、撕裂
斷裂模式 | 韌性 | 脆性 | 疲勞 |
微機械 | 剪切，撕裂 | 瘋狂， 分裂 | 瘋狂，疲勞裂紋生長，快速骨折 |
微幀功能 | 帶長纖維的剪切帶 | 鏡像區， 黑客， 河流模式， | 疲勞裂紋中的條紋 |
或電影在 45° 強調 | 在方向上與短纖維的熱潮 | 地區;快速骨折可能 | |
壓力 | 是延展或脆性 | ||
負載條件 | 剪切負載，應變率低， | 沖擊載荷，低溫 | 重復、周期性或 |
蠕變， 沒有壓力提升器 | 壓力提升器 | 振動應力 |
在FRP上的載荷由剛性(高彈性模量)玻璃纖維彈性支承。塑料基體起到保護玻璃纖維的作用，在單個玻璃纖維斷裂時重新分配負載，并使其變鈍
初期開裂。在大多數FRP斷裂情況下，玻璃纖維采用表1所示的一種斷裂模式，而塑料基體采用表2所示的一種斷裂模式(文獻14-18)。
試驗的FRP材料為1毫米厚的玻璃纖維板，由直徑7.5微米的長玻璃纖維成束排列在聚酯基體中。圖11和圖12顯示了彎曲骨折的受拉面。注意聚酯斷口表面的脆性河紋。在圖12中，可以看到在基體中由于玻璃纖維的拉出而形成的孔。拉出是由于玻璃纖維和聚酯基體之間的界面結合相對較弱。圖13顯示了單個玻璃纖維斷裂的末端，并顯示了從復合彎曲和扭轉玻璃棒預期的相同曲面。
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