廣義的裂紋是指破壞材料連續性的缺陷，這種缺陷具有一定的深度、寬度和長度、成直線或曲線分佈於材料內部或表面， 嚴重影響材料的各種性能，如力學性能、導熱性和導電性能等。裂紋的尺寸、數量和形貌等特徵對材料物理性能和力學行爲的影響一直備受關注，人們希望透過研究裂紋的產生原因、擴展方式和擴展速度與材料性能的關係，來預測工件使用壽命。但現有研究中尚缺少系統的裂紋分析方法。本文較系統地介紹了材料中裂紋的分析方法。
1 實驗方法
分別選取帶有裂紋的Cr2O3塗層和高溫工具鋼X38CrMoV5(AISI H11)樣品，先肉眼觀察裂紋外觀特徵，再按裂紋走向截取樣品，其中橫向和縱向分別截取。磨拋後利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡分別觀察裂紋的形貌和分佈，以及裂紋周圍的微觀組織結構。再利用圖像分析軟件ISI 8.0 分析照片中裂紋的長度、角度、面積、節點數。運用統計學方法分析裂紋特徵參數，建立裂紋形態特徵與材料性能的關係。
2 實驗結果與分析
2.1 裂紋定性分析
裂紋的定性分析通常包括宏觀檢查、裂紋源分析、材質檢驗和裂紋微觀分析。宏觀檢查是裂紋分析的基礎，用於判斷材料中是否存在裂紋，除透過肉眼直接外觀檢查和敲擊測音外， 還可用無損探傷法檢測裂紋。當裂紋極爲細小時，可藉助光學顯微鏡和電子顯微鏡來判斷微裂紋的存在。裂紋源常分佈在由於工件形狀或材料缺陷引起的應力集中部位。材質檢驗包括化學成分、顯微組織、力學性能，及其他性能測試。微觀分析用於瞭解裂紋的性質、擴展機制、形成原因和影響因素，主要包括形態特徵分析和分佈特徵分析。裂紋的形態特徵包含裂紋形狀和張開度。其中張開度指裂紋開口寬度與裂紋深度之比。裂紋的分佈特徵分爲分散分佈、方向性分佈，放射狀分佈和網絡狀分佈。微觀裂紋分析應該確定裂紋分佈是穿晶的，還是沿晶的，主裂紋附近有無微裂紋和分枝，以及晶粒狀態、大小等特徵;分析裂紋附近是否存在碳化物或非金屬夾雜物，它們的形態，大小、數量及分佈情況;裂紋兩側是否存在氧化和脫碳現象; 產生裂紋的表面是否存在加工硬化層或回火層; 裂紋源及擴展路20μm 20μm(a) 網絡狀裂紋(b) 相鄰“原胞”圖3 Cr2O3塗層熱處理後表面裂紋形貌Fig.3徑周圍是否有過燒組織、魏氏組織、帶狀組織，以及其它形式的組織缺陷。根據裂紋的形態、分佈以及裂紋周圍組織可以確定裂紋源、擴展路徑、開裂方式及影響因素。
2.2 裂紋定量分析
由於材料結構的複雜性、材質不均勻性、受力不均勻性， 以及環境因素的影響都將引起斷口裂紋形態錯綜複雜。故進行定量分析時，需選取具有代表性的裂紋圖像， 必要時應對視場中出現某種特徵次數進行幾十個或更多的統計。利用圖像分析軟件輔助分析裂紋特徵，使裂紋的定量分析更方便、易操作。目前，材料中裂紋尚沒有統一的定義，爲了系統分析裂紋形態，現將裂紋特徵參數分別進行定義。描述裂紋嚴重程度的參數： 裂紋長度密度和麪積密度分別指單位面積上的裂紋長度和麪積。爲了研究裂紋的擴展方向， 定義裂紋角度爲裂紋主方向與所選取的參考方向的夾角。再利用一些拓撲學特徵參數描述網絡狀裂紋的特徵。其中，“原胞”相鄰數是指在網絡狀裂紋中，與某一個“原胞”第一層相鄰的“原胞”數目。裂紋節點是指兩條或兩條以上裂紋線的交點， 而節點密度是指單位面積中裂紋節點數目。
裂紋的長度密度最大， 但其面積密度卻最小。因此， 在研究中需要選擇合適的參數來評價裂紋對材料性能的影響。分析裂紋角度時， 可選定裂紋參考方向與圖像縱軸方向平行， 利用圖像分析軟件獲得每條裂紋夾角。再以裂紋角度爲極角，以該夾角的裂紋數佔裂紋總數的百分比爲極軸繪製裂紋角度極圖， 便於觀察裂紋角度的分佈情況裂紋在各個方向上分佈較均勻，裂紋具有明顯的方向性分佈。
從裂紋萌生至穩定狀態，裂紋的'相鄰“原胞數”主要爲5、6 和7，平均值接近6。除了熱疲勞裂紋網絡未成熟時之外(如熱循環周次較低)，相鄰“原胞數”的出現頻率p(n)都服從準正態分。隨着熱疲勞試驗時間延長這些拓撲學特徵參數將達到一個穩定值。因此，可根據這些拓撲學特徵參數來評估工件在高溫環境中的服役時間和剩餘壽命。
總之，對裂紋特徵參數進一步統計分析，是建立裂紋形態特徵與材料性能關係的有效手段。透過裂紋的定量分析可瞭解材料的力學性能、導電和導熱性能，以及預測工件的使用壽命等。
3 結論
根據裂紋分析的目的和要求， 可以從宏觀到微觀， 從定性到定量選擇某幾個方面進行分析。裂紋分析方法可用於金屬材料、氧化物塗層、溶膠凝膠法制備的薄膜和陶瓷釉中產生的裂紋分析。透過裂紋分析可以獲得材料產生裂紋的原因、裂紋的擴展方式和速度，從而建立裂紋與材料性能和壽命的關係。