失效分析基礎(chǔ)知識(shí)丨金屬斷裂的類型
根據(jù)不同的特征將斷裂分為以下幾類。
1．韌性斷裂與脆性斷裂斷裂
按照材料斷裂前所產(chǎn)生的宏觀塑性變形量大小,斷裂類型通常分為韌性斷裂和脆性
（1）韌性斷裂
韌性斷裂又稱為延性斷裂或塑性斷裂,斷裂的特征是斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑性變形。在工程結(jié)構(gòu)中,韌性斷裂一般表現(xiàn)為過載斷裂,即零件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度而發(fā)生的斷裂。韌性斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過程,在裂紋擴(kuò)展過程中不斷消耗能量,斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力方向并與主應(yīng)力成45°角,用肉眼或低倍顯微鏡觀察時(shí)其斷口呈暗灰色、纖維狀,如低碳鋼拉伸試樣的杯狀斷口。纖維狀是塑性變形過程中微裂紋不斷擴(kuò)展和相互連接造成的,而暗灰色澤是纖維斷口表面對(duì)光反射能力很弱所致。
中、低強(qiáng)度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸斷口是典型的韌性斷裂,其宏觀斷口呈杯錐形,由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成,這三個(gè)區(qū)域?qū)嶋H上是裂紋形成區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和剪切斷裂區(qū),通常稱它們?yōu)閿嗫谌?如圖1所示。
圖1 單向斷口三個(gè)區(qū)域的示意圖
對(duì)于同一種材料,韌性斷口三區(qū)域的形態(tài)、大小和相對(duì)位置,因試樣形狀、尺寸和金屬材料的性能以及試驗(yàn)溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。一般來說,材料強(qiáng)度提高,塑性降低,則放射區(qū)比例增大;試樣尺寸加大,放射區(qū)增大明顯,而纖維區(qū)變化不大。因此,試樣塑性的好壞根據(jù)這三區(qū)域的比例就可以確定。如放射區(qū)較大,則材料的塑性低,因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域是裂紋快速擴(kuò)展部分,伴隨的塑性變形也小。反之,對(duì)于塑性好的材料,必然表現(xiàn)為纖維區(qū)和剪切唇占很大比例,甚至中間的放射區(qū)可能消失。
(2)脆性斷裂
脆性斷裂的特征是斷裂前基本上不發(fā)生明顯的塑性變形,沒有明顯征兆,因而危害性很大。脆性斷裂時(shí)承受的工作應(yīng)力很低,一般低于材料的屈服強(qiáng)度,因此,人們把脆性斷裂又稱為低應(yīng)力脆性斷裂。脆性斷裂通常在體心立方和密排六方金屬材料中出現(xiàn),而面心立方金屬材料只有在特定的條件下才會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。
脆性斷裂的裂紋源總是在內(nèi)部或表面的宏觀缺陷處,溫度降低時(shí)脆性斷裂傾向增大。脆性斷裂的斷口平齊而光亮,常呈結(jié)晶狀或放射狀,且與正應(yīng)力方向垂直。這些放射狀條紋匯聚于一個(gè)中心,這個(gè)中心區(qū)域就是裂紋源,斷口表面越光滑,放射條紋越細(xì),這是典型的脆性斷裂形貌。光滑圓形試樣的放射區(qū)一般都是從某邊緣處起始而遍布整個(gè)斷面,如圖2所示。如果是無缺口的板狀矩形拉伸試樣,則其放射區(qū)呈人字形花樣,人字的尖端指向裂紋源,如圖3所示。
圖2 脆性斷口宏觀形貌
圖3 板狀矩形試樣脆性斷口形貌示意圖
實(shí)際多晶體金屬斷裂時(shí),主裂紋向前擴(kuò)展,其前沿可能形成一些次生裂紋,這些裂紋向后擴(kuò)展借低能量撕裂與主裂紋連接便形成人字紋。
通常,脆性斷裂前也產(chǎn)生微量塑性變形。一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%(反映微量的均勻塑性變形,因?yàn)榇嘈詳嗔褯]有縮頸形成)者為脆性斷裂;反之,大于5%者為韌性斷裂。由此可見,金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來規(guī)定的。條件改變,材料的韌性與脆性行為也隨之變化。
2．穿晶斷裂與沿晶斷裂
多晶體金屬斷裂時(shí),裂紋擴(kuò)展的路徑可能是不同的。根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑,金屬的斷裂可分為穿晶斷裂和沿晶斷裂。穿晶斷裂的裂紋穿過晶內(nèi),沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴(kuò)展,如圖4、圖5所示。穿晶斷裂和沿晶斷裂有時(shí)可以同時(shí)發(fā)生。
圖4 穿晶斷裂
圖5 沿晶斷裂
3.正斷與切斷
根據(jù)斷裂面取向,可將金屬斷裂分為正斷和切斷兩種。
正斷與切斷如圖6所示。若斷裂面取向垂直于最大正應(yīng)力,則為正斷;若斷裂面取向與最大切應(yīng)力方向相一致,而與最大正應(yīng)力方向約成45°角,則為切斷,拉伸時(shí)斷口上的剪切唇就是這種斷裂。解理斷裂或塑性變形受較大約束下的斷裂為正斷,塑性變形不受約束或約束較小的情況下的斷裂位切斷。
圖6 正斷與切斷
此外，還可按照受力狀態(tài)（拉、扭、剪、沖擊、疲勞等）和環(huán)境介質(zhì)不同（低溫、高溫、應(yīng)力腐蝕等）對(duì)金屬材料類型進(jìn)行分類，見下表：
文章來源：機(jī)械裝備缺陷與失效分析
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